Bạn có thể nghĩ mình là chuyên gia trong việc điều hướng giao thông trong thành phố, có điện thoại thông minh bên cạnh. Bạn thậm chí có thể đi bộ đường dài với mộtthiết bị GPSđể tìm đường đi qua vùng hẻo lánh. Nhưng có lẽ bạn vẫn sẽ ngạc nhiên về tất cả những điềuGPS—hệ thống định vị toàn cầu làm nền tảng cho tất cả các phương pháp định vị hiện đại—có thể làm được.
GPSbao gồm một chòm sao vệ tinh gửi tín hiệu tới bề mặt Trái đất. Một cơ bảnmáy thu GPS, giống như thiết bị trong điện thoại thông minh của bạn, xác định vị trí của bạn—trong phạm vi khoảng 1 đến 10 mét—bằng cách đo thời gian đến của tín hiệu từ bốn vệ tinh trở lên. Với kiểu dáng đẹp hơn (và đắt tiền hơn)máy thu GPS, các nhà khoa học có thể xác định chính xác vị trí của chúng đến từng centimét hoặc thậm chí milimet. Bằng cách sử dụng thông tin chi tiết đó, cùng với những cách mới để phân tích tín hiệu, các nhà nghiên cứu đang phát hiện ra rằng GPS có thể cho họ biết nhiều thông tin hơn về hành tinh này hơn những gì họ nghĩ ban đầu.
Trong thập kỷ qua, nhanh hơn và chính xác hơnthiết bị GPSđã cho phép các nhà khoa học làm sáng tỏ cách mặt đất chuyển động trong các trận động đất lớn.GPSđã dẫn tới hệ thống cảnh báo tốt hơn về các thảm họa thiên nhiên như lũ quét và núi lửa phun trào. Và các nhà nghiên cứu thậm chí còn MacGyvered một sốmáy thu GPShoạt động như cảm biến tuyết, máy đo thủy triều và các công cụ bất ngờ khác để đo Trái đất.
Kristine Larson, nhà địa vật lý tại Đại học Colorado Boulder, người dẫn đầu nhiều khám phá và viết về chúng trong Đánh giá thường niên về Khoa học Trái đất và Hành tinh năm 2019, cho biết: “Mọi người nghĩ tôi bị điên khi bắt đầu nói về những ứng dụng này”. “Ồ, hóa ra là chúng ta có thể làm được điều đó.”
Dưới đây là một số điều đáng ngạc nhiên mà các nhà khoa học chỉ mới nhận ra gần đây rằng họ có thể làm được vớiGPS.
1. CẢM NHẬN MỘT ĐỘNG ĐẤT
Trong nhiều thế kỷ, các nhà địa chất học đã dựa vào máy đo địa chấn để đo mức độ rung chuyển của mặt đất, để đánh giá mức độ lớn và mức độ nghiêm trọng của một trận động đất.GPSmáy thu phục vụ một mục đích khác—để theo dõi các quá trình địa chất xảy ra ở quy mô chậm hơn nhiều, chẳng hạn như tốc độ các mảng vỏ lớn của Trái đất nghiền nát lẫn nhau trong quá trình được gọi là kiến tạo mảng. Vì thếGPScó thể cho các nhà khoa học biết tốc độ mà các mặt đối diện của đứt gãy San Andreas đang di chuyển qua nhau, trong khi máy đo địa chấn đo mặt đất rung chuyển khi đứt gãy ở California đó bị vỡ trong một trận động đất.
Hầu hết các nhà nghiên cứu đều cho rằngGPSđơn giản là không thể đo các vị trí đủ chính xác và đủ nhanh để hữu ích trong việc đánh giá động đất. Nhưng hóa ra các nhà khoa học có thể thu thập thêm thông tin từ tín hiệu mà vệ tinh GPS truyền tới Trái đất.
Những tín hiệu đó có hai thành phần. Một là chuỗi duy nhất gồm các số 1 và 0, được gọi là mã, mỗi chuỗiGPSvệ tinh truyền đi. Thứ hai là tín hiệu “sóng mang” có bước sóng ngắn hơn để truyền mã từ vệ tinh. Bởi vì tín hiệu sóng mang có bước sóng ngắn hơn—chỉ 20 cm—so với bước sóng dài hơn của mã, có thể là hàng chục hoặc hàng trăm mét, tín hiệu sóng mang cung cấp một phương pháp có độ phân giải cao để xác định chính xác một điểm trên bề mặt Trái đất. Các nhà khoa học, nhà khảo sát, quân đội và những người khác thường cần một vị trí GPS rất chính xác và tất cả những gì cần là một bộ thu GPS phức tạp hơn.
Các kỹ sư cũng đã cải thiện tốc độGPSngười nhận cập nhật vị trí của họ, nghĩa là họ có thể tự làm mới thường xuyên tới 20 lần một giây hoặc hơn. Khi các nhà nghiên cứu nhận ra rằng họ có thể thực hiện các phép đo chính xác nhanh chóng đến vậy, họ bắt đầu sử dụng GPS để kiểm tra xem mặt đất chuyển động như thế nào khi xảy ra động đất.
Năm 2003, trong một trong những nghiên cứu đầu tiên thuộc loại này, Larson và các đồng nghiệp của cô đã sử dụng máy thu GPS được gắn trên khắp miền Tây Hoa Kỳ để nghiên cứu xem mặt đất dịch chuyển như thế nào khi sóng địa chấn gợn lên từ trận động đất mạnh 7,9 độ richter ở Alaska. Đến năm 2011, các nhà nghiên cứu đã có thể lấy dữ liệu GPS về trận động đất mạnh 9,1 độ richter tàn phá Nhật Bản và cho thấy đáy biển đã dịch chuyển 60 mét đáng kinh ngạc trong trận động đất.
Ngày nay, các nhà khoa học đang xem xét rộng rãi hơn về cách thứcDữ liệu GPScó thể giúp họ nhanh chóng đánh giá các trận động đất. Diego Melgar thuộc Đại học Oregon ở Eugene và Gavin Hayes thuộc Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ở Golden, Colorado, đã nghiên cứu hồi cứu 12 trận động đất lớn để xem liệu họ có thể biết được nó sẽ lớn đến mức nào trong vòng vài giây kể từ khi trận động đất bắt đầu hay không. Bằng cách bao gồm thông tin từ các trạm GPS gần tâm chấn của trận động đất, các nhà khoa học có thể xác định trong vòng 10 giây liệu trận động đất có cường độ gây thiệt hại 7 hay cường độ hủy diệt hoàn toàn là 9 độ.
Các nhà nghiên cứu dọc Bờ Tây Hoa Kỳ thậm chí còn kết hợpGPSvào hệ thống cảnh báo sớm động đất còn non trẻ của họ, hệ thống này phát hiện rung chuyển mặt đất và thông báo cho người dân ở các thành phố xa xem liệu rung lắc có khả năng sẽ sớm tấn công họ hay không. Và Chile đã và đang xây dựngGPSmạng để có thông tin chính xác nhanh hơn, có thể giúp tính toán xem một trận động đất gần bờ biển có khả năng tạo ra sóng thần hay không.
2. THEO DÕI NÓNG LỬA
Ngoài động đất, tốc độ củaGPSđang giúp các quan chức ứng phó nhanh hơn với các thảm họa thiên nhiên khác khi chúng diễn ra.
Ví dụ, nhiều đài quan sát núi lửa cóGPScác máy thu bố trí xung quanh các ngọn núi mà họ theo dõi, bởi vì khi magma bắt đầu dịch chuyển dưới lòng đất, điều đó thường khiến bề mặt cũng dịch chuyển theo. Bằng cách theo dõi cách các trạm GPS xung quanh núi lửa dâng lên hoặc chìm xuống theo thời gian, các nhà nghiên cứu có thể biết rõ hơn về nơi đá nóng chảy đang chảy.
Trước vụ phun trào lớn của núi lửa Kilauea ở Hawaii vào năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã sử dụngGPSđể hiểu phần nào của núi lửa đang dịch chuyển nhanh nhất. Các quan chức đã sử dụng thông tin đó để giúp quyết định khu vực nào cần sơ tán cư dân.
Dữ liệu GPScũng có thể hữu ích ngay cả sau khi núi lửa phun trào. Bởi vì các tín hiệu truyền từ vệ tinh đến mặt đất nên chúng phải đi qua bất kỳ vật chất nào mà núi lửa phun vào không khí. Năm 2013, một số nhóm nghiên cứu đã nghiên cứuDữ liệu GPStừ vụ phun trào núi lửa Redoubt ở Alaska bốn năm trước đó và phát hiện ra rằng các tín hiệu bị biến dạng ngay sau khi vụ phun trào bắt đầu.
Bằng cách nghiên cứu các biến dạng, các nhà khoa học có thể ước tính lượng tro đã phun ra và tốc độ di chuyển của nó. Trong một bài báo tiếp theo, Larson gọi đó là “một cách mới để phát hiện các luồng núi lửa”.
Cô và các đồng nghiệp của mình đang tìm cách thực hiện điều này với nhiều loại điện thoại thông minh.máy thu GPSthay vì những chiếc máy thu khoa học đắt tiền. Điều đó có thể cho phép các nhà nghiên cứu núi lửa thiết lập một mạng GPS tương đối rẻ tiền và theo dõi các đám tro khi chúng dâng lên. Các đám khói núi lửa là một vấn đề lớn đối với máy bay, chúng phải bay vòng quanh tro thay vì có nguy cơ các hạt làm tắc nghẽn động cơ phản lực của chúng.
3. THĂM DÒ TUYẾT
Một số công dụng bất ngờ nhất củaGPSđến từ những phần lộn xộn nhất của tín hiệu—những phần dội lại khỏi mặt đất.
Khác biệtmáy thu GPS, giống như tín hiệu trong điện thoại thông minh của bạn, chủ yếu thu các tín hiệu đến trực tiếp từGPSvệ tinh trên cao. Tuy nhiên, nó cũng thu các tín hiệu phản xạ trên mặt đất mà bạn đang đi và phản ánh tới điện thoại thông minh của bạn.
Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã nghĩ rằng những tín hiệu phản xạ này không gì khác ngoài tiếng ồn, một loại tiếng vang làm xáo trộn dữ liệu và khiến khó có thể hiểu được chuyện gì đang xảy ra. Nhưng khoảng 15 năm trước, Larson và những người khác bắt đầu tự hỏi liệu họ có thể tận dụng được tiếng vang trong các máy thu GPS khoa học hay không. Cô bắt đầu xem xét tần số của các tín hiệu phản xạ khỏi mặt đất và cách chúng kết hợp với các tín hiệu đến trực tiếp tại máy thu. Từ đó cô có thể suy ra đặc điểm của bề mặt mà tiếng vang dội lại. Larson nói: “Chúng tôi vừa thiết kế ngược lại những tiếng vang đó.
Cách tiếp cận này cho phép các nhà khoa học tìm hiểu về mặt đất bên dưới bộ thu GPS - ví dụ như độ ẩm của đất hoặc lượng tuyết đã tích tụ trên bề mặt. (Tuyết rơi trên mặt đất càng nhiều thì khoảng cách giữa tiếng vang và máy thu càng ngắn.) Các trạm GPS có thể hoạt động như cảm biến tuyết để đo độ sâu của tuyết, chẳng hạn như ở các vùng núi nơi băng tuyết là nguồn nước chính mỗi năm.
Kỹ thuật này cũng hoạt động tốt ở Bắc Cực và Nam Cực, nơi có rất ít trạm thời tiết theo dõi lượng tuyết rơi quanh năm. Matt Siegfried, hiện làm việc tại Trường Mỏ Colorado ở Golden, và các đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu sự tích tụ tuyết tại 23 trạm GPS ở Tây Nam Cực từ năm 2007 đến năm 2017. Họ nhận thấy họ có thể đo trực tiếp lượng tuyết đang thay đổi. Đó là thông tin quan trọng dành cho các nhà nghiên cứu muốn đánh giá lượng tuyết mà dải băng ở Nam Cực tích tụ vào mỗi mùa đông và so sánh lượng tuyết đó với lượng tuyết tan vào mỗi mùa hè.
4. CẢM NHẬN MỘT SỰ CHÌM
GPScó thể ban đầu là một cách để đo vị trí trên mặt đất cứng, nhưng hóa ra nó cũng hữu ích trong việc theo dõi sự thay đổi mực nước.
Vào tháng 7, John Galetzka, một kỹ sư tại tổ chức nghiên cứu địa vật lý UNAVCO ở Boulder, Colorado, nhận thấy mình đang lắp đặt các trạm GPS ở Bangladesh, tại ngã ba sông Hằng và sông Brahmaputra. Mục đích là để đo xem liệu trầm tích sông có bị nén lại hay không và đất có bị lún xuống từ từ hay không, khiến vùng đất này dễ bị lũ lụt hơn khi có bão nhiệt đới và mực nước biển dâng. “GPS là một công cụ tuyệt vời giúp trả lời câu hỏi này và hơn thế nữa,” Galetzka nói.
Trong một cộng đồng nông dân tên là Sonatala, ở bìa rừng ngập mặn, Galetzka và các đồng nghiệp của ông đã đặt một chiếcGPStrạm trên mái bê tông của một trường tiểu học. Họ thiết lập một trạm thứ hai gần đó, trên một cây gậy được đóng vào ruộng lúa. Nếu mặt đất thực sự đang chìm xuống thì trạm GPS thứ hai sẽ trông như thể nó đang dần nhô lên khỏi mặt đất. Và bằng cách đo tiếng vang GPS bên dưới các trạm, các nhà khoa học có thể đo được các yếu tố như lượng nước đọng trên ruộng lúa trong mùa mưa.
máy thu GPSthậm chí có thể giúp các nhà hải dương học và thủy thủ bằng cách đóng vai trò là máy đo thủy triều. Larson tình cờ phát hiện ra điều này khi đang làm việc với dữ liệu GPS từ Vịnh Kachemak, Alaska. Trạm được thành lập để nghiên cứu sự biến dạng kiến tạo, nhưng Larson tò mò vì vịnh cũng có một số biến động thủy triều lớn nhất ở Hoa Kỳ. Cô xem xét các tín hiệu GPS phản xạ từ mặt nước đến máy thu và có thể theo dõi sự thay đổi thủy triều gần như chính xác như máy đo thủy triều thực sự ở bến cảng gần đó.
Điều này có thể hữu ích ở những nơi trên thế giới không có thiết bị đo thủy triều dài hạn—nhưng lại có mộtTrạm GPS gần đó.
5. PHÂN TÍCH KHÍ KHÍ
Cuối cùng,GPScó thể tiết lộ thông tin về bầu trời phía trên theo cách mà các nhà khoa học chưa từng nghĩ đến cho đến chỉ vài năm trước đây. Hơi nước, các hạt tích điện và các yếu tố khác có thể làm chậm tín hiệu GPS truyền qua khí quyển và điều đó cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện những khám phá mới.
Một nhóm các nhà khoa học sử dụngGPSđể nghiên cứu lượng hơi nước trong khí quyển có thể kết tủa dưới dạng mưa hoặc tuyết. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những thay đổi này để tính toán lượng nước có khả năng rơi từ trên trời xuống trong những trận mưa như trút nước, cho phép các nhà dự báo điều chỉnh dự đoán của họ về lũ quét ở những nơi như Nam California. Trong cơn bão tháng 7 năm 2013, các nhà khí tượng học đã sử dụngGPSdữ liệu để theo dõi độ ẩm gió mùa di chuyển trên bờ ở đó, hóa ra đây là thông tin quan trọng để đưa ra cảnh báo 17 phút trước khi lũ quét xảy ra.
Tín hiệu GPScũng bị ảnh hưởng khi chúng di chuyển qua phần tích điện của tầng khí quyển phía trên, được gọi là tầng điện ly. Các nhà khoa học đã sử dụngDữ liệu GPSđể theo dõi những thay đổi trong tầng điện ly khi sóng thần chạy dọc đại dương bên dưới. (Sức mạnh của sóng thần tạo ra những thay đổi trong bầu khí quyển làm gợn sóng lên đến tầng điện ly.) Kỹ thuật này một ngày nào đó có thể bổ sung cho phương pháp cảnh báo sóng thần truyền thống, sử dụng phao rải rác trên đại dương để đo chiều cao của sóng di chuyển .
Và các nhà khoa học thậm chí còn có thể nghiên cứu ảnh hưởng của nhật thực toàn phần bằng cách sử dụngGPS. Vào tháng 8 năm 2017, họ đã sử dụngTrạm GPSkhắp nước Mỹ để đo xem số lượng electron ở tầng trên của bầu khí quyển giảm xuống như thế nào khi bóng của mặt trăng di chuyển khắp lục địa, làm mờ đi ánh sáng lẽ ra đã tạo ra các electron.
Vì thếGPSrất hữu ích cho mọi thứ từ mặt đất rung chuyển dưới chân bạn cho đến tuyết rơi từ trên trời xuống. Không tệ đối với một thứ được cho là giúp bạn tìm đường đi khắp thị trấn.
Bài viết này ban đầu xuất hiện trên tạp chí Knowable Magazine, một nỗ lực báo chí độc lập của Annual Reviews. Đăng ký nhận bản tin.
