پنج کاربرد کمتر شناخته‌ شده GPS

وقتی تلفن هوشمند درکنارتان است، ممکن است تصور کنید متخصص مسیریابی در ترافیک شهر هستید. به‌کمک این سیستم می‌توانید مسیر خود را در مناطق پراکنده‌ی روستایی نیز پیدا کنید. بااین‌حال، احتمالا شگفت‌زده خواهید شد اگر بدانید GPS (سیستم جهانی موقعیت‌یابی) چه کارهای دیگری می‌تواند انجام دهد.

سیستم GPS متشکل از مجموعه‌ای از ماهواره‌ها است که سیگنال‌هایی به سطح زمین می‌فرستند. گیرنده‌ی GPS مانند همان چیزی که در تلفن هوشمند شما تعبیه شده است که با اندازه‌گیری زمان رسیدن سیگنال‌ها از چهار یا تعداد بیشتری ماهواره، موقعیت شما را در محدوده‌ی حدود یک تا ده متری مشخص می‌کند. دانشمندان با استفاده از انواع گران‌تر گیرنده‌های GPS، می‌توانند موقعیت را با دقت سانتی‌متری یا حتی میلی‌متری مشخص کنند. پژوهشگران با استفاده از اطلاعات ریزساختار همراه‌با روش‌های جدید تجزیه‌و‌تحلیل، در حال پی‌بردن به این موضوع هستند که قابلیت‌های GPS درمقایسه‌با آنچه ابتدا تصور می‌شد، بیشتر است و می‌تواند اطلاعات بیشتری درباره‌ی سیاره دراختیار ما بگذارد.

در دهه‌ی گذشته، دستگاه‌های GPS سریع‌تر و دقیق‌تر به دانشمندان کمک کرده‌اند نحوه‌ی حرکت زمین را در زمین‌لرزه‌ای بزرگ نشان دهند. استفاده از GPS به ایجاد سیستم‌های هشدار بهتر برای کسب آگاهی از بلایای طبیعی مانند سیل‌های ناگهانی و فوران‌های آتشفشانی منجر شده است. برخی پژوهشگران حتی از گیرنده‌های GPS به‌عنوان حسگرهای برف و سنجش‌گر جزرومد و ابزارهای غیرمنتظره‌ی دیگری برای اندازه‌گیری زمین استفاده کرده‌اند. کریستین لارسون ژئوفیزیک‌دان دانشگاه کلرادو بولدر است که بسیاری از این اکتشافات را هدایت کرده و در سال ۲۰۱۹ دراین‌باره مقاله‌ای در مجله‌ی Annual Review of Earth and Planetary Sciences منتشر کرده است. وی می‌گوید:

وقتی درباره‌ی این کاربردها صحبت می‌کردم، دیگران گمان می‌کردند دیوانه‌ام؛ ولی درنهایت توانستیم آن‌ها را انجام دهیم.

در اینجا، برخی از قابلیت‌های شگفت‌انگیز GPS آورده شده است که دانشمندان اخیرا به آن‌ها پی برده‌اند.

۱. احساس‌کردن زمین‌لرزه

قرن‌ها است که زمین‌شناسان برای اندازه‌گیری میزان لرزش زمین و ارزیابی شدت زمین‌لرزه به لرزه‌سنج‌ها متکی هستند. در‌این‌میان، گیرنده‌های GPS هدف دیگری را دنبال می‌کنند: ردیابی فرایندهای زمین‌شناسی که در مقیاس‌های بسیار آهسته‌تر اتفاق می‌افتد، مانند سرعت حرکت صفحات تکتونیکی زمین. بنابراین، GPS سرعتی را مشخص می‌کند که با آن دو سمت مخالف گسل سن آندریاس در حال لغزیدن از روی هم هستند؛ درحالی‌که لرزه‌سنج‌ها لرزش زمین را هنگام ازهم‌گسیختن گسل کالیفرنیا در زمین‌لرزه اندازه‌گیری می‌کنند.

اکثر پژوهشگران تصور می‌کردند GPS نمی‌تواند موقعیت را با دقت و سرعت کافی اندازه‌گیری کند تا بتواند ابزار مفیدی برای ارزیابی زمین‌لرزه‌ها باشد؛ اما مشخص شده است دانشمندان می‌توانند اطلاعات اضافه‌ای از سیگنال‌هایی استخراج کنند که ماهواره‌های GPS به زمین می‌فرستند. این سیگنال‌ها به‌شکل دو جزء به زمین می‌رسند: یکی مجموعه‌ای منحصر‌به‌فرد از صفر و یک است که با عنوان «کد» شناخته می‌شود و هر ماهواره‌ی GPS آن را منتقل می‌کند و دیگری «سیگال‌های حامل» که طول موج کوتاه‌تری دارند و کد را از ماهواره منتقل می‌کنند. ازآنجاکه طول موج سیگنال حامل در‌مقایسه‌با طول موج کد کوتاه‌تر (فقط ۲۰ سانتی‌متر) است، سیگنال حامل روشی با وضوح بالا برای مشخص‌کردن نقطه‌ای روی سطح زمین ارائه می‌دهد. دانشمندان، نقشه‌برداران، ارتش و گروه‌های دیگر اغلب به موقعیت دقیقی نیاز دارند و آنچه در این موارد به آن نیاز است، گیرنده‌ی GPS پیچیده‌تر است.

مهندسان همچنین سرعتی را بهبود بخشیده‌اند که با آن گیرنده‌های GPS موقعیت خود را به‌روزرسانی می‌کنند. این سیستم می‌تواند خود را ۲۰ بار در ثانیه یا بیشتر به‌روزرسانی کند. وقتی پژوهشگران متوجه شدند می‌توانند با چنین سرعتی اندازه‌گیری‌های دقیقی به‌دست آورند، تصمیم گرفتند از GPS برای بررسی نحوه‌ی حرکت زمین در زمین‌لرزه استفاده کنند. در سال ۲۰۰۳ و در یکی از اولین مطالعات انجام‌شده دراین‌زمینه، لارسون و همکارانش از گیرنده‌های GPS مستقر در غرب کشور آمریکا برای مطالعه‌ی نحوه‌ی حرکت زمین استفاده کردند که امواج لرزه‌ی ناشی از زمین‌لرزه‌ای ۷/۹ ریشتری در آلاسکا در طول زمین حرکت می‌کرد. تا سال ۲۰۱۱، پژوهشگران توانستند داده‌های GPS را از زمین‌لرزه ۹/۱ ریشتری ویران‌کننده‌ی ژاپن بگیرند و نشان دهند کف دریا در جریان این لرزه ۶۰ متر جا‌به‌جا شد.

پژوهشگران در امتداد سواحل غربی آمریکا GPS را در سیستم‌های هشدار زودهنگام زمین‌لرزه گنجانده‌اند. این سیستم‌ها لرزه‌های زمین را تشخیص و به مردم ساکن شهرهای دورتر خبر می‌دهند که لرزش به‌زودی به آن‌ها نیز خواهد رسید یا نه. کشور شیلی نیز به‌منظور دستیابی سریع‌تر به اطلاعات دقیق در حال ایجاد شبکه‌ی GPS است که بتواند این موضوع را مشخص کند زمین‌لرزه در نزدیک ساحل به ایجاد سونامی منجر می‌شود یا خیر.

۲. نظارت بر فعالیت آتشفشانی

فراتر از زمین‌لرزه‌ها، سرعت GPS به مسئولان کمک می‌کند هنگام وقوع بلایای طبیعی دیگر سریع‌تر واکنش نشان دهند. به‌عنوان مثال، بسیاری از رصدخانه‌های آتشفشان گیرنده‌های GPS دارند که در اطراف کوه‌هایی مستقر شده‌اند که آن‌ها زیرنظر گرفته‌اند. تغییرات حاصل از ماگما که در زیر زمین اتفاق می‌افتد، موجب ایجاد تغییراتی در سطح نیز می‌شود. پژوهشگران با نظارت بر اینکه ایستگاه‌های GPS در اطراف آتشفشان چگونه فرو می‌روند یا بالا می‌آیند، بهتر می‌توانند محل جریان سنگ‌های مذاب را مشخص کنند. قبل از فوران بزرگ سال گذشته‌ی آتشفشان کیلاویا در هاوایی، پژوهشگران از اطلاعات GPS برای دانستن این نکته استفاده کردند که کدام بخش‌ها از آتشفشان با بیشترین سرعت در حال حرکت است. مسئولان این اطلاعات را برای تصمیم‌گیری درزمینه‌ی مناطقی به‌کار بردند که باید تخلیه شود.

ایستگاه GPS در سواحل خلیج کاچماک در آلاسکا مستقر شده است. داده‌های حاصل از این گیرنده به‌خوبی با داده‌های ایستگاه سنجش جزرومد اداره‌ی ملی اقیانوسی و جوی هم‌خوانی دارد که در آن نزدیکی است و نشان می‌دهد سیگنال‌های GPS می‌تواند برای نظارت بر تغییرات سطح آب استفاده شود.

داده‌های GPS می‌توانند حتی پس از فوران آتشفشان مفید باشند. ازآنجاکه سیگنال‌ها از ماهواره‌ها به زمین ارسال می‌شوند، آن‌ها باید از هر ماده‌ای عبور کنند که آتشفشان وارد اتمسفر کرده است. در سال ۲۰۱۳، چندین گروه پژوهشی داده‌های GPS مرتبط‌با فوران آتشفشان ردابت در آلاسکا را مطالعه کردند و دریافتند بلافاصله پس از آغاز فوران، سیگنال‌ها منحرف می‌شوند. دانشمندان با بررسی میزان انحراف سیگنال‌ها می‌توانند تخمین بزنند چه میزان خاکستر وارد هوا شده و با چه سرعتی در حال حرکت است. لارسون در مقاله‌ی بعدی خود این رویکرد را «روش جدیدی برای تشخیص ستون‌های دود آتشفشان» نامید. او و همکارانش می‌کوشند به‌جای گیرنده‌های گران‌قیمت بتوانند با استفاده از گیرنده‌هایی شبیه گیرنده‌های موجود در تلفن‌های هوشمند این کار را انجام دهند. این امر آتشفشان‌شناسان را قادر می‌سازد بتوانند شبکه‌ی نسبتا ارزانی از GPS ایجاد کنند و ستون‌های خاکستر را هنگام بالاآمدن در هوا زیرنظر بگیرند. ستون‌های دود حاصل از آتشفشان‌ها مشکل بزرگی برای هوایپماها به‌شمار می‌روند و هواپیماها مجبورند برای اجتناب از گرفتگی موتور به‌وسیله‌ی ذرات دود از اطراف آن‌ها عبور کنند.

۳. کاوش برف

برخی از غیرمنتظره‌ترین استفاده‌های GPS از بازتاب سیگنال‌ها از سطح زمین حاصل می‌شود. گیرنده‌ی معمولی GPS مانند همان چیزی که در تلفن هوشمند وجود دارد، عمدتا سیگنال‌هایی را می‌گیرد که مستقیما از ماهواره‌های GPS موجود در فضا می‌آیند. البته سیگنال‌هایی را نیز برمی‌دارد که از روی سطح زمینی منعکس می‌شود که روی آن قدم می‌زنید و به تلفن هوشمند شما بازتاب می‌شود.

سال‌ها دانشمندان فکر می‌کردند این سیگنال‌های منعکس‌شده چیزی جز نویز نیستند؛ نوعی پژواک که داده‌ها را تیره‌و‌تار می‌کند و تشخیص‌دادن واقعه را دشوارتر می‌کند. بااین‌حال، حدود ۱۵ سال پیش لارسون و پژوهشگران دیگر به این فکر افتادند آیا می‌توانند از پژواک‌های حاصل از گیرنده‌های علمی GPS استفاده کنند. لارسون بررسی فرکانس‌های سیگنال‌های منعکس‌شده از زمین و نحوه‌ی ترکیب آن‌ها با سیگنال‌هایی را شروع کرد که مستقیما به گیرنده می‌رسیدند. با استفاده از این اطلاعات، او توانست ویژگی‌هایی سطوحی را استنباط کند که این پژواک‌ها از آن منعکس شده بودند. لارسون می‌گوید:

ما فقط آن پژواک‌ها را مهندسی معکوس کردیم.

تعداد زیادی از پژوهشگران در حال استفاده از سیگنال‌های GPS به‌عنوان ابزار سنجش از راه دور برای مطالعه مواردی مانند چرخه‌ی آب زمین هستند. سیگنالی که از خاک عریان منعکس می‌شود (بالا سمت راست)، ویژگی‌های خاصی دارد. برخی از این ویژگی‌ها با سیگنال منعکس‌شده از سطح زمین برفی یا دارای پوشش گیاهی یا خاک مرطوب متفاوت است.

رویکرد مذکور به دانشمندان کمک می‌کند درباره‌ی زمین واقع در زیر گیرنده‌ی GPS اطلاعاتی کسب کنند. برای مثال، اینکه چقدار رطوبت در خاک وجود دارد یا چقدار برف روی سطح زمین انباشته شده است. هرچه برف بیشتری روی زمین جمع شود، فاصله‌ی بین پژواک و گیرنده کمتر می‌شود. ایستگاه‌های GPS می‌توانند به‌عنوان حسگر برف برای اندازه‌گیری عمق برف عمل کنند؛ مثلا در مناطق کوهستانی که در آن برف انباشته‌شده منبع مهمی از آب هر سال است. این سیستم همچنین در شمالگان و جنوبگان به‌کار می‌آید که در آن‌ها تعداد کمی ایستگاه هواشناسی بارش برف را در طول سال زیرنظر می‌گیرند.

مت زیگفرید که اکنون در دانشکده‌ی معادن کلرادو در گلدن مشغول پژوهش است، با همکاری همکارانش بین سال‌های ۲۰۰۷ تا ۲۰۱۷، تجمع برف را در ۲۳ ایستگاه GPS مستقر در غرب جنوبگان مطالعه کرد. آن‌ها دریافتند می‌توان برف در حال تغییر را به‌طور مستقیم اندازه‌گیری کرد. این اطلاعات برای پژوهشگرانی مفید است که میزان انباشت برف را در این مناطق بررسی می‌کنند.

۴. تشخیص فروافتادگی زمین

سیستم GPS ممکن است ابتدا به‌عنوان روشی برای تعیین موقعیت روی زمین جامد ارائه شده باشد؛ اما مشخص شده است درزمینه‌ی نظارت بر تغییرات سطح آب نیز مفید است. در ژوئپه، جان گالتزکا، مهندس سازمان پژوهش‌های ژئوفیزیک UNAVCO در بولدر کلرادو، برای نصب ایستگاه‌های GPS در بنگلادش در محل اتصال بین رودخانه‌های گنگ و برهماپوترا دست به کار شد. هدف از این کار مشخص‌کردن این موضوع بود که آیا رسوبات رودخانه درحال فشرده‌شدن و زمین به‌آرامی در حال فرونشست است یا خیر؛ امری که باعث می‌شود رودخانه درمقایسه‌با سیل و افزایش سطح آب دریا آسیب‌پذیرتر شود. گالتزکا می‌گوید:

GPS ابزار‌ شگفت‌انگیزی برای کمک به یافتن پاسخ این سؤال و موارد دیگر است.

گالتزکا و همکارانش در جامعه‌ی کشاورزی به‌نام سوناتالا که در حاشیه‌ی جنگل مانگرو واقع شده است، ایستگاه GPS را روی پشت‌بام بتونی مدرسه‌ی ابتدایی قرار دادند. آن‌ها ایستگاه دیگری را نیز در همان نزدیکی برفراز میله‌ی فلزی محکمی در مزرعه‌ی برنج مستقر کردند. اگر زمین واقعا در حال فرونشست بود، باید چنین به‌نظر می‌رسید ایستگاه GPS دوم به‌آرامی درحال خارج‌شدن از زمین باشد. دانشمندان با اندازه‌گیری پژواک‌های GPS در سطح زیر ایستگاه‌ها، برای مثال می‌توانند اندازه‌گیری کنند در جریان فصل باران چقدر آب در مزرعه برنج می‌ایستد.

گیرنده‌های GPS حتی می‌توانند با عمل به‌عنوان سنجشگر جزرومد به اقیانوس‌شناسان و دریانوردان کمک کنند. لارسون هنگام کار با داده‌های GPS خلیج کاچماک در آلاسکا به این فکر افتاد. این ایستگاه برای مطالعه‌ی تغییر شکل تکتونیکی تأسیس شده بود؛ اما لارسون دراین‌زمینه کنجکاو بود؛ زیرا در این خلیج تغییرات جزرو‌مد بزرگی اتفاق می‌افتاد. او به سیگنال‌های GPS دقت کرد که از آب منعکس‌ می‌شدند و به گیرنده می‌رسیدند. لارسون توانست تغییرات جزرومد را تقریبا به دقت سنجشگر جزرومد واقعی ردیابی کند که در بندر مجاور وجود داشت. این رویکرد می‌تواند در قسمت‌هایی از جهان مفید باشد که از دستگاه‌های سنجش جزرومد بی‌بهره هستند؛ ولی در حوالی آن‌ها ایستگاه GPS وجود دارد.

روستایییان اهل سوناتالا، جامعه‌ی کشاورزی در بنگلادش، گودالی برای کابل آنتن GPS حفر می‌کنند. ایستگاه‌های GPS به نظارت بر سطح ایستابی آب منطقه کمک می‌کنند که دربرابر سیل آسیب‌پذیر است.

۵. تجزیه‌و‌تحلیل اتمسفر

سرانجام، GPS می‌تواند اطلاعاتی از آسمان بالای سر ما فراهم کند؛ آن‌هم به روش‌هایی که تا همین چند سال پیش دانشمندان تصور نمی‌کردند، امکان‌پذیر باشد. بخار‌آب و ذرات باردار الکتریکی و دیگر عوامل موجود در اتمسفر می‌توانند سفر سیگنال‌های GPS را به‌تأخیر بیندازند و این امر به پژوهشگران امکان کشفیات جدیدی می‌دهد.

گروهی از دانشمندان از GPS برای مطالعه‌ی مقدار بخارآب موجود در اتمسفر استفاده می‌کنند که بارش برف یا باران را به‌دنبال دارد. پژوهشگران از این تغییرات برای محاسبه‌ی مقدار احتمالی آبی بهره می‌برند که به‌شکل باران درخواهد آمد و به پیش‌بینی‌‌کننده‌ها اجازه می‌دهند در مناطقی مثل جنوب کالیفرنیا سیل ناگهانی را دقیق پیش‌بینی کنند. در جریان طوفانی در ژوئیه‌ی ۲۰۱۳، هواشناسان از داده‌های GPS برای ردیابی رطوبت موسمی در سواحل استفاده کردند و نشان دادند به‌کمک این اطلاعات می‌توان ۱۷ دقیقه زودتر از وقوع سیل ناگهانی باخبر شد.

سیگنال‌های GPS همچنین وقتی از بخش باردار اتمسفر بالا، یعنی یونوسفر می‌گذرند، تحت‌تأثیر قرار می‌گیرند. دانشمندان از داده‌های GPS برای ردیابی تغییر در یونوسفر به‌منظور ردیابی حرکت سونامی در اقیانوس استفاده کردند. نیروی سونامی تغییراتی در اتمسفر ایجاد می‌کند که به‌صورت مواج تا یونوسفر می‌رود. این تکنیک می‌تواند روزی مکمل روش سنتی هشدار سونامی باشد که از شناورهای مستقر در اقیانوس برای اندازه‌گیری ارتفاع موج‌های در حال حرکت استفاده می‌کند.

دانشمندان حتی توانسته‌اند اثرهای خورشیدگرفتگی کامل را با استفاده از GPS مطالعه کنند. در اوت ۲۰۱۷، آن‌ها از ایستگاه‌های GPS مستقر در سرتاسر آمریکا برای اندازه‌گیری این موضوع استفاده کردند که چگونه تعداد الکترون‌ها در اتمسفر فوقانی همگام با حرکت سایه‌ی ماه در سرتاسر قاره کاهش پیدا می‌کند. شایان ذکر است در جریان خورشیدگرفتگی، کاهش ناگهانی در تابش‌های خورشیدی موجب کاهش الکترون‌ها در یونوسفر می‌شود. بنابراین، GPS برای هر چیزی از لرزش‌های زمین زیر پای شما تا برف آسمان مفید است. این امر برای سیستمی که فقط قرار بود به شما در پیداکردن مسیر در شهر کمک کند، بد نیست.