あなたは、スマートフォンをそばに置いて、街の交通をナビゲートするのが得意だと思っているかもしれません。を持ってハイキングすることもできます。GPSデバイス奥地を通る道を見つけるために。しかし、おそらくあなたは、これから起こるすべてのことにまだ驚かれるでしょう。GPS現代のナビゲーションすべての基礎をなす全地球測位システムなら、それが可能です。
GPS信号を地表に送信する衛星群で構成されています。基本的なGPS受信機は、スマートフォンに搭載されているものと同様、4 つ以上の衛星からの信号の到着時間を測定することで、約 1 ～ 10 メートル以内の位置を特定します。より豪華な（そしてより高価な）GPS受信機、科学者はその位置をセンチメートル、さらにはミリメートルまで正確に特定することができます。そのきめの細かい情報と信号を分析する新しい方法を使用することで、研究者たちは、GPS が当初考えていたよりもはるかに多くの情報を地球について知ることができることを発見しつつあります。
過去 10 年間で、より速く、より正確にGPSデバイスこれにより、科学者たちは大地震の際に地面がどのように動くかを明らかにすることができました。GPS鉄砲水や火山噴火などの自然災害に対する警報システムの向上につながりました。そして研究者たちはマクガイバーさえもやっているGPS受信機雪センサー、潮汐計、その他地球を測定するための予期せぬツールとして機能します。
「私がこれらの応用について話し始めたとき、人々は私が頭がおかしいと思ったのです」とコロラド大学ボルダー校の地球物理学者、クリスティン・ラーソンは言う。彼は多くの発見を主導し、それらについて2019年の地球惑星科学年次レビューに書いている。 「まあ、結果的にはそれができるようになりました。」
科学者たちが最近になって、これでできることに気づいた驚くべきことをいくつか紹介します。GPS.
1. 地震を感じる
何世紀にもわたって、地球科学者は、地震の規模と深刻さを評価するために、地面の揺れの程度を測定する地震計に依存してきました。GPS受信機は別の目的を果たしました。それは、プレートテクトニクスとして知られるプロセスで、地球の大きな地殻プレートが互いにすり減る速度など、はるかに遅いスケールで起こる地質学的プロセスを追跡することでした。それでGPSサンアンドレアス断層の反対側が互いにすり抜けていく速度を科学者に伝えることができるかもしれないし、地震計はカリフォルニア断層が地震で破壊したときの地面の揺れを測定するかもしれない。
ほとんどの研究者はこう考えていましたGPS地震の評価に役立つほど正確かつ迅速に位置を測定することができませんでした。しかし、科学者たちは GPS 衛星が地球に送信する信号から余分な情報を絞り出すことができることが判明しました。
これらの信号は 2 つのコンポーネントで到着します。 1 つはコードとして知られる固有の 1 と 0 の連続で、それぞれがGPS衛星が送信します。 2 つ目は、衛星からコードを送信するより短い波長の「キャリア」信号です。搬送波信号の波長はわずか 20 センチメートルと、コードの長い波長（数十、数百メートルに及ぶこともあります）に比べて短いため、搬送波信号は地表上の地点を正確に特定する高解像度の方法を提供します。科学者、測量士、軍隊などが非常に正確な GPS 位置情報を必要とすることがよくありますが、必要なのはより複雑な GPS 受信機だけです。
エンジニアはまた、GPS受信機は自分の位置を更新します。これは、1 秒間に 20 回以上も自分自身を更新できることを意味します。研究者たちは、非常に迅速に正確な測定ができることに気づくと、GPS を使用して、地震中に地面がどのように動くかを調査し始めました。
2003 年、この種の最初の研究の 1 つで、ラーソン氏と同僚は、米国西部に点在する GPS 受信機を使用して、アラスカで発生したマグニチュード 7.9 の地震による地震波のさざ波に応じて地面がどのように変化したかを研究しました。 2011年までに、研究者らは日本を壊滅させたマグニチュード9.1の地震に関するGPSデータを取得し、地震中に海底が60メートルという驚異的な変動を示したことを示すことができた。
今日、科学者たちは、どのようにしてGPSデータ地震を迅速に評価するのに役立ちます。オレゴン大学ユージーン校のディエゴ・メルガー氏と、コロラド州ゴールデンにある米国地質調査所のギャビン・ヘイズ氏は、12回の大地震を遡及的に研究し、地震が始まってから数秒以内に、その規模がどれほど大きくなるかを判断できるかどうかを調べた。地震の震源地近くの GPS ステーションからの情報を組み込むことで、科学者らは、その地震が被害をもたらすマグニチュード 7 か、完全に破壊的なマグニチュード 9 かを 10 秒以内に判断できました。
米国西海岸沿いの研究者たちは、GPSこのシステムは、地面の揺れを検出し、遠く離れた都市の人々に、すぐに揺れが起こる可能性があるかどうかを通知します。そしてチリはその体制を強化し続けているGPSより正確な情報をより迅速に得るためにネットワークを構築し、海岸近くの地震が津波を発生させる可能性があるかどうかを計算するのに役立ちます。
2. 火山を監視する
地震を超えて、GPS他の自然災害が発生した際に当局がより迅速に対応できるよう支援しています。
たとえば、多くの火山観測所では、GPSマグマが地下で移動し始めると、しばしば地表も同様に移動するため、山の周囲に受信機を配置して監視している。火山の周囲の GPS ステーションが時間の経過とともにどのように上昇または沈下するかを監視することで、研究者は、溶岩がどこに流れているかについてより適切な情報を得ることができます。
昨年のハワイのキラウエア火山の大噴火の前に、研究者たちはGPS火山のどの部分が最も急速に変化しているかを理解するためです。当局はその情報を利用して、住民をどの地域から避難させるかを決定した。
GPSデータ火山が噴火した後でも役立ちます。信号は衛星から地上に伝わるため、火山が空中に噴出するあらゆる物質を通過する必要があります。 2013 年に、いくつかの研究グループが研究しました。GPSデータ4年前のアラスカのリダウト火山の噴火によるもので、噴火が始まった直後に信号が歪んだことが判明した。
科学者たちは歪みを研究することで、どれだけの量の灰が噴き出し、どれくらいの速度で移動したかを推定することができた。その後の論文でラーソン氏は、これを「火山噴煙を検出する新しい方法」と呼んだ。
彼女と彼女の同僚は、さまざまなスマートフォンを使ってこれを実現する方法に取り組んできました。GPS受信機高価な科学受信機ではなく。これにより、火山学者は比較的安価な GPS ネットワークを構築し、噴煙の上昇を監視できるようになる可能性があります。噴煙は飛行機にとって大きな問題であり、飛行機は粒子がジェットエンジンを詰まらせるリスクを避けるために、火山灰の周囲を飛行しなければなりません。
3. 雪を探る
最も予期せぬ用途のいくつかGPS信号の最も厄介な部分、つまり地面から反射する部分から発生します。
典型的なGPS受信機、スマートフォンのものと同様に、主にから直接来る信号を拾います。GPS頭上の衛星。しかし、歩いている地面で反射してスマートフォンに反射した信号も拾います。
科学者たちは長年、これらの反射信号はノイズにすぎず、データを濁らせ、何が起こっているのかを理解するのを困難にする一種のエコーであると考えてきました。しかし、約 15 年前、ラーソンらは科学用 GPS 受信機のエコーを利用できないかと考え始めました。彼女は、地面から反射した信号の周波数と、それらの信号が受信機に直接到着した信号とどのように結合するかを調べ始めました。そこから、彼女はエコーが反射した表面の性質を推測することができました。 「私たちはそれらのエコーをリバースエンジニアリングしただけです」とラーソン氏は言います。
このアプローチにより、科学者は GPS 受信機の下の地面、たとえば土壌に含まれる水分の量や表面に積もった雪の量などについて知ることができます。 （地面に降る雪が多くなるほど、エコーと受信機の間の距離は短くなります。）GPS ステーションは、積雪が毎年主要な水源となる山岳地帯などで、積雪センサーとして機能して積雪の深さを測定できます。
この技術は、年間を通じて降雪量を監視する気象観測所がほとんどない北極や南極でも効果を発揮します。現在、ゴールデンにあるコロラド鉱山学校に通うマット・ジークフリード氏と彼の同僚は、2007 年から 2017 年にかけて西南極の 23 か所の GPS ステーションでの積雪を研究しました。彼らは、雪の変化を直接測定できることを発見しました。これは、毎年冬に南極の氷床にどれだけの雪が積もるか、そしてそれを毎年夏に溶ける雪とどのように比較するかを評価しようとしている研究者にとって重要な情報です。
4. 沈むのを感じる
GPS固い地面の位置を測定する方法として始まったかもしれませんが、水位の変化を監視するのにも役立つことが判明しました。
7月、コロラド州ボルダーにある地球物理研究機関UNAVCOのエンジニア、ジョン・ガレツカ氏は、バングラデシュのガンジス川とブラマプトラ川の合流点にGPS基地を設置していることに気づいた。目標は、川の堆積物が圧縮され、土地がゆっくりと沈下し、熱帯低気圧や海面上昇時の洪水に対してより脆弱になっているかどうかを測定することでした。 「GPS は、このような疑問やその他の疑問に答えるのに役立つ素晴らしいツールです」とガレツカ氏は言います。
マングローブ林の端にあるソナタラと呼ばれる農業コミュニティに、ガレツカと彼の同僚は、GPS小学校のコンクリート屋根の上にある駅。彼らは近くの田んぼに打ち込まれた棒の上に第2ステーションを設置した。地面が本当に沈下している場合、2 番目の GPS ステーションはゆっくりと地面から現れているように見えます。また、観測所の下で GPS エコーを測定することで、科学者たちは梅雨の間に水田にどれだけの水が溜まっているかなどの要因を測定することができます。
GPS受信機潮汐計として機能することで、海洋学者や船員を助けることもできます。ラーソン氏は、アラスカ州カチェマック湾の GPS データを使って作業しているときに、このことに遭遇しました。この観測所は地殻変動を研究するために設立されましたが、この湾には米国で最も大きな潮の干満差があるため、ラーソン氏は興味を持ちました。彼女は水面から反射して受信機に届く GPS 信号を観察し、近くの港にある本物の潮位計とほぼ同じくらい正確に潮汐の変化を追跡することができました。
これは、長期的な潮汐計が設置されていないが、たまたま設置されている世界の地域では役立つ可能性があります。近くのGPSステーション。
5. 雰囲気を分析する
ついに、GPSほんの数年前まで科学者たちが不可能だと考えていた方法で、頭上の空に関する情報を明らかにすることができます。水蒸気、帯電粒子、その他の要因により、大気中を伝わる GPS 信号が遅延する可能性があるため、研究者は新たな発見を行うことができます。
ある科学者グループは、GPS雨や雪として析出することができる大気中の水蒸気の量を研究します。研究者らはこれらの変化を利用して、どしゃ降りの際に空からどれだけの水が降る可能性があるかを計算し、予報官が南カリフォルニアなどでの鉄砲水の予測を微調整できるようにした。 2013 年 7 月の嵐の際、気象学者はGPSそこの海岸に移動するモンスーンの湿気を追跡するデータがあり、鉄砲水が発生する17分前に警報を発令するための重要な情報であることが判明した。
GPS信号電離層として知られる上層大気の帯電部分を通過するときにも影響を受けます。科学者が使用したのは、GPSデータ津波が下の海を駆け抜けるときの電離層の変化を追跡します。 （津波の力は、電離層に至るまで波紋が広がる大気の変化を引き起こします。）この技術は、いつか、海に点在するブイを使用して進行波の高さを測定する従来の津波警報方法を補完する可能性があります。 。
そして科学者たちは、皆既日食の影響を研究することさえできました。GPS。 2017 年 8 月に、彼らはGPSステーション月の影が大陸を横切って移動し、電子を生成する光が薄暗くなったときに、上層大気中の電子の数がどのように減少したかを測定するために、米国全土を調査しました。
それでGPS足元の地面の揺れから空から降る雪まで、あらゆることに役立ちます。街を横切る道を見つけるのに役立つはずだったものとしては悪くありません。
この記事は元々、Annual Reviews からの独立したジャーナリスト活動である Knowable Magazine に掲載されました。ニュースレターに登録します。
