GPS的作用超乎你的想象

  智能手机在身边时，你很有可能会觉得自身是一个城市交通导航方面的专家。你甚至有可能带着GPS设备远足以寻找走出偏僻地区的路。但你仍可能对GPS（作为现代导航基础的全球定位系统）所能做的全部事情感到惊讶。

  GPS由一组卫星组成，这些卫星将信号发送至地球表面。一个基本的GPS接收器，比如你手机中的那个，经过测量四个或更多卫星的信号到达时间来确定你的位置，其误差大约在1至10米以内。借助更先进（也更昂贵）的GPS接收机，科学家们可以精确定位到几厘米甚至几毫米的位置。利用这种细粒度的信息以及新的信号分析方法，研究人员发现：关于这一个星球，GPS能够告诉他们的，比他们想象中要多得多。

  在过去的十年里，更快、更准确的GPS设备使科学家能够阐明大地震期间地面的运动方式。GPS促使了更好的自然灾害（如洪水与火山爆发）预警系统的诞生。研究人员甚至将部分GPS接收器改造成雪冰传感器、验潮仪和其他用于地球测量的另类工具。

  “在我最开始谈及这些应用时，人们以为我是疯了，而事实上我们也可以做到。” 科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的地球物理学家Kristine Larson这样说。他主导了许多研究，其成果发表在2019年度的《地球与行星科学年评》（Annual Review of Earth and Planetary Sciences）上。

  几个世纪以来，地学家一直依靠地震仪，经过测量地面晃动的程度来评估地震的规模和严重程度。GPS接收器则实现了与之不同的目标：跟踪发生在慢得多的尺度上的地质过程，例如地球地壳在我们熟知的板块构造过程中相互碾磨的速率。因此，GPS可以让科学家知道，圣安德烈亚斯断层（San Andreas Fault）相对的两侧互相间的移动速度，而地震仪则能测量加利福尼亚断层在地震中破裂时的地面震动。

  大多数研究人员认为GPS根本没办法准确快速地测量位置以用于评估地震。但事实上，科学家可以从GPS卫星传输到地球的信号中榨取更多信息。

  这些信号分为两部分。一部分是每个GPS卫星发射的唯一的1-0序列，称为测距码。另一部分是较短波长，用于从卫星传输测距码的“载波”信号。由于同测距码（几十或几百米）相比，载波信号具有更短的波长（仅20厘米），因此载波信号提供了一种高精度的地表定位方法。科学家，测绘师，军队和其他人员常常要非常精确的GPS定位，而他们所需要的不过是一个更复杂的GPS接收器。

  工程师还提高了GPS接收器更新位置的速率，这在某种程度上预示着它们能每秒刷新20次或更多。自从研究者意识到他们能够如此迅速地进行精确测量，他们便开始使用GPS来检测地震时地面的运动方式。

  2003年，作为最先开展的此类研究之一，Larson和她的同事利用了遍布美国西部的GPS接收器，来研究在阿拉斯加7.9级地震地震波的传播过程中地面的移动方式。截至2011年，研究人员已经有能力将GPS数据应用于那场摧毁了日本的9.1级地震，多个方面数据显示，海底在地震发生时移动了惊人的60米。

  如今，科学家看待“GPS数据如何协助快速评估地震”这一问题的视角更广泛。俄勒冈大学（University of Oregon）的Diego Melgar和美国地质调查局（US Geological Survey，USGS）的Gavin Hayes重新研究了12次大型地震，看他们能否在地震开始后的几秒钟内分辨出地震将达到多大程度。结合地震震中附近GPS站点采集到的信息，科学家们可以在10秒内确定地震震级将会是破坏性7级还是毁灭性9级。

  美国西海岸的研究人员甚至已经将GPS整合到了他们最新的地震早期预警系统中，该系统能检测到地面震动，并通知远方城市的人们震感是否会很快抵达。智利已经建立了它的GPS网络，以便更迅速地获取更准确的信息：这有助于计算海岸附近地震引发海啸的可能性。

  除地震外，GPS的速度正帮助政府官员对其他自然灾害的发展做出更迅速的反应。

  例如，许多火山观测站将GPS接收器排列在他们所监测的山脉周围，因为岩浆在地下移动通常也会引起地表的移动。通过监测火山周围的GPS站随时间上升或下降的规律，研究人能更好地了解融岩流动的位置。

  在去年夏威夷的基拉韦厄火山大喷发之前，研究人员使用了GPS以了解火山的哪些部分移动最快。政府官员们利用这一信息来帮助决定需要疏散居民的地区。

  GPS数据在火山爆发后也很有用。由于信号从卫星传播到地面，它们必须穿过火山喷入空中的物质。2013年，几个研究组研究了四年前阿拉斯加的里道特火山（Redoubt volcano）喷发时（获得）的GPS数据，发现这些信号在喷发开始后不久就失真了。

  通过研究这种失真，科学家可以估算出火山灰的喷出量及其扩散速率。在随后的一篇论文中，Larson称之为“检测火山羽流（volcanic plumes）的新方法。”

  她和她的同事一直在研究利用手机的各种GPS接收器而非昂贵的专业接收机实现此目的的方法。这使得火山学家能够建立一个相对低廉的GPS网络，并在火山灰羽流上升时对其进行监测。对于飞机来说，火山羽流是一个大问题，（因此）飞机必须绕过灰烬飞行，而不是冒险让微粒堵塞喷气发动机。

  GPS最出乎意料的一些应用来自其信号中最混乱的部分——地面反射的部分。

  典型的GPS接收器（如手机中的接收器）通常会选择接收直接来自上方GPS卫星的信号。但它也同样会接收（部分）由你所行走的地面反射至手机的信号。

  多年以来，科学家一直认为这些反射信号不过是噪声——某种污染数据的回波，使人们很难弄清当前发生的事。但在大约15年前， Larson和其他人开始思考能否充分的利用这些专业GPS接收器中的回波。她开始研究地面反射信号的频率，以及这些信号与直接到达接收器的信号的结合方式。据此，她可以推断出回声反射表面的材料。“我们只是对这些回声进行了逆向工程处理，” Larson说。

  这种方法使科学家能了解GPS接收器下方地面的相关信息，例如土壤含水量或地表积雪量（地面积雪越多，回波和接收器间的距离越短）。GPS站可以用作积雪传感器来测量积雪深度，如在积雪是主要水源的山区。

  这项技术在基本上没有全年降雪监测气象站的北极和南极也很有效。现就职于科罗拉多矿业学院（Colorado School of Mines）的Matt Siegfried和他的同事研究了2007年至2017年间，南极洲西部23个GPS站的冰雪积累情况。他们发现（利用这一些数据）可以直接测得积雪变化。对于致力于评估南极冰盖冬季积雪量及其与夏季融雪量比较关系的研究者而言，这是至关重要的信息。

  GPS起初或许只是一种实地位置测量方法，但事实上，它在监测水位变化方面也很有用。

  7月，博尔德UNAVCO地球物理研究组织的工程师John Galetzka在孟加拉国恒河和雅鲁藏布江交界处安装了GPS站。此举的目的是测量河流沉积物是否因压迫致密化、地面是否正在缓慢下沉，从而使其在热带气旋和海平面上升中更容易遭受洪水侵袭。“GPS是一个出色的工具，” Galetzka这样说道。“并且它能帮助解决不止这一个问题。”

  在一个名为Sonatala的农业社区中，在红树林的边缘，Galetzka和他的同事们在一所小学的混凝土屋顶上放置了一个GPS测站。他们在附近稻田中一根土地的杆上设了第二个站。如果地面真的在下沉，那么第二个GPS站看起来就会像是从地面慢慢冒出来一样。并且经过测量站点下方的GPS回波，科学家们可以测量诸如雨季稻田积水量等一系列指标。

  GPS接收器还可以用作验潮仪来帮助海洋学家和水手。Larson在处理阿拉斯加卡彻马克湾（Kachemak Bay）的GPS数据时偶然发现了这一点。该站为研究构造变形而建立，但是拉尔森很好奇，因为这一海湾也存在美国最大的潮汐变化现象。她查看了由水面反射到达接收器的GPS信号，发现它们几乎能像附近海港真正的验潮仪一样准确地追踪潮汐变化。

  这对于世界上尚未设置长期验潮仪的地区可能会出现帮助，前提是附近必须恰好有GPS站。

  最后，GPS能以科学家认为不可能的方式（直到几年之前）筛选出有关天空的信息。水蒸气，带电粒子和其他因素会延迟GPS信号在大气中的传播，这使研究人员能够做出新发现。

  一组科学家使用GPS来研究大气中能以雨或雪的形式产生降水的水蒸气含量。研究人员利用这些变化来估算大雨时的降水量，从而使预报员能够对南加州等地的山洪预测结果进行更为精细的调整。在2013年7月的一场暴风雨中，气象学家使用GPS数据来跟踪湿润季风在岸上的移动，而这成为了山洪暴发前17分钟发布预警的关键信息。

  当GPS信号在我们熟知的电离层（即高层大气的带电部分）中传播时，也会受一定的影响。而海啸的力量能使大气产生一些变化，这种变化一直可以影响至电离层。科学家已开始利用GPS数据跟踪海啸在洋面以下运动时电离层的变化。这项技术或许在未来的某一天可以补充传统的海啸预警方法：即使用遍布海洋的浮标来测量行波的高度的方法。

  科学家甚至已经能利用GPS研究日全食的影响。2017年8月，科学家就利用美国各地的GPS测站测量了当月球阴影在大陆上空移动，使原本可以产生电子的光变暗时，高层大气中电子数量下降的过程。

  从脚下的地震到天上的降雪，GPS对一切事物都是有用的。对于一样原本只是用来帮你在城镇找路的东西来说，这还不赖。