Potresti pensare di essere un esperto nel destreggiarti nel traffico cittadino, con lo smartphone al tuo fianco. Potresti anche fare un'escursione con aDispositivo GPSper trovare la strada attraverso l'entroterra. Ma probabilmente rimarrai comunque sorpreso da tutte le cose cheGPS– il sistema di posizionamento globale che è alla base di tutta la navigazione moderna – può farlo.
GPSè costituito da una costellazione di satelliti che inviano segnali alla superficie terrestre. Una baseRicevitore GPS, come quello del tuo smartphone, determina dove ti trovi, con una precisione compresa tra 1 e 10 metri, misurando il tempo di arrivo dei segnali da quattro o più satelliti. Con più elaborati (e più costosi)Ricevitori GPS, gli scienziati possono individuarne la posizione con precisione di centimetri o addirittura di millimetri. Utilizzando queste informazioni dettagliate, insieme a nuovi modi per analizzare i segnali, i ricercatori stanno scoprendo che il GPS può dire loro molto di più sul pianeta di quanto pensassero inizialmente.
Negli ultimi dieci anni, più veloce e più precisoDispositivi GPShanno permesso agli scienziati di chiarire come si muove il terreno durante i grandi terremoti.GPSha portato a migliori sistemi di allarme per i disastri naturali come inondazioni improvvise ed eruzioni vulcaniche. E i ricercatori ne hanno addirittura fatto MacGyveredRicevitori GPSin fungere da sensori di neve, indicatori di marea e altri strumenti inaspettati per misurare la Terra.
"La gente pensava che fossi pazzo quando ho iniziato a parlare di queste applicazioni", afferma Kristine Larson, geofisica dell'Università del Colorado Boulder che ha guidato molte delle scoperte e ne ha scritto nell'Annual Review of Earth and Planetary Sciences del 2019. "Bene, si è scoperto che eravamo in grado di farlo."
Ecco alcune cose sorprendenti che solo di recente gli scienziati si sono resi conto di poter fareGPS.
1. SENTI UN TERREMOTO
Per secoli i geoscienziati si sono affidati ai sismometri, che misurano quanto trema il terreno, per valutare quanto sia grande e quanto sia grave un terremoto.GPSi ricevitori avevano uno scopo diverso: tracciare processi geologici che avvengono su scale molto più lente, come la velocità con cui le grandi placche crostali della Terra si sfregano l’una contro l’altra nel processo noto come tettonica a zolle. COSÌGPSpotrebbe dire agli scienziati la velocità con cui i lati opposti della faglia di Sant’Andrea si stanno avvicinando l’uno all’altro, mentre i sismometri misurano il terreno che trema quando la faglia della California si rompe in un terremoto.
La maggior parte dei ricercatori lo pensavaGPSsemplicemente non potevano misurare le posizioni con sufficiente precisione e rapidità da essere utili nella valutazione dei terremoti. Ma si scopre che gli scienziati possono estrarre ulteriori informazioni dai segnali che i satelliti GPS trasmettono alla Terra.
Questi segnali arrivano in due componenti. Uno è la serie unica di uno e zero, nota come codice, che ciascunoGPSil satellite trasmette. Il secondo è un segnale “portante” a lunghezza d’onda più corta che trasmette il codice dal satellite. Poiché il segnale portante ha una lunghezza d’onda più corta – appena 20 centimetri – rispetto alla lunghezza d’onda più lunga del codice, che può essere di decine o centinaia di metri, il segnale portante offre un modo ad alta risoluzione per individuare un punto sulla superficie terrestre. Scienziati, geometri, militari e altri hanno spesso bisogno di una posizione GPS molto precisa e tutto ciò che serve è un ricevitore GPS più complicato.
Gli ingegneri hanno anche migliorato la velocità con cuiGPSi ricevitori aggiornano la loro posizione, il che significa che possono aggiornarsi fino a 20 volte al secondo o più. Una volta che i ricercatori si sono resi conto che potevano effettuare misurazioni precise così rapidamente, hanno iniziato a utilizzare il GPS per esaminare come si muoveva il terreno durante un terremoto.
Nel 2003, in uno dei primi studi di questo tipo, Larson e i suoi colleghi hanno utilizzato ricevitori GPS dislocati negli Stati Uniti occidentali per studiare come il terreno si è spostato mentre le onde sismiche si increspavano a causa di un terremoto di magnitudo 7,9 in Alaska. Nel 2011, i ricercatori sono stati in grado di acquisire dati GPS sul terremoto di magnitudo 9.1 che ha devastato il Giappone e hanno dimostrato che il fondale marino si era spostato di ben 60 metri durante il terremoto.
Oggi gli scienziati stanno esaminando in modo più ampio comeDati GPSpuò aiutarli a valutare rapidamente i terremoti. Diego Melgar dell'Università dell'Oregon a Eugene e Gavin Hayes dell'US Geological Survey di Golden, in Colorado, hanno studiato retrospettivamente 12 grandi terremoti per vedere se potevano dire, entro pochi secondi dall'inizio del sisma, quanto sarebbe diventato grande. Includendo le informazioni provenienti dalle stazioni GPS vicine agli epicentri dei terremoti, gli scienziati hanno potuto determinare entro 10 secondi se il terremoto sarebbe di magnitudo 7 dannoso o di magnitudo 9 completamente distruttivo.
I ricercatori lungo la costa occidentale degli Stati Uniti si sono persino incorporatiGPSnel loro nascente sistema di allerta precoce sui terremoti, che rileva le scosse del terreno e avvisa le persone in città lontane se è probabile che le scosse li colpiscano presto. E il Cile sta sviluppando la suaGPSrete in modo da avere più rapidamente informazioni più precise, che possano aiutare a calcolare se un terremoto vicino alla costa possa generare o meno uno tsunami.
2. MONITORARE UN VULCANO
Al di là dei terremoti, la velocità delGPS is helping officials respond more quickly to other natural disasters as they unfold.
Molti osservatori vulcanici, ad esempio, lo hanno fattoGPSricevitori disposti intorno alle montagne che monitorano, perché quando il magma inizia a spostarsi nel sottosuolo, spesso ciò provoca lo spostamento anche della superficie. Monitorando il modo in cui le stazioni GPS attorno a un vulcano si alzano o affondano nel tempo, i ricercatori possono avere un'idea migliore di dove scorre la roccia fusa.
Prima della grande eruzione del vulcano Kilauea alle Hawaii, avvenuta lo scorso anno, i ricercatori hanno utilizzatoGPSper capire quali parti del vulcano si stavano spostando più rapidamente. I funzionari hanno utilizzato queste informazioni per decidere da quali aree evacuare i residenti.
Dati GPSpuò essere utile anche dopo l'eruzione del vulcano. Poiché i segnali viaggiano dai satelliti alla terra, devono passare attraverso qualunque materiale il vulcano stia espellendo nell’aria. Nel 2013, diversi gruppi di ricerca hanno studiatoDati GPSda un'eruzione del vulcano Redoubt in Alaska quattro anni prima e scoprì che i segnali diventavano distorti subito dopo l'inizio dell'eruzione.
Studiando le distorsioni, gli scienziati hanno potuto stimare la quantità di cenere emessa e la velocità con cui viaggiava. In un articolo successivo, Larson lo definì “un nuovo modo per rilevare i pennacchi vulcanici”.
Lei e i suoi colleghi hanno lavorato su come farlo con la varietà degli smartphoneRicevitori GPSpiuttosto che costosi ricevitori scientifici. Ciò potrebbe consentire ai vulcanologi di creare una rete GPS relativamente economica e monitorare i pennacchi di cenere mentre salgono. I pennacchi vulcanici sono un grosso problema per gli aeroplani, che devono volare attorno alla cenere piuttosto che rischiare che le particelle intasino i loro motori a reazione.
3. SONDA LA NEVE
Alcuni degli usi più inaspettati diGPSprovengono dalle parti più disordinate del suo segnale, le parti che rimbalzano da terra.
Un tipicoRicevitore GPS, come quello del tuo smartphone, capta principalmente segnali che provengono direttamente daGPSsatelliti in alto. Ma capta anche i segnali che rimbalzano sul terreno su cui cammini e si riflettono sul tuo smartphone.
Per molti anni gli scienziati avevano pensato che questi segnali riflessi non fossero altro che rumore, una sorta di eco che confondeva i dati e rendeva difficile capire cosa stesse succedendo. Ma circa 15 anni fa Larson e altri iniziarono a chiedersi se potevano sfruttare gli echi dei ricevitori GPS scientifici. Ha iniziato a osservare le frequenze dei segnali riflessi da terra e come queste si combinavano con i segnali che erano arrivati direttamente al ricevitore. Da ciò poteva dedurre le qualità della superficie su cui gli echi erano rimbalzati. "Abbiamo semplicemente decodificato quegli echi", afferma Larson.
Questo approccio consente agli scienziati di conoscere il terreno sotto il ricevitore GPS, ad esempio quanta umidità contiene il terreno o quanta neve si è accumulata sulla superficie. (Più neve cade sul terreno, minore è la distanza tra l'eco e il ricevitore.) Le stazioni GPS possono funzionare come sensori di neve per misurare la profondità della neve, come nelle aree montane dove il manto nevoso rappresenta ogni anno una delle principali risorse idriche.
La tecnica funziona bene anche nell’Artico e nell’Antartide, dove ci sono poche stazioni meteorologiche che monitorano le nevicate tutto l’anno. Matt Siegfried, ora alla Colorado School of Mines di Golden, e i suoi colleghi hanno studiato l’accumulo di neve in 23 stazioni GPS nell’Antartide occidentale dal 2007 al 2017. Hanno scoperto che potevano misurare direttamente il cambiamento della neve. Si tratta di informazioni cruciali per i ricercatori che cercano di valutare quanta neve si accumula ogni inverno sulla calotta glaciale antartica e come questa si confronta con quella che si scioglie ogni estate.
4. SENTI UN AFFONDAMENTO
GPSpotrebbe essere iniziato come un modo per misurare la posizione su un terreno solido, ma si è rivelato utile anche per monitorare i cambiamenti nei livelli dell'acqua.
A luglio, John Galetzka, un ingegnere dell’organizzazione di ricerca geofisica UNAVCO a Boulder, in Colorado, si è trovato a installare stazioni GPS in Bangladesh, alla confluenza dei fiumi Gange e Brahmaputra. L’obiettivo era misurare se i sedimenti del fiume si stanno compattando e se il terreno sta lentamente affondando, rendendolo più vulnerabile alle inondazioni durante i cicloni tropicali e l’innalzamento del livello del mare. "Il GPS è uno strumento straordinario per aiutare a rispondere a questa domanda e altro ancora", afferma Galetzka.
In una comunità agricola chiamata Sonatala, ai margini di una foresta di mangrovie, Galetzka e i suoi colleghi ne hanno collocato unoGPSstazione sul tetto di cemento di una scuola elementare. Hanno allestito una seconda stazione nelle vicinanze, in cima a un'asta conficcata in una risaia. Se il terreno sta davvero affondando, la seconda stazione GPS sembrerà emergere lentamente dal terreno. E misurando gli echi GPS sotto le stazioni, gli scienziati possono misurare fattori come la quantità di acqua presente nella risaia durante la stagione delle piogge.
Ricevitori GPSpossono anche aiutare gli oceanografi e i marinai, agendo come indicatori di marea. Larson si è imbattuto in questo mentre lavorava con i dati GPS di Kachemak Bay, Alaska. La stazione fu istituita per studiare la deformazione tettonica, ma Larson era curioso perché la baia presenta anche alcune delle più grandi variazioni di marea negli Stati Uniti. Ha osservato i segnali GPS che rimbalzavano sull'acqua e arrivavano al ricevitore ed è stata in grado di monitorare i cambiamenti delle maree con la stessa precisione di un vero mareografo in un porto vicino.
Ciò potrebbe essere utile in alcune parti del mondo in cui non sono installati indicatori di marea a lungo termine, ma che ne hanno unoStazione GPS nelle vicinanze.
5. ANALIZZA L'ATMOSFERA
Finalmente,GPSpuò ricavare informazioni sul cielo sopra di noi, in modi che gli scienziati non avevano ritenuto possibili fino a pochi anni fa. Vapore acqueo, particelle caricate elettricamente e altri fattori possono ritardare i segnali GPS che viaggiano attraverso l'atmosfera e ciò consente ai ricercatori di fare nuove scoperte.
Un gruppo di scienziati utilizzaGPSper studiare la quantità di vapore acqueo nell’atmosfera che può precipitare sotto forma di pioggia o neve. I ricercatori hanno utilizzato questi cambiamenti per calcolare quanta acqua è probabile che cada dal cielo in caso di acquazzoni violenti, consentendo ai meteorologi di mettere a punto le loro previsioni di inondazioni improvvise in luoghi come la California meridionale. Durante una tempesta del luglio 2013, i meteorologi hanno utilizzatoGPSdati per monitorare l’umidità monsonica che si sposta sulla costa, che si è rivelata un’informazione cruciale per emettere un avviso 17 minuti prima che si verificassero inondazioni improvvise.
Segnali GPSvengono influenzati anche quando viaggiano attraverso la parte elettricamente carica dell’alta atmosfera, conosciuta come ionosfera. Gli scienziati hanno usatoDati GPSper tenere traccia dei cambiamenti nella ionosfera mentre gli tsunami attraversano l’oceano sottostante. (La forza dello tsunami produce cambiamenti nell’atmosfera che si propagano fino alla ionosfera.) Questa tecnica potrebbe un giorno integrare il metodo tradizionale di allerta tsunami, che utilizza boe sparse sull’oceano per misurare l’altezza dell’onda viaggiante. .
E gli scienziati sono stati persino in grado di studiare gli effetti di un'eclissi solare totale utilizzandoGPS. Nell'agosto 2017 hanno utilizzatoStazioni GPSattraverso gli Stati Uniti per misurare come il numero di elettroni nell’alta atmosfera diminuisse mentre l’ombra della luna si spostava attraverso il continente, attenuando la luce che altrimenti avrebbe creato gli elettroni.
COSÌGPSè utile per qualsiasi cosa, dal terreno che trema sotto i piedi alla neve che cade dal cielo. Non male per qualcosa che avrebbe dovuto aiutarti a orientarti in città.
Questo articolo è apparso originariamente su Knowable Magazine, uno sforzo giornalistico indipendente da Annual Reviews. Iscriviti alla newsletter.
