Lima kemungkinan sistem navigasi satelit yang tidak Anda sadari
Stasiun GPS presisi tinggi di puncak Ford di Mary Baird Land di Antartika. Ini adalah bagian dari jaringan pengamatan kutub Bumi (POLENET), yang mengumpulkan pengukuran yang terkait dengan GPS dan aktivitas seismik untuk lebih memahami perilaku lapisan es. Ini adalah salah satu contoh dari berbagai data yang diperoleh para ilmuwan dari alat GPS.Anda dapat menganggap diri Anda ahli dalam navigasi di wilayah perkotaan jika Anda memiliki ponsel cerdas. Anda bahkan dapat berjalan melintasi medan kasar dengan navigator GPS sehingga Anda tidak tersesat di hutan belantara. Tetapi Anda mungkin akan terkejut mengetahui apa yang mampu dilakukan GPS - sistem penentuan posisi global yang mendasari semua navigasi modern.
GPS terdiri dari konstelasi satelit yang mengirim sinyal ke permukaan bumi. Penerima GPS paling sederhana, seperti yang ada di smartphone Anda, menentukan lokasi Anda - dalam radius 1-10 meter - dengan mengukur waktu kedatangan sinyal dari empat satelit atau lebih. Dengan penerima GPS yang lebih modis (dan mahal), para ilmuwan dapat mengetahui lokasi mereka hingga sentimeter terdekat atau bahkan milimeter. Dengan menggunakan informasi yang diperbarui ini dan metode baru analisis sinyal, para peneliti menemukan bahwa GPS mampu memberi tahu mereka tentang planet ini
lebih dari yang diperkirakan sebelumnya.
Selama dekade terakhir, perangkat GPS yang semakin cepat dan akurat telah memungkinkan para ilmuwan mempelajari bagaimana bumi bergerak selama gempa bumi. GPS telah menghasilkan sistem peringatan yang lebih akurat untuk bencana alam seperti banjir dan letusan gunung berapi. Para peneliti bahkan telah memasang penerima GPS di atas lutut mereka yang bertindak sebagai sensor tingkat salju, meter pasang surut, dan instrumen tak terduga lainnya yang mengukur keadaan Bumi.
"Orang-orang mengira saya gila ketika saya mulai berbicara tentang kegunaan ini," kata Christine Larson, ahli geofisika di University of Colorado-Border, di bawah kepemimpinannya banyak penemuan dibuat, dijelaskan dalam laporan Bumi tahunan dan planetary 2019 Tahunan Ulasan Ilmu Bumi dan Planet. "Tapi ternyata kita bisa melakukan ini."
Berikut adalah beberapa hal tak terduga yang, seperti dugaan para ilmuwan baru-baru ini, dapat dilakukan menggunakan GPS.
1. Rasakan gempa bumi
Selama berabad-abad, para ahli geologi telah mengandalkan seismometer untuk mengukur gempa bumi untuk menilai kekuatan dan besarnya gempa bumi. Penerima GPS memiliki tujuan yang berbeda - mereka melacak proses geologis yang terjadi pada skala yang jauh lebih kecil, misalnya, kecepatan lempeng kerak bumi saling bergesekan selama
lempeng tektonik . Jadi GPS dapat memberi tahu para ilmuwan tentang kecepatan di mana sisi yang berlawanan dari
patahan San Andreas bergerak relatif satu sama lain, dan seismometer mengukur getaran bumi ketika patahan tersebut bertahan dari gempa bumi.
Sebagian besar peneliti sama sekali tidak tahu bahwa GPS dapat mengukur lokasi dengan akurasi dan kecepatan yang cukup untuk berguna dalam estimasi gempa. Tetapi ternyata para ilmuwan dapat memeras informasi tambahan dari sinyal yang ditransmisikan oleh satelit GPS ke Bumi.
Sinyal-sinyal ini datang dalam dua komponen. Salah satunya adalah urutan unik dari nol dan satu, atau kode yang dikirimkan oleh masing-masing satelit GPS. Yang kedua adalah sinyal frekuensi pembawa yang mentransmisikan kode dari satelit. Karena sinyal pembawa memiliki panjang gelombang yang lebih pendek - dan hanya 20 cm - dibandingkan dengan panjang gelombang yang lebih panjang yang mentransmisikan kode dan dapat mencapai puluhan atau ratusan meter, sinyal pembawa memungkinkan untuk menandai titik pada permukaan bumi dengan akurasi tinggi. Ilmuwan, pengamat, militer dan orang lain sering membutuhkan lokasi GPS yang sangat akurat, dan untuk ini mereka hanya membutuhkan penerima GPS yang lebih canggih.
Cara kerja GPS: Penerima GPS, seperti yang ada di ponsel cerdas Anda, menentukan lokasi Anda dengan mengukur jarak ke tiga satelit. Yang keempat menyinkronkan jam di penerima dan satelit.
Trilateration: mengetahui jarak X dari satelit 1, Anda tahu bahwa Anda berada di titik mana saja di lingkaran abu-abu (atau bola, dalam ruang tiga dimensi). Mengetahui jarak Y dari satelit 2, Anda memahami bahwa Anda dapat berada di salah satu dari dua titik persimpangan lingkaran. Mengetahui jarak Z dari satelit 3, Anda memahami yang mana dari dua titik Anda berada. Satelit keempat menyinkronkan jam di penerima dan satelit.Insinyur juga meningkatkan kecepatan memperbarui informasi lokasi di penerima GPS, sehingga mereka sudah tahu cara memperbaruinya 20 kali per detik, atau bahkan lebih sering. Segera setelah para peneliti menyadari bahwa mereka bisa mendapatkan hasil pengukuran begitu cepat, mereka mulai menggunakan GPS untuk mempelajari pergerakan bumi selama gempa bumi.
Pada tahun 2003, dalam salah satu studi pertama semacam ini, Larson dan rekannya menggunakan penerima GPS yang berlokasi di Amerika Serikat bagian barat untuk mempelajari
perubahan bumi selama gelombang seismik dari gempa bumi Alaska berkekuatan 7,9. Pada 2011, para peneliti dapat mengumpulkan data GPS untuk gempa berkekuatan 9,1, yang menghancurkan Jepang, dan melihat bahwa dasar laut bergerak
60 meter luar biasa selama gempa.
Saat ini, para ilmuwan lebih banyak mempelajari kemampuan GPS untuk penilaian gempa. Diego Melgar dari University of Oregon di Eugene dan Gavin Hayes dari US Geological Survey di Golden, Colorado, memeriksa 12 gempa besar yang pernah terjadi sebelumnya untuk melihat apakah itu dapat
diprediksi dari detik-detik pertama gempa. Mengingat informasi yang diperoleh dari stasiun GPS yang terletak di dekat episentrum gempa bumi, para ilmuwan dapat menentukan dalam 10 detik apakah besarnya gempa akan merusak 7 poin atau benar-benar merusak 9.
Para peneliti dari pantai barat Amerika Serikat bahkan memasukkan GPS dalam sistem peringatan dini gempa yang baru muncul, yang mendeteksi getaran tanah dan memberi tahu orang-orang di kota-kota terpencil jika getaran itu sampai di sana. Chile sedang
membangun jaringan GPS sendiri untuk mendapatkan informasi yang lebih akurat lebih cepat, yang dapat membantu menghitung kemungkinan tsunami yang terjadi setelah gempa bumi di dekat pantai.
2. Lacak status gunung berapi
Selain gempa bumi, GPS membantu pihak berwenang lebih cepat merespons bencana alam lainnya.
Sebagai contoh, banyak stasiun pengamatan gunung berapi memiliki penerima GPS yang terletak di pegunungan yang mereka ikuti, karena ketika magma mulai bergerak di bawah tanah, sering menyebabkan permukaan bergerak. Dengan mengamati bagaimana stasiun GPS di sekitar gunung berapi naik atau turun, para peneliti dapat membayangkan dengan lebih baik di mana batu cair mengalir.
Sebelum letusan gunung berapi
Kilauea utama di Hawaii pada tahun 2018, para peneliti menggunakan GPS untuk mengetahui bagian mana dari gunung berapi yang
bergerak paling cepat . Pihak berwenang menggunakan ini untuk memutuskan bagian pulau mana yang harus dievakuasi.
Foto menunjukkan antena GPS yang bertengger di atas batu di pantai Teluk Kachemak, Alaska. Di bawahnya, sebuah grafik menunjukkan variasi ketinggian pasang selama periode dua minggu.
Pengukuran level air menggunakan GPS. Dalam foto tersebut, stasiun GPS terletak di pantai Teluk Kachemak di Alaska. Data dari penerima ini dikombinasikan dengan baik dengan data pengukuran pasang surut yang dilakukan di dekatnya untuk pengelolaan nasional lautan dan atmosfer (grafik di bawah). Ini menunjukkan bagaimana sinyal GPS dapat digunakan untuk melacak perubahan ketinggian air.Data GPS dapat bermanfaat bahkan setelah letusan. Karena sinyal bergerak dari satelit ke bumi, mereka harus melalui bahan yang meletus dari gunung berapi ke udara. Pada 2013, para peneliti mempelajari data GPS dari letusan gunung berapi
Redout di Alaska, yang terjadi empat tahun sebelumnya, dan menemukan distorsi sinyal yang dimulai tak lama setelah erupsi dimulai.
Dengan mempelajari distorsi, para ilmuwan dapat memperkirakan jumlah abu yang dibuang dan kecepatannya. Dalam pekerjaan berikutnya, Larson menyebut ini "
cara baru untuk mendeteksi emisi vulkanik ."
Dia dan rekan-rekannya
bekerja pada cara untuk melakukan pengukuran seperti itu menggunakan penerima GPS yang mirip dengan yang dipasang di smartphone, bukan peralatan mahal. Ini dapat memungkinkan ahli vulkanologi untuk menyebarkan jaringan penerima yang relatif murah dan melacak emisi vulkanik saat mereka naik. Emisi vulkanik adalah masalah serius bagi pesawat terbang yang harus terbang di sekitar kolom abu, khawatir partikel akan menyumbat mesin jet mereka.
3. Mempelajari penutup salju
Beberapa contoh yang paling tidak terduga dari penggunaan GPS berasal dari kelemahan sebagian mencerminkan sinyal dari tanah.
Penerima GPS biasa, seperti pada ponsel cerdas Anda, pada dasarnya mengambil sinyal yang datang langsung dari satelit GPS di atas kepala Anda. Tapi dia juga menerima sinyal yang dipantulkan dari tanah tempat Anda berjalan, dan kemudian masuk ke smartphone.
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan menganggap sinyal yang dipantulkan ini sebagai noise sederhana, sesuatu seperti gema yang mencemari data dan mempersulit analisis sinyal. Tetapi sekitar 15 tahun yang lalu, Larson dan yang lainnya mulai berpikir tentang apakah mungkin untuk menggunakan properti gema dalam penerima GPS ilmiah. Mereka mulai mempelajari frekuensi sinyal yang dipantulkan dari bumi, dan bagaimana mereka bergabung dengan sinyal yang datang langsung dari satelit. Dan dari mereka dimungkinkan untuk menyimpulkan sifat-sifat permukaan yang mencerminkan gema ini. "Kami merekayasa gema ini secara terbalik," kata Larson.
Semakin banyak peneliti menggunakan sinyal GPS yang dipantulkan sebagai sensor untuk mempelajari, misalnya, siklus air. Ada perbedaan antara sinyal yang dipantulkan dari tanah kosong, dari lapisan salju, dari rumput atau tanah basah.Pendekatan ini memungkinkan para ilmuwan untuk mengenali sifat-sifat bumi di bawah penerima GPS - misalnya, kadar air atau jumlah salju yang terkumpul di dalamnya (semakin banyak salju turun, semakin sedikit jarak dari gema ke pemancar). Stasiun GPS dapat bekerja dengan sensor salju, mengukur kedalamannya, misalnya, di daerah pegunungan, tempat sumber air utama.
Teknik ini juga bekerja dengan baik di Kutub Utara dan Antartika, di mana sejumlah kecil stasiun cuaca melacak hujan salju sepanjang tahun. Matt Siegfried, yang sekarang bekerja di Sekolah Pertambangan Colorado di Golden, dan rekan-rekannya
mempelajari akumulasi salju di dekat 23 stasiun GPS di Antartika barat dari 2007 hingga 2017. Mereka mendapati bahwa mereka dapat langsung mengukur perubahan salju. Ini adalah informasi yang sangat berharga bagi para peneliti yang mencoba memperkirakan berapa banyak salju yang menumpuk di lapisan es Antartika setiap tahun - dan membandingkannya dengan jumlah salju yang mencair setiap musim panas.
4. Merasa terbenam dalam air.
GPS dimulai sebagai cara untuk mengukur posisinya di bumi, tetapi juga berguna untuk melacak perubahan ketinggian air.
Pada bulan Juli, John Galecka, seorang insinyur di organisasi penelitian geofisika UNAVCO di Boulder, Colorado, memasang stasiun GPS di Bangladesh, di pertemuan sungai Gangga dan sungai Brahmaputra. Ini diperlukan untuk mengkonfirmasi hipotesis bahwa sedimen di sungai sedang dikompresi dan tanah secara bertahap tenggelam, yang dapat meningkatkan kerentanan daerah sekitarnya selama banjir selama siklon tropis dan karena kenaikan permukaan laut. "GPS adalah alat luar biasa yang dapat membantu Anda menemukan jawaban untuk pertanyaan ini, dan banyak lagi," kata Galecka.
Di komunitas pertanian Sonatala, di tepi hutan bakau, Galecka dan rekannya menemukan stasiun GPS di atap beton sekolah setempat. Mereka menemukan stasiun kedua di dekat situ, di atas batang baja yang didorong ke medan banjir. Jika bumi benar-benar tenggelam dalam air, maka data dari stasiun GPS kedua akan terlihat seperti perlahan merangkak keluar dari bumi. Dengan mengukur gema dari GPS di bawah stasiun, para ilmuwan dapat memperoleh data seperti jumlah air yang membanjiri sawah selama musim hujan.
Penerima GPS bahkan dapat membantu ahli kelautan dan pelaut dengan memainkan peran meter pasang surut. Larson menemukan opsi ini saat bekerja dengan
data GPS dari Kachemak Bay di Alaska. Sebuah stasiun didirikan di sana untuk mempelajari deformasi tektonik, tetapi Larson menjadi tertarik padanya karena perbedaan terkuat antara pasang surut di AS diamati di tempat ini. Dia mempelajari sinyal GPS yang dipantulkan dari air dan mencapai penerima, dan mampu melacak perubahan ketinggian air hampir seakurat meteran tingkat nyata yang terletak di pelabuhan terdekat.
Ini dapat membantu para ilmuwan di tempat-tempat di mana sensor pasang-surut jangka panjang tidak dipasang, tetapi ada stasiun GPS.
Warga Sonatala sedang menggali parit untuk kabel antena GPS.5. Menganalisis atmosfer
Akhirnya, GPS juga dapat memberikan informasi tentang langit, dengan cara yang tidak terjadi pada para ilmuwan beberapa tahun yang lalu. Uap air, partikel bermuatan listrik, dan faktor lainnya dapat menunda sinyal GPS yang melewati atmosfer, dan ini akan memungkinkan para peneliti untuk membuat penemuan baru.
Satu kelompok ilmuwan menggunakan GPS untuk mempelajari jumlah uap air di atmosfer yang dapat jatuh dalam bentuk salju atau hujan. Para peneliti menggunakan perubahan ini untuk menghitung kemungkinan jumlah curah hujan dalam bentuk hujan, yang memungkinkan ahli meteorologi untuk
memperbaiki perkiraan banjir
mereka di tempat-tempat seperti California Selatan. Saat badai pada Juli 2013, ahli meteorologi menggunakan data GPS untuk melacak kelembaban monsun yang mendekati pantai, dan informasi ini menjadi kunci untuk menyiapkan peringatan yang dikirim 17 menit sebelum timbulnya air.
Sinyal GPS juga terdistorsi, melewati bagian bermuatan listrik dari atmosfer atas, ionosfer. Para ilmuwan telah menggunakan data GPS untuk
melacak perubahan di ionosfer karena tsunami bergulir di lautan. Gelombang kuat ini mencampurkan atmosfer dengan sangat aktif sehingga getaran ini ditransmisikan ke ionosfer. Suatu hari teknik ini dapat melengkapi sistem prediksi tsunami tradisional, menggunakan pelampung yang tersebar di samudera dan mengukur ketinggian gelombang perjalanan.
Para ilmuwan juga dapat mempelajari efek gerhana matahari total menggunakan GPS. Pada bulan Agustus 2017, mereka menggunakan stasiun GPS di seluruh Amerika Serikat untuk mengukur
penurunan jumlah elektron di atmosfer bagian atas ketika bayangan bulan bergerak melintasi benua - bayangan ini mengaburkan cahaya yang menghasilkan elektron.
Ternyata GPS bisa berguna di mana-mana, dari mengukur getaran bumi di bawah kaki Anda, hingga mengukur jumlah salju yang jatuh dari langit. Tidak buruk untuk alat yang disusun hanya untuk memfasilitasi orientasi Anda di kota [
pada kenyataannya, sistem ini awalnya dibangun untuk keperluan militer, dan hanya pada saat itu diizinkan untuk menggunakan warga sipil / sekitar. perev. ]