Onde o GPS fica

Cinco possibilidades de um sistema de navegação por satélite que você não conhecia

Estação GPS de alta precisão na crista da Ford em Mary Baird Land, na Antártica. Faz parte da rede de observação polar da Terra (POLENET), que coleta medidas relacionadas ao GPS e à atividade sísmica para entender melhor o comportamento da camada de gelo. Este é um exemplo dos vários dados obtidos pelos cientistas das ferramentas de GPS.

Você pode se considerar um especialista em navegação em áreas urbanas se tiver um smartphone. Você pode até atravessar terrenos acidentados com um navegador GPS, para não se perder no deserto. Mas você provavelmente ficará surpreso ao saber do que o GPS é capaz - o sistema de posicionamento global subjacente a toda navegação moderna.

O GPS consiste em uma constelação de satélites enviando sinais para a superfície da Terra. O receptor GPS mais simples, como o do seu smartphone, determina sua localização - dentro de um raio de 1 a 10 metros - medindo o tempo de chegada dos sinais de quatro ou mais satélites. Com os receptores GPS mais modernos (e caros), os cientistas podem descobrir sua localização no centímetro ou milímetro mais próximo. Usando essas informações atualizadas e novos métodos de análise de sinais, os pesquisadores descobrem que o GPS é capaz de falar sobre o planeta muito mais do que se pensava anteriormente.

Na última década, dispositivos GPS cada vez mais rápidos e precisos permitiram aos cientistas aprender como a Terra se move durante os terremotos. O GPS levou a sistemas de alerta mais precisos para desastres naturais, como inundações e erupções vulcânicas. Os pesquisadores até montaram receptores de GPS de joelhos que atuam como sensores de nível de neve, medidores de maré e outros instrumentos inesperados que medem o estado da Terra.

"As pessoas pensaram que eu era louco quando comecei a falar sobre esses usos", diz Christine Larson, geofísica da Universidade da fronteira do Colorado, sob cuja liderança muitas descobertas foram feitas, descritas no relatório anual da Terra e no Relatório Anual 2019 planetário. Revisão das Ciências da Terra e do Planeta. "Mas aconteceu que fomos capazes de fazer isso."

Aqui estão algumas coisas inesperadas que, como os cientistas descobriram recentemente, podem ser feitas usando GPS.

1. Sinta o terremoto

Durante séculos, os geólogos contam com sismômetros para medir terremotos e avaliar a força e magnitude de um terremoto. Os receptores GPS serviam a um propósito diferente - eles rastreavam processos geológicos ocorrendo em uma escala muito menor, por exemplo, a velocidade com que as placas da crosta terrestre se esfregam durante a tectônica de placas . Assim, o GPS pode informar aos cientistas sobre a velocidade com que os lados opostos da falha de San Andreas se movem em relação uma à outra, e os sismômetros medem as vibrações da terra quando a falha sobrevive a um terremoto.

A maioria dos pesquisadores simplesmente não sabia que o GPS poderia medir a localização com precisão e velocidade suficientes para ser útil na estimativa de terremotos. Mas acontece que os cientistas podem extrair informações adicionais dos sinais transmitidos pelos satélites de GPS para a Terra.

Esses sinais vêm em dois componentes. Um deles é uma sequência única de zeros e uns, ou um código transmitido por cada um dos satélites GPS. O segundo é o sinal de frequência portadora que transmite o código do satélite. Como o sinal da portadora tem um comprimento de onda menor - e é de apenas 20 cm - em comparação com o comprimento de onda mais longo que transmite o código e pode atingir dezenas ou centenas de metros, o sinal da portadora possibilita marcar um ponto na superfície da Terra com grande precisão. Cientistas, observadores, militares e outras pessoas geralmente precisam de uma localização GPS muito precisa e, para isso, precisam apenas de um receptor GPS mais sofisticado.


Como o GPS funciona: um receptor GPS, como o do seu smartphone, determina sua localização medindo a distância de três satélites. O quarto sincroniza o relógio no receptor e nos satélites.
Trilateração: conhecendo a distância X do satélite 1, você sabe que está em qualquer ponto do círculo cinza (ou esfera, no espaço tridimensional). Conhecendo a distância Y do satélite 2, você entende que pode estar em um dos dois pontos de interseção dos círculos. Conhecendo a distância Z do satélite 3, você entende em qual dos dois pontos você está. O quarto satélite sincroniza o relógio no receptor e nos satélites.

Os engenheiros também aprimoraram a velocidade de atualização das informações de localização nos receptores de GPS, para que eles já soubessem atualizá-las 20 vezes por segundo ou mais frequentemente. Assim que os pesquisadores perceberam que poderiam obter os resultados da medição tão rapidamente, começaram a usar o GPS para estudar o movimento da Terra durante os terremotos.

Em 2003, em um dos primeiros estudos desse tipo, Larson e colegas usaram receptores de GPS localizados no oeste dos Estados Unidos para estudar mudanças na Terra durante ondas sísmicas de um terremoto de magnitude 7,9 no Alasca. Em 2011, os pesquisadores conseguiram coletar dados de GPS para um terremoto de magnitude 9.1, que destruiu o Japão, e viram que o fundo do mar se movia incríveis 60 metros durante o terremoto.

Hoje, os cientistas estão estudando mais amplamente as capacidades do GPS para avaliação de terremotos. Diego Melgar, da Universidade de Oregon, em Eugene, e Gavin Hayes, do US Geological Survey, em Golden, Colorado, examinaram 12 grandes terremotos que ocorreram antes para ver se era possível prever desde os primeiros segundos do terremoto. Dadas as informações obtidas em estações GPS localizadas perto do epicentro do terremoto, os cientistas foram capazes de determinar em 10 segundos se a magnitude do terremoto seria prejudicial em 7 pontos ou completamente destrutiva 9.

Pesquisadores da costa oeste dos Estados Unidos incluem até GPS no sistema de alerta precoce de terremotos, que reconhece as vibrações da terra e notifica as pessoas em cidades remotas se essas vibrações chegarem a elas. O Chile está construindo sua própria rede GPS para obter informações mais precisas mais rapidamente, o que pode ajudar a calcular a probabilidade de um tsunami após um terremoto próximo à costa.

2. Acompanhe o status do vulcão

Além dos terremotos, o GPS ajuda as autoridades a responder mais rapidamente a outros desastres naturais.

Por exemplo, muitas estações de observação de vulcões possuem receptores GPS localizados nas montanhas que monitoram, porque quando o magma começa a se mover no subsolo, geralmente faz com que a superfície se mova. Observando como as estações de GPS ao redor do vulcão sobem ou descem, os pesquisadores podem imaginar melhor para onde a pedra derretida flui.

Antes da grande erupção vulcânica de Kilauea , no Havaí, em 2018, os pesquisadores usaram o GPS para descobrir quais partes do vulcão estão se movendo mais rapidamente . As autoridades usaram isso para decidir quais partes da ilha devem ser evacuadas.

A foto mostra uma antena GPS empoleirada na rocha na costa da Baía de Kachemak, no Alasca. Abaixo, um gráfico mostra a variação da altura da maré durante um período de duas semanas.


Medição do nível da água usando GPS. Na foto, a estação GPS está localizada na costa da Baía de Kachemak, no Alasca. Os dados deste receptor são bem combinados com os dados das medições de marés realizadas nas proximidades para o gerenciamento nacional dos oceanos e da atmosfera (gráfico abaixo). Isso demonstra como os sinais de GPS podem ser usados ​​para rastrear a alteração dos níveis de água.

Os dados do GPS podem ser úteis mesmo após a erupção. Como os sinais viajam dos satélites para a Terra, eles precisam passar pelo material que irrompe do vulcão no ar. Em 2013, os pesquisadores estudaram dados de GPS da erupção do vulcão Redout no Alasca, que ocorreu quatro anos antes, e descobriram distorção do sinal que começou logo após o início da erupção.

Ao estudar a distorção, os cientistas poderiam estimar a quantidade de cinzas jogadas fora e sua velocidade. Em trabalhos subseqüentes, Larson chamou isso de "uma nova maneira de detectar emissões vulcânicas ".

Ele e seus colegas trabalharam em maneiras de fazer essas medições usando receptores de GPS semelhantes aos instalados em smartphones, em vez de equipamentos caros. Isso poderia permitir aos vulcanologistas implantar uma rede de receptores relativamente baratos e rastrear as emissões vulcânicas à medida que elas aumentam. As emissões vulcânicas são um problema sério para os aviões que precisam voar em torno de colunas de cinzas, temendo que as partículas entupam seus motores a jato.

3. Estudar a cobertura de neve

Alguns dos exemplos mais inesperados de uso do GPS decorrem das desvantagens de refletir parcialmente o sinal do solo.

Um receptor GPS típico, como no seu smartphone, capta basicamente sinais vindos diretamente dos satélites GPS acima de sua cabeça. Mas ele também recebe sinais refletidos do chão em que você caminha e entra no smartphone.

Durante anos, os cientistas consideraram esses sinais refletidos um ruído simples, algo como um eco que polui os dados e complica a análise dos sinais. Mas cerca de 15 anos atrás, Larson e outros começaram a pensar se é possível usar as propriedades de eco em receptores científicos de GPS. Eles começaram a estudar as frequências dos sinais refletidos na Terra e como eles se combinavam com os sinais vindos diretamente do satélite. E a partir deles é possível deduzir as propriedades da superfície que refletem esse eco. "Nós fizemos engenharia reversa desse eco", diz Larson.


Mais e mais pesquisadores estão usando sinais GPS refletidos como sensores para estudar, por exemplo, o ciclo da água. Existem diferenças entre os sinais refletidos no solo descoberto, na cobertura de neve, na grama ou no solo úmido.

Essa abordagem permite que os cientistas reconheçam as propriedades da terra sob um receptor GPS - por exemplo, o conteúdo de umidade ou a quantidade de neve acumulada nele (quanto mais neve cai, menor é a distância do eco ao transmissor). As estações de GPS podem trabalhar com sensores de neve, medindo sua profundidade, por exemplo, em áreas montanhosas, onde é a principal fonte de água.

Essa técnica também funciona bem no Ártico e na Antártica, onde um pequeno número de estações meteorológicas rastreia nevascas o ano todo. Matt Siegfried, agora trabalhando na Escola de Minas do Colorado em Golden, e seus colegas estudaram o acúmulo de neve perto de 23 estações de GPS no oeste da Antártida entre 2007 e 2017. Eles descobriram que podiam medir diretamente a mudança de neve. Essa é uma informação muito valiosa para os pesquisadores que tentam estimar a quantidade de neve acumulada na calota de gelo da Antártica a cada ano - e compará-la com a quantidade de neve derretida a cada verão.

4. Sinta-se imerso na água.

O GPS começou como uma maneira de medir sua posição na Terra, mas também é útil para rastrear alterações nos níveis de água.

Em julho, John Galecka, engenheiro da organização de pesquisa geofísica da UNAVCO em Boulder, Colorado, instalou estações de GPS em Bangladesh, na confluência dos rios Ganges e Brahmaputra. Isso foi necessário para confirmar a hipótese de que os sedimentos do rio estão sendo comprimidos e a terra está afundando gradualmente, o que pode aumentar a vulnerabilidade das áreas circundantes durante as inundações durante ciclones tropicais e devido ao aumento do nível do mar. "O GPS é uma ferramenta incrível que pode ajudá-lo a encontrar a resposta para essa pergunta e muito mais", diz Galecka.

Na comunidade agrícola de Sonatala, na margem do manguezal, Galecka e colegas localizaram uma estação GPS no telhado de concreto de uma escola local. Eles localizaram a segunda estação próxima, em uma barra de aço conduzida a um campo de inundação. Se a terra estiver realmente imersa em água lentamente, os dados da segunda estação GPS parecerão estar lentamente se arrastando para fora da terra. Medindo o eco do GPS sob a estação, os cientistas podem obter dados como a quantidade de água que inunda o campo de arroz durante a estação chuvosa.

Os receptores de GPS podem até ajudar oceanógrafos e marinheiros, desempenhando o papel de medidores de maré. Larson encontrou essa opção enquanto trabalhava com dados de GPS da baía de Kachemak, no Alasca. Uma estação foi estabelecida lá para estudar a deformação tectônica, mas Larson ficou interessado nela, porque as maiores diferenças entre o fluxo e refluxo nos EUA são observadas neste local. Ela estudou os sinais de GPS refletidos na água e alcançou o receptor e foi capaz de rastrear as mudanças no nível da água quase com a mesma precisão que um medidor de nível real localizado no porto próximo.

Isso pode ajudar os cientistas em locais onde os sensores de maré a longo prazo não estão instalados, mas existem estações de GPS.


Os moradores de Sonatala estão cavando uma vala para o cabo da antena GPS.

5. Analise a atmosfera

Finalmente, o GPS também pode fornecer informações sobre o céu, de uma maneira que não ocorreu aos cientistas há alguns anos atrás. Vapor de água, partículas eletricamente carregadas e outros fatores podem atrasar os sinais de GPS que passam pela atmosfera, e isso permitirá que os pesquisadores façam novas descobertas.

Um grupo de cientistas usa o GPS para estudar a quantidade de vapor de água na atmosfera que pode cair na forma de neve ou chuva. Os pesquisadores usaram essas mudanças para calcular a quantidade provável de chuva na forma de chuveiros, o que permitiu aos meteorologistas refinar suas previsões de inundações em locais como o sul da Califórnia. Durante uma tempestade em julho de 2013, os meteorologistas usaram dados de GPS para rastrear a umidade das monções que se aproximava da costa, e essas informações se tornaram essenciais para preparar um aviso enviado 17 minutos antes do início da água.

Os sinais de GPS também são distorcidos, passando por uma parte eletricamente carregada da atmosfera superior, a ionosfera. Os cientistas usaram dados de GPS para rastrear mudanças na ionosfera devido aos tsunamis que rolam pelo oceano. Essas ondas fortes misturam a atmosfera tão ativamente que essas vibrações são transmitidas até a ionosfera. Um dia, essa técnica pode complementar o sistema tradicional de previsão de tsunamis, usando bóias espalhadas pelo oceano e medindo a altura das ondas que viajam.

Os cientistas também foram capazes de estudar os efeitos de um eclipse solar total usando GPS. Em agosto de 2017, eles usaram estações de GPS nos Estados Unidos para medir a queda no número de elétrons na atmosfera superior quando a sombra da lua se move pelo continente - essa sombra obscurece a luz que gera os elétrons.

Acontece que o GPS pode ser útil em qualquer lugar, desde medir as vibrações da terra sob seus pés até medir a quantidade de neve caindo do céu. Nada mal para uma ferramenta que foi concebida simplesmente para facilitar sua orientação na cidade [ na verdade, o sistema foi originalmente construído para fins militares, e só então foi permitido o uso por civis / aprox. perev. ]