你可能認為自己是城市交通導航專家，智慧手機不離手。你甚至可能帶著 GPS 裝置在偏遠地區徒步旅行。但你可能仍然會驚訝於 GPS——這個現代導航系統的基礎——所能做的所有事情。
GPS 由一組衛星組成，這些衛星向地球表面傳送訊號。一個基本的 GPS 接收器，例如你智慧手機中的那個，透過測量來自四顆或更多衛星的訊號到達時間來確定你的位置——精度在 1 到 10 米左右。使用更精密（也更昂貴）的 GPS 接收器，科學家可以將他們的位置精確定位到釐米甚至毫米級。研究人員利用這種精細的資訊，以及分析訊號的新方法，發現 GPS 可以告訴他們關於地球的更多資訊，這超出了他們最初的想象。
在過去的十年中，更快、更精確的 GPS 裝置使科學家能夠闡明大地震期間地面的移動方式。GPS 促成了更好的自然災害預警系統，例如山洪暴發和火山爆發。研究人員甚至將一些 GPS 接收器改裝成雪感測器、潮汐儀和其他用於測量地球的意想不到的工具。
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“當我開始談論這些應用時，人們認為我瘋了，”科羅拉多大學博爾德分校的地球物理學家克里斯汀·拉森說，他領導了許多發現，並在 2019 年的《地球和行星科學年度評論》中撰寫了關於這些發現的文章。“好吧，事實證明我們能夠做到。”
以下是科學家們最近才意識到他們可以用 GPS 做的一些令人驚訝的事情。
來源： Knowable Magazine；資料來源：UNAVCO
1. 感知地震
幾個世紀以來，地球科學家一直依靠地震儀來測量地面震動程度，以評估地震的大小和嚴重程度。GPS 接收器用於不同的目的——跟蹤發生在更慢尺度上的地質過程，例如地球巨大地殼板塊在被稱為板塊構造的過程中相互磨過的速度。因此，GPS 可以告訴科學家聖安地列斯斷層兩側相互蠕動的速度，而地震儀則測量加利福尼亞斷層在地震中破裂時地面的震動。
大多數研究人員認為，GPS 根本無法足夠精確和足夠快速地測量位置，以用於評估地震。但事實證明，科學家可以從 GPS 衛星傳輸到地球的訊號中擠出額外的資訊。
這些訊號以兩個組成部分到達。一個是獨特的 1 和 0 系列，稱為程式碼，每個 GPS 衛星都會傳輸該程式碼。第二個是波長較短的“載波”訊號，它從衛星傳輸程式碼。由於載波訊號的波長較短——僅為 20 釐米——相比之下，程式碼的波長更長，可能為數十或數百米，因此載波訊號提供了一種高解析度的方式來精確定位地球表面上的某個點。科學家、測量員、軍方和其他人通常需要非常精確的 GPS 位置，而所需的只是更復雜的 GPS 接收器。
工程師們還提高了 GPS 接收器更新其位置的速率，這意味著它們可以以每秒 20 次或更高的頻率重新整理自身。一旦研究人員意識到他們可以如此快速地進行精確測量，他們就開始使用 GPS 來檢查地震期間地面的移動方式。
2003 年，在最早的此類研究之一中，拉森和她的同事使用了遍佈美國西部的 GPS 接收器 研究了地面如何移動，因為地震波從阿拉斯加 7.9 級地震中擴散開來。到 2011 年，研究人員能夠獲取日本 9.1 級地震的 GPS 資料，並表明海床 在地震期間發生了驚人的 60 米位移。
今天，科學家們正在更廣泛地研究 GPS 資料如何幫助他們快速評估地震。俄勒岡大學尤金分校的迭戈·梅爾加爾和科羅拉多州戈爾登市美國地質調查局的加文·海耶斯回顧性地研究了 12 次大型地震，以檢視 他們是否可以在地震開始後幾秒鐘內判斷出 地震會有多大。透過包括來自震中附近 GPS 站的資訊，科學家們可以在 10 秒內確定地震是破壞性的 7 級地震還是完全毀滅性的 9 級地震。
美國西海岸的研究人員甚至已將 GPS 納入他們新興的地震早期預警系統，該系統檢測地面震動並通知遠處城市的人們是否有可能很快遭受震動。並且 智利一直在擴建其 GPS 網路，以便更快地獲得更準確的資訊，這可以幫助計算沿海附近的地震是否可能引發海嘯。
來源： Knowable Magazine；資料來源：UNAVCO 和 GPS 反射研究小組
2. 監測火山
除了地震之外，GPS 的速度還在幫助官員們更快地應對其他正在發生的自然災害。
例如，許多火山觀測站都在他們監測的山脈周圍佈置了 GPS 接收器，因為當岩漿開始在地下移動時，通常會導致地表也發生移動。透過監測火山周圍的 GPS 站隨時間推移的上升或下沉情況，研究人員可以更好地瞭解熔岩的流動位置。
在去年夏威夷基拉韋厄火山大爆發之前，研究人員使用 GPS 瞭解火山的哪些部分移動最快。官員們利用這些資訊來幫助決定從哪些區域疏散居民。
即使在火山爆發後，GPS 資料也可能很有用。由於訊號從衛星傳播到地面，它們必須穿過火山噴射到空中的任何物質。2013 年，幾個研究小組研究了四年前阿拉斯加雷道特火山爆發的 GPS 資料，發現訊號在爆發開始後不久就變得扭曲。
透過研究這些扭曲，科學家們可以估計噴出的火山灰量以及火山灰的傳播速度。在隨後的論文中，拉森稱之為“一種檢測火山羽流的新方法。”
她和她的同事一直在 研究使用 智慧手機級別的 GPS 接收器而不是昂貴的科學接收器來做到這一點的方法。這可以使火山學家建立一個相對便宜的 GPS 網路，並監測上升的火山灰羽流。火山羽流對飛機來說是一個大問題，飛機必須繞過火山灰，而不是冒險讓顆粒物堵塞噴氣發動機。
3. 探測積雪
GPS 最出乎意料的用途之一來自其訊號中最混亂的部分——那些從地面反彈的部分。
典型的 GPS 接收器，例如你智慧手機中的那個，主要接收來自頭頂 GPS 衛星的直接訊號。但它也會接收到從你行走的地面反彈並反射到你的智慧手機上的訊號。
多年來，科學家們一直認為這些反射訊號只是噪聲，一種混淆資料並使其難以弄清發生了什麼的回聲。但在大約 15 年前，拉森和其他人開始想知道他們是否可以利用科學 GPS 接收器中的回聲。她開始研究從地面反射的訊號頻率，以及這些頻率如何與直接到達接收器的訊號相結合。從中，她可以推斷出回聲反彈的表面質量。“我們只是對這些回聲進行了逆向工程，”拉森說。
這種方法使科學家能夠了解 GPS 接收器下方的地面——例如土壤中包含多少水分，或者表面積累了多少積雪。（地面上的積雪越多，回聲與接收器之間的距離就越短。）GPS 站可以用作雪感測器來測量積雪深度，例如在山區，積雪是每年的主要水資源。
該技術在北極和南極地區也很有效，這些地區很少有氣象站全年監測降雪。現在在科羅拉多州戈爾登市礦業學院的馬特·西格弗裡德和他的同事研究了 2007 年至 2017 年南極洲西部 23 個 GPS 站的積雪情況。他們發現他們可以直接測量變化的積雪。這對於希望評估南極冰蓋每年冬天積聚多少積雪以及這與每年夏天融化多少積雪進行比較的研究人員來說至關重要。
4. 感知下沉
GPS 最初可能是測量固體地面位置的一種方式，但事實證明它在監測水位變化方面也很有用。
7 月，科羅拉多州博爾德市 UNAVCO 地球物理研究組織的工程師約翰·加萊茨卡發現自己正在孟加拉國恆河和布拉馬普特拉河交匯處安裝 GPS 站。目的是測量河流沉積物是否正在壓實，以及陸地是否正在緩慢下沉——使其在熱帶氣旋和海平面上升期間更容易受到洪水侵襲。“GPS 是一個很棒的工具，可以幫助回答這個問題以及更多問題，”加萊茨卡說。
在一個名為索納塔拉的農業社群，位於紅樹林邊緣，加萊茨卡和他的同事將一個 GPS 站放置在一所小學的混凝土屋頂上。他們在附近設定了第二個站點，位於插入稻田的杆子上。如果地面真的在下沉，那麼第二個 GPS 站看起來就像是慢慢從地面升起。透過測量站點下方的 GPS 回波，科學家可以測量諸如雨季稻田中積水多少等因素。
GPS 接收器甚至可以透過充當潮汐儀來幫助海洋學家和海員。拉森在 使用來自阿拉斯加卡切馬克灣的 GPS 資料時偶然發現了這一點。該站的建立是為了研究構造變形，但拉森很好奇，因為海灣也擁有美國最大的潮汐變化。她查看了從水面反彈到接收器的 GPS 訊號，並且能夠像附近港口的真實潮汐儀一樣準確地跟蹤潮汐變化。
這可能對世界上沒有長期潮汐儀設定但恰好附近有 GPS 站點的地區很有幫助。
5. 分析大氣
最後，GPS 可以梳理出有關高空天空的資訊，這在幾年前科學家們還認為是不可能的。水蒸氣、帶電粒子和其他因素可能會延遲 GPS 訊號穿過大氣層，這使研究人員能夠做出新的發現。
一組科學家使用 GPS 研究大氣中可降水為雨或雪的水蒸氣量。研究人員已使用這些變化來計算在傾盆大雨中可能從天而降的水量，從而使預報員能夠 微調他們對山洪暴發的預測，例如在南加州。在 2013 年 7 月的一場風暴中，氣象學家使用 GPS 資料來跟蹤季風溼氣在那裡向陸地移動，事實證明，這是在山洪暴發前 17 分鐘發出警告的關鍵資訊。
當 GPS 訊號穿過上層大氣中帶電的部分（稱為電離層）時，也會受到影響。科學家們已使用 GPS 資料 跟蹤海嘯在下方海洋中奔湧時電離層的變化。（海嘯的力量會在大氣中產生變化，並一直傳播到電離層。）這項技術有一天可能會補充傳統的海嘯預警方法，該方法使用散佈在海洋中的浮標來測量行進波浪的高度。
科學家們甚至能夠使用 GPS 研究日全食的影響。在 2017 年 8 月，他們使用了遍佈美國的 GPS 站來測量 當月球陰影掠過大陸時，高層大氣中的電子數量是如何下降的，從而使原本產生電子的光線變暗。
因此，GPS 對於從你腳下的地面震動到從天而降的雪花，一切都很有用。對於原本只是為了幫助你在城市中找到方向的東西來說，這還不錯。
本文最初發表於 Knowable Magazine，這是 Annual Reviews 的一項獨立新聞事業。註冊 新聞通訊。