당신은 스마트폰을 옆에 두고 도시 교통을 탐색하는 전문가라고 생각할 수도 있습니다. 하이킹을 할 수도 있습니다.GPS장치오지를 통과하는 길을 찾기 위해. 하지만 당신은 아마도 여전히 그 모든 것에 놀랄 것입니다.GPS—모든 현대 내비게이션의 기초가 되는 위성 위치 확인 시스템 —이 가능합니다.
GPS지구 표면에 신호를 보내는 위성 집합으로 구성됩니다. 기본GPS수신기는 스마트폰과 마찬가지로 4개 이상의 위성에서 보내는 신호의 도착 시간을 측정하여 약 1~10미터 이내에서 현재 위치를 파악합니다. 더 멋진 (그리고 더 비싼)GPS수신기, 과학자들은 그들의 위치를 센티미터 또는 심지어 밀리미터까지 정확히 찾아낼 수 있습니다. 연구원들은 신호를 분석하는 새로운 방법과 함께 세밀한 정보를 사용하여 GPS가 원래 생각했던 것보다 지구에 대해 훨씬 더 많은 것을 알려줄 수 있다는 사실을 발견했습니다.
지난 10년 동안 더욱 빠르고 정확해졌습니다.GPS장치과학자들은 큰 지진이 발생하는 동안 땅이 어떻게 움직이는지 밝힐 수 있었습니다.GPS돌발홍수나 화산폭발과 같은 자연재해에 대한 더 나은 경고 시스템이 탄생했습니다. 그리고 연구자들은 MacGyver에도 일부GPS수신기눈 센서, 조수 측정기 및 기타 지구 측정을 위한 예상치 못한 도구 역할을 하게 됩니다.
콜로라도 볼더 대학의 지구물리학자 크리스틴 라슨(Kristine Larson)은 "내가 이러한 응용 프로그램에 대해 이야기하기 시작했을 때 사람들은 내가 미쳤다고 생각했습니다."라고 말합니다. 크리스틴 라슨(Kristine Larson)은 많은 발견을 주도했으며 2019년 지구 및 행성 과학 연례 리뷰에 이에 대해 썼습니다. "글쎄요, 우리가 할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다."
과학자들이 최근에야 깨달은 몇 가지 놀라운 일이 있습니다.GPS.
1. 지진을 느껴보세요
수세기 동안 지구과학자들은 지진의 규모와 정도를 평가하기 위해 땅이 흔들리는 정도를 측정하는 지진계에 의존해 왔습니다.GPS수신기는 판 구조론으로 알려진 과정에서 지구의 거대한 지각판이 서로 부딪히는 속도와 같이 훨씬 느린 규모에서 발생하는 지질 과정을 추적하는 다른 목적으로 사용되었습니다. 그래서GPS지진계는 캘리포니아 단층이 지진으로 파열될 때 땅이 흔들리는 것을 측정하는 반면, 지진계는 산안드레아스 단층의 반대편이 서로 스쳐지나가는 속도를 과학자들에게 알려줄 수 있습니다.
대부분의 연구자들은 이렇게 생각했다.GPS지진을 평가하는 데 유용할 만큼 정확하고 빠르게 위치를 측정할 수 없었습니다. 그러나 과학자들은 GPS 위성이 지구로 전송하는 신호에서 추가 정보를 추출할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.
이러한 신호는 두 가지 구성 요소로 도착합니다. 하나는 코드라고 알려진 1과 0의 고유한 계열입니다.GPS위성이 전송됩니다. 두 번째는 위성에서 코드를 전송하는 더 짧은 파장의 "반송파" 신호입니다. 캐리어 신호는 코드의 긴 파장(수십 미터 또는 수백 미터)에 비해 더 짧은 파장(단 20센티미터)을 갖기 때문에 캐리어 신호는 지구 표면의 한 지점을 찾아내는 고해상도 방법을 제공합니다. 과학자, 측량사, 군대 등에서는 매우 정확한 GPS 위치가 필요한 경우가 많으며 이를 위해서는 더 복잡한 GPS 수신기만 있으면 됩니다.
엔지니어들은 또한 속도를 향상시켰습니다.GPS수신기는 자신의 위치를 업데이트합니다. 즉, 초당 20회 이상 자주 새로 고칠 수 있습니다. 연구원들은 매우 빠르게 정확한 측정이 가능하다는 사실을 깨닫고 GPS를 사용하여 지진 발생 시 지면이 어떻게 움직이는지 조사하기 시작했습니다.
2003년에 Larson과 그녀의 동료들은 최초의 연구 중 하나에서 미국 서부 전역에 설치된 GPS 수신기를 사용하여 알래스카에서 규모 7.9의 지진으로 인해 지진파가 파문을 일으킬 때 땅이 어떻게 이동했는지 연구했습니다. 2011년까지 연구자들은 일본을 황폐화시킨 진도 9.1 지진에 대한 GPS 데이터를 수집하고 지진 동안 해저가 무려 60미터나 이동했음을 보여줄 수 있었습니다.
오늘날 과학자들은 어떻게 해야 하는지 더 광범위하게 조사하고 있습니다.GPS데이터지진을 신속하게 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다. 유진에 있는 오레곤 대학의 디에고 멜가(Diego Melgar)와 콜로라도 골든에 있는 미국 지질조사국의 개빈 헤이즈(Gavin Hayes)는 지진이 시작된 지 몇 초 안에 그 규모가 얼마나 커질지 알아보기 위해 12개의 대규모 지진을 회고적으로 연구했습니다. 지진 진원지 근처의 GPS 관측소에서 수집한 정보를 포함함으로써 과학자들은 지진이 피해 규모 7인지 아니면 완전히 파괴적인 규모 9인지를 10초 이내에 판단할 수 있었습니다.
미국 서부 해안의 연구원들은 심지어GPS지진 조기 경보 시스템은 땅의 흔들림을 감지하고 먼 도시에 있는 사람들에게 흔들림이 곧 덮칠지 여부를 알려줍니다. 그리고 칠레는 이를 구축해 왔습니다.GPS보다 정확한 정보를 보다 신속하게 얻기 위해 네트워크를 구축함으로써 해안 근처의 지진이 쓰나미를 일으킬 가능성이 있는지 여부를 계산하는 데 도움이 될 수 있습니다.
2. 화산 모니터링
지진을 넘어서는 속도GPS다른 자연재해가 발생할 경우 공무원들이 더욱 신속하게 대응할 수 있도록 돕고 있습니다.
예를 들어, 많은 화산 관측소에는GPS그들은 산 주변에 배열된 수신기를 모니터링합니다. 왜냐하면 마그마가 지하로 이동하기 시작하면 종종 표면도 이동하기 때문입니다. 화산 주변의 GPS 관측소가 시간이 지남에 따라 어떻게 상승하거나 가라앉는지 모니터링함으로써 연구자들은 녹은 암석이 어디로 흐르는지에 대해 더 나은 아이디어를 얻을 수 있습니다.
작년에 하와이 킬라우에아 화산이 크게 폭발하기 전에 연구자들은 다음과 같은 방법을 사용했습니다.GPS화산의 어느 부분이 가장 빠르게 이동하고 있는지 이해합니다. 공무원들은 이 정보를 사용하여 주민들을 대피시킬 지역을 결정하는 데 도움을 주었습니다.
GPS데이터화산이 폭발한 후에도 유용할 수 있습니다. 신호는 위성에서 지상으로 이동하기 때문에 화산이 공중으로 분출하는 모든 물질을 통과해야 합니다. 2013년에 여러 연구 그룹이 연구를 진행했습니다.GPS데이터4년 전 알래스카의 Redoubt 화산 폭발로 인해 폭발이 시작된 직후에 신호가 왜곡된다는 사실을 발견했습니다.
왜곡을 연구함으로써 과학자들은 얼마나 많은 재가 분출되었고 얼마나 빨리 이동하는지 추정할 수 있었습니다. 이어지는 논문에서 Larson은 이를 "화산 기둥을 탐지하는 새로운 방법"이라고 불렀습니다.
그녀와 그녀의 동료들은 스마트폰을 통해 이를 수행할 수 있는 방법을 연구해 왔습니다.GPS수신기값비싼 과학 수신기보다는요. 이를 통해 화산학자들은 상대적으로 저렴한 GPS 네트워크를 구축하고 화산재 기둥이 솟아오르는 것을 모니터링할 수 있습니다. 화산 기둥은 입자가 제트 엔진을 막힐 위험을 감수하기보다는 화산재 주위를 비행해야 하는 비행기에 큰 문제입니다.
3. 눈을 조사해 보세요
가장 예상치 못한 용도 중 일부GPS신호의 가장 지저분한 부분, 즉 땅에서 반사되는 부분에서 발생합니다.
전형적인GPS수신기, 스마트폰에 있는 것과 마찬가지로 대부분은 스마트폰에서 직접 오는 신호를 포착합니다.GPS머리 위의 위성. 하지만 이는 또한 당신이 걷고 있는 땅에 반사되어 스마트폰에 반사되는 신호도 포착합니다.
수년 동안 과학자들은 이러한 반사된 신호가 데이터를 흐릿하게 만들고 무슨 일이 일어나고 있는지 파악하기 어렵게 만드는 일종의 에코인 잡음에 불과하다고 생각했습니다. 그러나 약 15년 전부터 Larson과 다른 사람들은 과학적인 GPS 수신기의 반향을 활용할 수 있는지 궁금해하기 시작했습니다. 그녀는 지면에서 반사된 신호의 주파수와 이 신호가 수신기에 직접 도달한 신호와 어떻게 결합되는지 살펴보기 시작했습니다. 이를 통해 그녀는 메아리가 반사된 표면의 특성을 추론할 수 있었습니다. Larson은 “저희는 이러한 에코를 역설계했습니다.”라고 말했습니다.
이 접근 방식을 통해 과학자들은 GPS 수신기 아래의 지면에 대해 알아볼 수 있습니다. 예를 들어 토양에 얼마나 많은 수분이 포함되어 있는지, 표면에 눈이 얼마나 쌓였는지 알 수 있습니다. (지면에 눈이 많이 내릴수록 에코와 수신기 사이의 거리가 짧아집니다.) GPS 스테이션은 매년 눈덩이가 주요 수자원인 산악 지역과 같이 눈 깊이를 측정하는 눈 센서로 작동할 수 있습니다.
이 기술은 일년 내내 강설량을 모니터링하는 기상 관측소가 거의 없는 북극과 남극에서도 잘 작동합니다. 현재 골든에 있는 콜로라도 광산 학교의 Matt Siegfried와 그의 동료들은 2007년부터 2017년까지 남극 서부에 있는 23개 GPS 관측소에서 눈 축적을 연구했습니다. 그들은 눈의 변화를 직접 측정할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 매년 겨울마다 남극 빙상에 쌓이는 눈의 양과 그 눈이 매년 여름에 녹는 눈과 어떻게 비교되는지를 평가하려는 연구자에게 중요한 정보입니다.
4. 가라앉는 느낌
GPS이는 단단한 지면에서 위치를 측정하는 방법으로 시작되었을 수도 있지만 수위 변화를 모니터링하는 데에도 유용한 것으로 밝혀졌습니다.
7월, 콜로라도주 볼더에 있는 UNAVCO 지구물리학 연구 기관의 엔지니어인 John Galetzka는 방글라데시의 갠지스강과 브라마푸트라강이 만나는 지점에 GPS 스테이션을 설치했습니다. 목표는 강의 퇴적물이 압축되고 땅이 천천히 가라앉아 열대 저기압과 해수면 상승 중에 홍수에 더 취약해졌는지 여부를 측정하는 것이었습니다. "GPS는 이 질문에 답하는 데 도움이 되는 놀라운 도구입니다."라고 Galetzka는 말합니다.
맹그로브 숲 가장자리에 있는 소나탈라(Sonatala)라는 농촌 지역에서 갈레츠카(Galetzka)와 그의 동료들은GPS초등학교의 콘크리트 지붕에 있는 역. 그들은 논에 두드린 막대 위에 근처에 두 번째 스테이션을 세웠습니다. 땅이 실제로 가라앉고 있다면 두 번째 GPS 스테이션은 마치 땅에서 천천히 떠오르는 것처럼 보일 것입니다. 그리고 관측소 아래의 GPS 에코를 측정함으로써 과학자들은 우기 동안 논에 얼마나 많은 물이 고여 있는지와 같은 요소를 측정할 수 있습니다.
GPS수신기조수 측정기 역할을 하여 해양학자와 선원을 도울 수도 있습니다. Larson은 알래스카 Kachemak Bay의 GPS 데이터를 작업하는 동안 이 사실을 우연히 발견했습니다. 이 관측소는 지각 변형을 연구하기 위해 설립되었지만, 이 만에는 미국에서 가장 큰 조수 변동이 있기 때문에 Larson은 호기심이 많았습니다. 그녀는 물에서 반사되어 수신기까지 올라오는 GPS 신호를 살펴보았고 근처 항구의 실제 조수 게이지만큼 정확하게 조수 변화를 추적할 수 있었습니다.
이는 장기 조수 게이지가 설정되어 있지 않지만 우연히 설정된 세계 일부 지역에서 도움이 될 수 있습니다.근처에 GPS 스테이션이 있습니다.
5. 대기 분석
마지막으로,GPS불과 몇 년 전까지만 해도 과학자들이 가능하다고 생각하지 못했던 방식으로 머리 위 하늘에 대한 정보를 알아낼 수 있습니다. 수증기, 전하를 띤 입자 및 기타 요인으로 인해 대기를 통과하는 GPS 신호가 지연될 수 있으며 이로 인해 연구자들은 새로운 발견을 할 수 있습니다.
한 과학자 그룹은 다음을 사용합니다.GPS비나 눈으로 침전될 수 있는 대기 중 수증기의 양을 연구합니다. 연구원들은 이러한 변화를 이용해 폭우가 쏟아질 때 하늘에서 얼마나 많은 물이 떨어질지 계산했으며, 이를 통해 예보관은 남부 캘리포니아와 같은 지역의 돌발 홍수에 대한 예측을 세밀하게 조정할 수 있었습니다. 2013년 7월 폭풍 동안 기상학자들은GPS이는 해안으로 이동하는 몬순 수분을 추적하기 위한 데이터로, 돌발 홍수가 발생하기 17분 전에 경고를 발령하는 데 중요한 정보로 밝혀졌습니다.
GPS신호전리층으로 알려진 상층 대기의 전기적으로 충전된 부분을 통과할 때도 영향을 받습니다. 과학자들은GPS데이터쓰나미가 바다 아래를 가로질러 경주할 때 전리층의 변화를 추적합니다. (쓰나미의 힘은 전리층까지 파문을 일으키는 대기의 변화를 일으킵니다.) 이 기술은 언젠가 바다 건너편에 점재된 부표를 사용하여 진행파의 높이를 측정하는 전통적인 쓰나미 경고 방법을 보완할 수 있습니다. .
그리고 과학자들은 다음을 사용하여 개기 일식이 미치는 영향을 연구할 수도 있었습니다.GPS. 2017년 8월에 그들은 사용했습니다.GPS스테이션달의 그림자가 대륙을 가로질러 이동할 때 상층 대기의 전자 수가 어떻게 감소하여 전자를 생성하는 빛이 어두워지는지를 측정하기 위해 미국 전역을 횡단했습니다.
그래서GPS발 아래 땅이 흔들리는 것부터 하늘에서 눈이 내리는 것까지 모든 상황에 유용합니다. 단지 도시를 가로지르는 길을 찾는 데 도움이 될 것으로 예상되었던 것치고는 나쁘지 않습니다.
이 기사는 원래 Annual Reviews의 독립적인 저널리즘 활동인 Knowable Magazine에 게재되었습니다. 뉴스레터를 구독하세요.
