藍色天

GPS工作原理

如果說全球定位系統(tǒng)（GPS）是一項偉大的發(fā)明，你應該沒有什么異議吧？智能手機上有了GPS，你可以自信地前往任何地方，好像自己本身就是一個“活地圖”。但是你知道嗎？除了導航之外，GPS還有不少的隱藏功能，而且這些功能具有很大的價值。

GPS由一組向地球表面發(fā)送信號的衛(wèi)星組成，太空中不同方位的四顆或更多顆衛(wèi)星同時向你手中的接收器發(fā)射信號，通過測量這些信號到達的時間差來確定你所處的位置。GPS的隱藏功能也由此而來。

天災不怕了

2003年，美國科羅拉多大學博爾德分校的地質(zhì)學家克里斯蒂娜·拉森在研究北美阿拉斯加7.9級地震的地震波波形時，意外發(fā)現(xiàn)地震儀記錄下的波形圖與距地震震中140千米處的GPS記錄下的波形圖很一致，地震波的振幅和頻率都相同，由此啟發(fā)了人們用GPS來預警地震的想法。

用GPS來預警地震有很大的優(yōu)勢，如今全球都已經(jīng)覆蓋了GPS衛(wèi)星，監(jiān)測幾乎是360°無死角;GPS發(fā)射的微波波長只有20厘米，能量和精確度都比較高;GPS接收器更新目標位置的速度也很快，每秒可以更新20次以上。也就是說，當人們將需要定位的位置設為震中或板塊運動的邊緣處時，就可以實時監(jiān)控地震期間地面是如何移動的。

此后，GPS在監(jiān)控地震上開始大展身手。在美國，GPS預警已經(jīng)成為地震預警系統(tǒng)中的重要技術(shù)方法之一，它不僅能預測地震的震級，還能提前通知離震中較遠的城市市民，地震是否會影響他們，會在什么時間“到達”他們的城市。智利也一直在建設其GPS網(wǎng)絡，以便更快、更準確地獲得地震預警信息。他們的GPS預警系統(tǒng)成功預測到了2010年8.8級莫爾地震、2014年8.2級伊基克地震和2015年8.3級伊利亞佩爾地震。

GPS還能幫助我們監(jiān)控其他自然災害，比如地震的“孿生兄弟”——火山噴發(fā)。

港口附近的GPS可以當驗潮儀使用

為什么說火山是地震的“孿生兄弟”？因為地震時，地表的劇烈移動會讓火山的巖漿也“蠢蠢欲動”。火山爆發(fā)前，當巖漿向地下移動時，通常也會導致地表移動。因此，地震和火山噴發(fā)常常是“形影不離”的。與監(jiān)測地震時的地表運動相似，通過監(jiān)測火山周圍的地表運動狀況，研究人員可以了解到巖漿和熔融巖石的流動情況。2018年，夏威夷基拉韋厄火山大爆發(fā)之前，研究人員使用GPS監(jiān)控到火山的哪個部分移動最快，政府利用這些信息做出了從哪些地區(qū)疏散居民和游客的決定。

火山爆發(fā)之后GPS監(jiān)測到的數(shù)據(jù)也很有用。因為信號從衛(wèi)星傳到地面的過程中，必須穿過火山噴射到空氣中的火山灰等物質(zhì)，這樣信號傳播速度和能量將受到影響。通過研究信號受影響的程度，科學家們可以估計出噴出了多少火山灰以及它們的傳播方向和速度。知道了這些數(shù)據(jù)后，可以對飛機的飛行路線做出修改，使其繞著火山灰飛行，避免火山灰微粒堵塞噴氣發(fā)動機的風險。

噪音有用處

前文說過，我們導航時常用的GPS接收器主要接收天上的GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，但是不可避免地，衛(wèi)星發(fā)射的微波會有部分散射到地面上，然后再被地面反彈，最后被我們的GPS接收到。以前，我們把這類反射的信號歸為噪音，通過強化衛(wèi)星直接發(fā)射的微波來弱化噪音的影響。但后來，科學家發(fā)現(xiàn)，這類噪音也有作用。

2005年，拉森開始觀察地面反射的信號頻率，并嘗試將反射信號和直接到達接收器的信號分離開來。她發(fā)現(xiàn)，通過分析反射信號的速度和能量可以判斷地面附近的情況，比如地表上積了多少雪。地面上的雪越多，回聲和接收器之間的距離就越短。GPS接收器可以作為積雪傳感器來測量積雪深度。

現(xiàn)在，這個方法已經(jīng)在北極和南極運用起來了。美國科羅拉多礦業(yè)學院的地質(zhì)學家馬特·齊格弗里德運用西南極洲的23個GPS站的數(shù)據(jù)，分析了2007年到2017年的積雪情況。兩極沒有建立任何氣象監(jiān)測站，科學家們找不到這些年的氣象報告，但有了這個方法，他們可以分析出兩極年降雪量的變化了。通過比較年降雪量的變化，可以評估全球變暖的影響，再與兩極每年融化的雪量一對比，兩極冰蓋還能再支撐多少年，也有了更可信的預測數(shù)據(jù)。

除了監(jiān)測地表雪量的變化，GPS在監(jiān)測地下水位的變化方面也很有用。

2019年7月，聯(lián)合國教科文組織下轄的地球物理研究所的物理學家約翰·蓋爾茲卡在孟加拉國的恒河和布拉馬普特拉河的交界處安裝了一排排的GPS接收器，遠遠看去就像一排排的防護林，它們的作用其實跟防護林也很相似。這個地方土質(zhì)疏松，河流沖刷作用強，因此洪水頻發(fā)。蓋爾茲卡安裝這些GPS的目的是測量河流底部土質(zhì)是否結(jié)實，土地是否在下沉以及河流水深的變化，這有助于監(jiān)測該地區(qū)洪水的爆發(fā)時間和尋找容易遭受洪水襲擊的地方。通過測量不同地方的GPS接收到的噪音時間差，科學家將能判斷河流和地面的水深。

天上有變化

與火山灰的阻擋作用相似，大氣中的水蒸氣、帶電粒子和其他物質(zhì)同樣會影響GPS信號在大氣中的傳播，這使得研究人員有了新的發(fā)現(xiàn)。

通過GPS來計算大氣中的水蒸氣量，可以預測降水量。2013年7月，加州理工學院的氣象學家安吉林·穆爾利用GPS數(shù)據(jù)跟蹤了大氣中一股足以形成暴雨的水汽的移動軌跡。當他發(fā)現(xiàn)這股水汽從海洋向山地移動時，他及時向山民提出了示警。17分鐘后，山洪爆發(fā)了。

離地面60千米以上的大氣層充斥著許多帶電的電子和離子，我們稱之為電離層。GPS信號在穿過電離層時會被散射和折射，傳遞方向和速度也會受到影響，科學家們可以利用GPS的數(shù)據(jù)來跟蹤電離層的變化。而海嘯發(fā)生時產(chǎn)生的巨大力量會導致電離層的粒子運動加速，帶電情況發(fā)生改變，也就是說當GPS檢測到電離層發(fā)生變化時，很可能預示著海嘯即將發(fā)生?？茖W家運用這個方法成功預測了2006年俄羅斯千島群島、2011年日本東北町和2012年加拿大海達瓜伊島的三次海嘯。

科學家甚至能夠利用GPS研究日全食的影響。2017年8月，美國國家地球物理研究所的研究人員使用美國各地的GPS站的數(shù)據(jù)，計算了電離層的電子數(shù)量的變化，他們發(fā)現(xiàn)，當月球遮擋太陽光時，電離層的電子數(shù)量會大幅下降，將影響包括GPS信號內(nèi)的所有電磁波信號的接收。

地震預警、火山監(jiān)控、地下水監(jiān)測、大氣變化追蹤……當你在茂密森林、冰天雪地和狂風暴雨中使用GPS時，也許會聽到“GPS信號弱”的提示，這是因為周圍存在許多阻擋信號的東西和接收到很多干擾噪音，但你不會知道，原來這些干擾我們導航的“聲音”中，竟然藏著這么多信息。