قد تعتقد أنك خبير في التنقل عبر حركة المرور في المدينة، والهاتف الذكي بجانبك. يمكنك حتى التنزه مع أجهاز تحديد المواقعلتجد طريقك من خلال البلاد النائية. ولكن ربما ستظل مندهشًا من كل الأشياء التينظام تحديد المواقعيمكن لنظام تحديد المواقع العالمي الذي يقوم عليه كل الملاحة الحديثة أن يفعل ذلك.
نظام تحديد المواقعيتكون من كوكبة من الأقمار الصناعية التي ترسل الإشارات إلى سطح الأرض. أساسيةجهاز استقبال جي بي اس، مثل الموجود في هاتفك الذكي، يحدد مكانك - على مسافة تتراوح من 1 إلى 10 أمتار تقريبًا - عن طريق قياس وقت وصول الإشارات من أربعة أقمار صناعية أو أكثر. مع مربي الحيوانات (وأكثر تكلفة)أجهزة استقبال نظام تحديد المواقعويمكن للعلماء تحديد مواقعها بدقة تصل إلى سنتيمترات أو حتى ملليمترات. وباستخدام هذه المعلومات الدقيقة، إلى جانب طرق جديدة لتحليل الإشارات، اكتشف الباحثون أن نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) يمكن أن يخبرهم عن الكوكب أكثر بكثير مما كانوا يعتقدون في الأصل.
على مدى العقد الماضي، أسرع وأكثر دقةأجهزة تحديد المواقعسمحت للعلماء بإلقاء الضوء على كيفية تحرك الأرض أثناء الزلازل الكبيرة.نظام تحديد المواقعوقد أدى ذلك إلى تحسين أنظمة الإنذار بالكوارث الطبيعية مثل الفيضانات المفاجئة والانفجارات البركانية. وقد قام الباحثون حتى بماكجيفيرد بالبعضأجهزة استقبال نظام تحديد المواقعإلى العمل كأجهزة استشعار للثلوج وأجهزة قياس المد والجزر وغيرها من الأدوات غير المتوقعة لقياس الأرض.
تقول كريستين لارسون، عالمة الجيوفيزياء بجامعة كولورادو بولدر، والتي قادت العديد من الاكتشافات وكتبت عنها في المراجعة السنوية لعلوم الأرض والكواكب لعام 2019: "اعتقد الناس أنني مجنون عندما بدأت الحديث عن هذه التطبيقات". "حسنا، اتضح أننا كنا قادرين على القيام بذلك."
فيما يلي بعض الأشياء المدهشة التي أدرك العلماء مؤخرًا أنه يمكنهم فعلهانظام تحديد المواقع.
1. أشعر بالزلزال
اعتمد علماء الجيولوجيا لعدة قرون على أجهزة قياس الزلازل، التي تقيس مدى اهتزاز الأرض، لتقييم مدى قوة الزلزال ومدى خطورته.نظام تحديد المواقعخدمت أجهزة الاستقبال غرضًا مختلفًا، وهو تتبع العمليات الجيولوجية التي تحدث على نطاقات أبطأ بكثير، مثل المعدل الذي تطحن به الصفائح القشرية العظيمة للأرض بعضها البعض في العملية المعروفة باسم تكتونية الصفائح. لذانظام تحديد المواقعقد يخبرنا العلماء بالسرعة التي يزحف بها الجانبان المتقابلان من صدع سان أندرياس بالقرب من بعضهما البعض، في حين تقيس أجهزة قياس الزلازل اهتزاز الأرض عندما ينفجر صدع كاليفورنيا في زلزال.
يعتقد معظم الباحثين ذلكنظام تحديد المواقعببساطة، لم يكن من الممكن قياس المواقع بدقة كافية، وبسرعة كافية، لتكون مفيدة في تقييم الزلازل. ولكن اتضح أن العلماء يمكنهم الحصول على معلومات إضافية من الإشارات التي ترسلها الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إلى الأرض.
تصل هذه الإشارات في مكونين. الأول عبارة عن سلسلة فريدة من الآحاد والأصفار، المعروفة باسم الكود، لكل منهانظام تحديد المواقعينقل الأقمار الصناعية. والثاني هو إشارة "حاملة" ذات طول موجي أقصر تنقل الكود من القمر الصناعي. نظرًا لأن الإشارة الحاملة لها طول موجي أقصر - 20 سم فقط - مقارنة بالطول الموجي الأطول للشفرة، والذي يمكن أن يصل إلى عشرات أو مئات الأمتار، فإن الإشارة الحاملة توفر طريقة عالية الدقة لتحديد بقعة على سطح الأرض. غالبًا ما يحتاج العلماء والمساحون والجيش وغيرهم إلى موقع GPS دقيق للغاية، وكل ما يتطلبه الأمر هو جهاز استقبال GPS أكثر تعقيدًا.
لقد قام المهندسون أيضًا بتحسين المعدلنظام تحديد المواقعتقوم أجهزة الاستقبال بتحديث موقعها، مما يعني أنها تستطيع تحديث نفسها بمعدل يصل إلى 20 مرة في الثانية أو أكثر. بمجرد أن أدرك الباحثون أنهم يستطيعون أخذ قياسات دقيقة بهذه السرعة، بدأوا في استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لفحص كيفية تحرك الأرض أثناء الزلزال.
في عام 2003، وفي واحدة من الدراسات الأولى من نوعها، استخدمت لارسون وزملاؤها أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المنتشرة في جميع أنحاء غرب الولايات المتحدة لدراسة كيفية تحرك الأرض مع تموج الموجات الزلزالية من زلزال بقوة 7.9 درجة في ألاسكا. وبحلول عام 2011، تمكن الباحثون من الحصول على بيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) عن الزلزال الذي بلغت قوته 9.1 درجة والذي دمر اليابان، وأظهروا أن قاع البحر قد تحرك بشكل مذهل بمقدار 60 مترًا خلال الزلزال.
واليوم، يبحث العلماء على نطاق أوسع في كيفية القيام بذلكبيانات نظام تحديد المواقعيمكن أن تساعدهم على تقييم الزلازل بسرعة. قام دييجو ميلجار من جامعة أوريجون في يوجين، وجافين هايز من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية في جولدن بولاية كولورادو، بدراسة استرجاعية لـ 12 زلزالًا كبيرًا لمعرفة ما إذا كان بإمكانهما معرفة مدى قوة الزلزال، في غضون ثوانٍ من بداية الزلزال. ومن خلال تضمين المعلومات من محطات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) القريبة من مراكز الزلازل، تمكن العلماء من تحديد في غضون 10 ثوانٍ ما إذا كان الزلزال بقوة 7 درجات أو مدمرًا تمامًا بقوة 9 درجات.
حتى أن الباحثين على طول الساحل الغربي للولايات المتحدة قاموا بدمجهانظام تحديد المواقعفي نظام الإنذار المبكر بالزلزال الناشئ، والذي يكتشف اهتزاز الأرض ويبلغ الناس في المدن البعيدة ما إذا كان من المحتمل أن يضربهم الهزات قريبًا. وقد قامت تشيلي ببناء مشروعهانظام تحديد المواقعالشبكة من أجل الحصول على معلومات أكثر دقة وبسرعة أكبر، مما يمكن أن يساعد في حساب ما إذا كان الزلزال بالقرب من الساحل من المحتمل أن يولد تسونامي أم لا.
2. مراقبة البركان
ما وراء الزلازل، وسرعةنظام تحديد المواقعيساعد المسؤولون على الاستجابة بسرعة أكبر للكوارث الطبيعية الأخرى عند وقوعها.
على سبيل المثال، تمتلك العديد من مراصد البراكيننظام تحديد المواقعتتجمع أجهزة الاستقبال حول الجبال وتراقبها، لأنه عندما تبدأ الصهارة في التحرك تحت الأرض، غالبًا ما يتسبب ذلك في تحرك السطح أيضًا. ومن خلال مراقبة كيفية ارتفاع أو انخفاض محطات نظام تحديد المواقع حول البركان بمرور الوقت، يمكن للباحثين الحصول على فكرة أفضل حول مكان تدفق الصخور المنصهرة.
قبل الانفجار الكبير الذي حدث العام الماضي لبركان كيلاويا في هاواي، استخدم الباحثوننظام تحديد المواقعلفهم أي أجزاء من البركان كانت تتحرك بسرعة أكبر. استخدم المسؤولون هذه المعلومات للمساعدة في تحديد المناطق التي سيتم إجلاء السكان منها.
بيانات نظام تحديد المواقعيمكن أن يكون مفيدًا أيضًا حتى بعد ثوران البركان. ونظرًا لأن الإشارات تنتقل من الأقمار الصناعية إلى الأرض، فيجب أن تمر عبر أي مادة يقذفها البركان في الهواء. في عام 2013، تمت دراسة العديد من المجموعات البحثيةبيانات نظام تحديد المواقعمن ثوران بركان ريدوبت في ألاسكا قبل أربع سنوات، ووجدوا أن الإشارات أصبحت مشوهة بعد وقت قصير من بدء الثوران.
ومن خلال دراسة التشوهات، تمكن العلماء من تقدير كمية الرماد المنبعثة ومدى سرعة انتقالها. وفي ورقة بحثية لاحقة، وصفها لارسون بأنها "طريقة جديدة للكشف عن الأعمدة البركانية".
لقد عملت هي وزملاؤها على إيجاد طرق للقيام بذلك باستخدام مجموعة متنوعة من الهواتف الذكيةأجهزة استقبال نظام تحديد المواقعبدلاً من أجهزة الاستقبال العلمية الباهظة الثمن. وهذا يمكن أن يمكّن علماء البراكين من إنشاء شبكة GPS غير مكلفة نسبيًا ومراقبة أعمدة الرماد أثناء ارتفاعها. تمثل الأعمدة البركانية مشكلة كبيرة للطائرات، التي يتعين عليها التحليق حول الرماد بدلاً من المخاطرة بسد الجسيمات لمحركاتها النفاثة.
3. دقق في الثلج
بعض الاستخدامات غير المتوقعة لـنظام تحديد المواقعتأتي من الأجزاء الأكثر فوضوية في إشارتها، وهي الأجزاء التي ترتد عن الأرض.
نموذجيجهاز استقبال جي بي اس، مثل تلك الموجودة في هاتفك الذكي، تلتقط في الغالب الإشارات التي تأتي مباشرة منهنظام تحديد المواقعالأقمار الصناعية في سماء المنطقة. ولكنه يلتقط أيضًا الإشارات التي ترتد على الأرض التي تمشي عليها وتنعكس على هاتفك الذكي.
لسنوات عديدة، اعتقد العلماء أن هذه الإشارات المنعكسة ليست سوى ضجيج، وهو نوع من الصدى الذي يشوش البيانات ويجعل من الصعب معرفة ما يحدث. ولكن منذ حوالي 15 عامًا، بدأ لارسون وآخرون يتساءلون عما إذا كان بإمكانهم الاستفادة من الأصداء الموجودة في أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) العلمية. بدأت بالنظر إلى ترددات الإشارات التي تنعكس عن الأرض وكيفية دمجها مع الإشارات التي وصلت مباشرة إلى جهاز الاستقبال. ومن ذلك استطاعت أن تستنتج صفات السطح الذي ارتدت عنه الأصداء. يقول لارسون: "لقد قمنا بهندسة عكسية لتلك الأصداء".
يسمح هذا الأسلوب للعلماء بالتعرف على الأرض الموجودة أسفل جهاز استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، على سبيل المثال مقدار الرطوبة التي تحتويها التربة أو مقدار الثلج المتراكم على السطح. (كلما زاد تساقط الثلوج على الأرض، قصرت المسافة بين جهاز الصدى وجهاز الاستقبال.) يمكن أن تعمل محطات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) كأجهزة استشعار للثلوج لقياس عمق الثلوج، كما هو الحال في المناطق الجبلية حيث تشكل الثلوج مصدرًا رئيسيًا للمياه كل عام.
تعمل هذه التقنية أيضًا بشكل جيد في القطب الشمالي والقارة القطبية الجنوبية، حيث يوجد عدد قليل من محطات الطقس التي تراقب تساقط الثلوج على مدار العام. قام مات سيغفريد، الذي يعمل حاليًا في كلية كولورادو للمناجم في غولدن، وزملاؤه بدراسة تراكم الثلوج في 23 محطة نظام تحديد المواقع (GPS) في غرب القارة القطبية الجنوبية من عام 2007 إلى عام 2017. ووجدوا أنهم يستطيعون قياس تغير الثلوج بشكل مباشر. هذه معلومات مهمة للباحثين الذين يتطلعون إلى تقييم كمية الثلوج التي تتراكم في الغطاء الجليدي في القطب الجنوبي كل شتاء، وكيف يمكن مقارنتها بما يذوب كل صيف.
4. اشعر بالغرق
نظام تحديد المواقعربما بدأت كوسيلة لقياس الموقع على أرض صلبة، ولكن تبين أنها مفيدة أيضًا في مراقبة التغيرات في مستويات المياه.
وفي يوليو/تموز، وجد جون جاليتزكا، المهندس في منظمة أبحاث الجيوفيزياء التابعة ليونافكو في بولدر، كولورادو، نفسه يقوم بتركيب محطات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في بنجلاديش، عند تقاطع نهري الجانج وبراهمابوترا. كان الهدف هو قياس ما إذا كانت رواسب الأنهار تنضغط وما إذا كانت الأرض تغرق ببطء، مما يجعلها أكثر عرضة للفيضانات أثناء الأعاصير المدارية وارتفاع مستوى سطح البحر. يقول جاليتزكا: "إن نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هو أداة رائعة للمساعدة في الإجابة على هذا السؤال وغيره".
في مجتمع زراعي يُدعى سوناتالا، على حافة غابة منغروف، وضع غاليتزكا وزملاؤه واحدًانظام تحديد المواقعمحطة على السطح الخرساني لمدرسة ابتدائية. وأقاموا محطة ثانية في مكان قريب، فوق قضيب مطروق في حقل أرز. إذا كانت الأرض تغرق بالفعل، فستبدو محطة GPS الثانية وكأنها تخرج ببطء من الأرض. ومن خلال قياس أصداء نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أسفل المحطات، يستطيع العلماء قياس عوامل مثل كمية المياه الموجودة في حقل الأرز خلال موسم الأمطار.
أجهزة استقبال نظام تحديد المواقعويمكنها حتى أن تساعد علماء المحيطات والبحارة، من خلال العمل كمقاييس للمد والجزر. توصل لارسون إلى هذا الأمر أثناء عمله باستخدام بيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من خليج كاشيماك في ألاسكا. تم إنشاء المحطة لدراسة التشوه التكتوني، لكن لارسون كان فضوليًا لأن الخليج به أيضًا بعض من أكبر الاختلافات في المد والجزر في الولايات المتحدة. نظرت إلى إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) التي ترتد من الماء إلى جهاز الاستقبال، وتمكنت من تتبع تغيرات المد والجزر بدقة تقريبًا مثل مقياس المد الحقيقي في ميناء قريب.
قد يكون هذا مفيدًا في أجزاء من العالم التي ليس لديها أجهزة قياس للمد والجزر على المدى الطويل - ولكن يوجد بها جهاز قياس للمد والجزر على المدى الطويل.محطة GPS قريبة.
5. تحليل الجو
أخيراً،نظام تحديد المواقعيمكن أن يستخلص معلومات حول السماء فوقنا، بطرق لم يكن العلماء يعتقدون أنها ممكنة إلا قبل بضع سنوات فقط. يمكن لبخار الماء والجسيمات المشحونة كهربائيًا وعوامل أخرى أن تؤخر إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) التي تنتقل عبر الغلاف الجوي، مما يسمح للباحثين بإجراء اكتشافات جديدة.
يستخدمه فريق من العلماءنظام تحديد المواقعلدراسة كمية بخار الماء الموجود في الغلاف الجوي والمتاح للتساقط على شكل أمطار أو ثلوج. استخدم الباحثون هذه التغييرات لحساب كمية المياه التي من المحتمل أن تسقط من السماء أثناء هطول الأمطار الغزيرة، مما يسمح للمتنبئين بضبط توقعاتهم للفيضانات المفاجئة في أماكن مثل جنوب كاليفورنيا. خلال عاصفة يوليو 2013، استخدم خبراء الأرصاد الجويةنظام تحديد المواقعبيانات لتتبع الرطوبة الموسمية التي تتحرك على الشاطئ هناك، والتي تبين أنها معلومات مهمة لإصدار تحذير قبل 17 دقيقة من حدوث الفيضانات المفاجئة.
إشارات نظام تحديد المواقعوتتأثر أيضًا عندما تنتقل عبر الجزء المشحون كهربائيًا من الغلاف الجوي العلوي، والمعروف باسم الغلاف الأيوني. وقد استخدم العلماءبيانات نظام تحديد المواقعلتتبع التغيرات في الغلاف الأيوني مع سباق تسونامي عبر المحيط أدناه. (تنتج قوة التسونامي تغيرات في الغلاف الجوي تمتد على طول الطريق حتى طبقة الأيونوسفير). وقد تكون هذه التقنية في يوم من الأيام مكملة للطريقة التقليدية للتحذير من التسونامي، والتي تستخدم العوامات المنتشرة عبر المحيط لقياس ارتفاع الموجة المتنقلة. .
حتى أن العلماء تمكنوا من دراسة تأثيرات الكسوف الكلي للشمس باستخدامنظام تحديد المواقع. وفي أغسطس 2017، استخدموامحطات تحديد المواقععبر الولايات المتحدة لقياس كيفية انخفاض عدد الإلكترونات في الغلاف الجوي العلوي مع تحرك ظل القمر عبر القارة، مما يؤدي إلى تعتيم الضوء الذي يؤدي إلى نشوء الإلكترونات.
لذانظام تحديد المواقعمفيد في كل شيء بدءًا من اهتزاز الأرض تحت قدميك وحتى تساقط الثلوج من السماء. ليس سيئًا بالنسبة لشيء كان من المفترض أن يساعدك في العثور على طريقك عبر المدينة.
ظهر هذا المقال في الأصل في مجلة Knowable، وهي مسعى صحفي مستقل من المراجعات السنوية. اشترك في النشرة الإخبارية.
