藍(lán)色天

如果說(shuō)全球定位系統(tǒng)（GPS）是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，你應(yīng)該沒(méi)有什么異議吧，智能手機(jī)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(gè)“活地圖”。但是你知道嗎？除了導(dǎo)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(jià)值。

GPS由一組向地球表面發(fā)送信號(hào)的衛(wèi)星組成，太空中不同方位的4顆或更多顆衛(wèi)星同時(shí)向你手中的接收器發(fā)射信號(hào)，通過(guò)測(cè)量這些信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差來(lái)確定你所處的位置。GPS的隱藏功能也由此而來(lái)。

天災(zāi)不怕了

2003年，美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的地質(zhì)學(xué)家克里斯蒂娜·拉森在研究北美阿拉斯加7.9級(jí)地震的地震波波形時(shí)，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(lái)預(yù)警地震的想法。

用GPS來(lái)預(yù)警地震有很大的優(yōu)勢(shì)，如今全球都已經(jīng)覆蓋了GPS衛(wèi)星，監(jiān)測(cè)幾乎是360度無(wú)死角;GPS發(fā)射的微波波長(zhǎng)只有20厘米，能量和精確度都比較高;GPS接收器更新目標(biāo)位置的速度也很快，每秒可以更新20次以上。也就是說(shuō)，當(dāng)人們將需要定位的位置設(shè)為震中或板塊運(yùn)動(dòng)的邊緣處時(shí)，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控地震期間地面是如何移動(dòng)的。

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

為什么說(shuō)火山是地震的“孿生兄弟”？因?yàn)榈卣饡r(shí)，地表的劇烈移動(dòng)會(huì)讓火山的巖漿也“蠢蠢欲動(dòng)”?；鹕奖l(fā)前，當(dāng)巖漿向地下移動(dòng)時(shí)，通常也會(huì)導(dǎo)致地表移動(dòng)。與監(jiān)測(cè)地震時(shí)的地表運(yùn)動(dòng)相似，通過(guò)監(jiān)測(cè)火山周圍的地表運(yùn)動(dòng)狀況，研究人員可以了解到巖漿和熔融巖石的流動(dòng)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(gè)部分移動(dòng)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。

噪音有用處

我們導(dǎo)航時(shí)常用的GPS接收器主要接收天上的GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)但是不可避免地，衛(wèi)星發(fā)射的微波會(huì)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(hào)歸為噪音，通過(guò)強(qiáng)化衛(wèi)星直接發(fā)射的微波來(lái)弱化噪音的影響。但后來(lái)，科學(xué)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(hào)頻率，并嘗試將反射信號(hào)和直接到達(dá)接收器的信號(hào)分離開來(lái)。她發(fā)現(xiàn)，通過(guò)分析反射信號(hào)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(lái)測(cè)量積雪深度。

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

天上有變化

大氣中的水蒸氣、帶電粒子和其他物質(zhì)同樣會(huì)影響GPS信號(hào)在大氣中的傳播，這使得研究人員有了新的發(fā)現(xiàn)。

通過(guò)GPS來(lái)計(jì)算大氣中的水蒸氣量，可以預(yù)測(cè)降水量。2013年7月，加州理工學(xué)院的氣象學(xué)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(dòng)軌跡。當(dāng)他發(fā)現(xiàn)這股水汽從海洋向山地移動(dòng)時(shí)，他及時(shí)向山民提出了示警。17分鐘后，山洪爆發(fā)。

飛離地面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(hào)在穿過(guò)電離層時(shí)會(huì)被散射和折射，傳遞方向和速度也會(huì)受到影響，科學(xué)家們可以利用GPS的數(shù)據(jù)來(lái)跟蹤電離層的變化。而海嘯發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的巨大力量會(huì)導(dǎo)致電離層的粒子運(yùn)動(dòng)加速，帶電情況發(fā)生改變，也就是說(shuō)當(dāng)GPS檢測(cè)到電離層發(fā)生變化時(shí)，很可能預(yù)示著海嘯即將發(fā)生。

科學(xué)家運(yùn)用這個(gè)方法成功預(yù)測(cè)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(dá)瓜伊島的3次海嘯。

科學(xué)家甚至能夠利用GPS研究日全食的影響。2017年8月，美國(guó)國(guó)家地球物理研究所的研究人員使用美國(guó)各地的GPS站的數(shù)據(jù)，計(jì)算了電離層的電子數(shù)量的變化，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)月球遮擋太陽(yáng)光時(shí)，電離層的電子數(shù)量會(huì)大幅下降，將影響包插GPS信號(hào)內(nèi)的所有電磁波信號(hào)的接收。

當(dāng)你在茂密森林、冰天雪地和狂風(fēng)暴雨中使用GPS時(shí)，也許會(huì)聽到“GPS信號(hào)弱”的提示，這是因?yàn)橹車嬖谠S多阻擋信號(hào)的東西和接收到很多干擾噪音，但你不會(huì)知道，原來(lái)這些干擾我們導(dǎo)航的“聲音”中，竟然藏著這么多信息。

（一二三摘自《大科技·科學(xué)之謎》

2020年6期）