Podrías pensar que eres un experto en navegar a través del tráfico de la ciudad, con tu teléfono inteligente a tu lado. Incluso podrías caminar con unDispositivo GPSpara encontrar su camino a través del campo. Pero probablemente aún te sorprenderías de todas las cosas queGPS—el sistema de posicionamiento global que subyace a toda la navegación moderna— puede hacerlo.
GPSConsiste en una constelación de satélites que envían señales a la superficie de la Tierra. Un básicoReceptor GPS, como el de su teléfono inteligente, determina dónde se encuentra (con una diferencia de entre 1 y 10 metros) midiendo el tiempo de llegada de señales de cuatro o más satélites. Con modelos más elegantes (y más caros)Receptores GPS, los científicos pueden localizar sus ubicaciones con precisión de centímetros o incluso milímetros. Utilizando esa información detallada, junto con nuevas formas de analizar las señales, los investigadores están descubriendo que el GPS puede decirles mucho más sobre el planeta de lo que originalmente pensaban.
Durante la última década, más rápido y más precisoDispositivos GPShan permitido a los científicos iluminar cómo se mueve el suelo durante los grandes terremotos.GPSha llevado a mejores sistemas de alerta para desastres naturales como inundaciones repentinas y erupciones volcánicas. Y los investigadores incluso han MacGyvered algunosReceptores GPSen actuar como sensores de nieve, mareógrafos y otras herramientas inesperadas para medir la Tierra.
“La gente pensó que estaba loca cuando comencé a hablar de estas aplicaciones”, dice Kristine Larson, geofísica de la Universidad de Colorado Boulder, quien dirigió muchos de los descubrimientos y escribió sobre ellos en la Revisión Anual de Ciencias Planetarias y de la Tierra de 2019. "Bueno, resultó que pudimos hacerlo".
Aquí hay algunas cosas sorprendentes que los científicos descubrieron recientemente que podrían hacer conGPS.
1. SIENTE UN TERREMOTO
Durante siglos, los geocientíficos han confiado en los sismómetros, que miden cuánto tiembla el suelo, para evaluar la magnitud y la gravedad de un terremoto.GPSLos receptores tenían un propósito diferente: rastrear procesos geológicos que ocurren en escalas mucho más lentas, como la velocidad a la que las grandes placas de la corteza terrestre se rozan entre sí en el proceso conocido como tectónica de placas. EntoncesGPSpodría indicar a los científicos la velocidad a la que los lados opuestos de la falla de San Andrés se acercan uno al otro, mientras que los sismómetros miden el temblor del suelo cuando esa falla de California se rompe en un terremoto.
La mayoría de los investigadores pensaron queGPSsimplemente no podía medir ubicaciones con la suficiente precisión y rapidez para ser útiles en la evaluación de terremotos. Pero resulta que los científicos pueden extraer información adicional de las señales que los satélites GPS transmiten a la Tierra.
Esas señales llegan en dos componentes. Uno es la serie única de unos y ceros, conocida como código, que cadaGPStransmite por satélite. La segunda es una señal “portadora” de longitud de onda más corta que transmite el código desde el satélite. Debido a que la señal portadora tiene una longitud de onda más corta (apenas 20 centímetros) en comparación con la longitud de onda más larga del código, que puede ser de decenas o cientos de metros, la señal portadora ofrece una forma de alta resolución de localizar un punto en la superficie de la Tierra. Los científicos, topógrafos, militares y otros a menudo necesitan una ubicación GPS muy precisa, y todo lo que necesitan es un receptor GPS más complicado.
Los ingenieros también han mejorado el ritmo al queGPSLos receptores actualizan su ubicación, lo que significa que pueden actualizarse hasta 20 veces por segundo o más. Una vez que los investigadores se dieron cuenta de que podían tomar medidas precisas con tanta rapidez, comenzaron a utilizar el GPS para examinar cómo se movía el suelo durante un terremoto.
En 2003, en uno de los primeros estudios de este tipo, Larson y sus colegas utilizaron receptores GPS repartidos por todo el oeste de Estados Unidos para estudiar cómo se movía el suelo cuando las ondas sísmicas de un terremoto de magnitud 7,9 en Alaska. En 2011, los investigadores pudieron tomar datos de GPS sobre el terremoto de magnitud 9,1 que devastó Japón y demostrar que el fondo marino se había desplazado unos asombrosos 60 metros durante el terremoto.
Hoy en día, los científicos están analizando más ampliamente cómodatos gpspuede ayudarles a evaluar rápidamente los terremotos. Diego Melgar de la Universidad de Oregón en Eugene y Gavin Hayes del Servicio Geológico de Estados Unidos en Golden, Colorado, estudiaron retrospectivamente 12 grandes terremotos para ver si podían decir, a los pocos segundos de que comenzara el terremoto, qué tan grande sería. Al incluir información de las estaciones GPS cercanas a los epicentros de los terremotos, los científicos pudieron determinar en 10 segundos si el terremoto sería de magnitud dañina 7 o completamente destructivo de magnitud 9.
Los investigadores de la costa oeste de Estados Unidos incluso han estado incorporandoGPSen su incipiente sistema de alerta temprana de terremotos, que detecta temblores del suelo y notifica a las personas en ciudades distantes si es probable que los golpeen pronto. Y Chile ha estado construyendo suGPSred para tener más rápidamente información más precisa, que pueda ayudar a calcular si un terremoto cerca de la costa es probable que genere un tsunami o no.
2. MONITOREAR UN VOLCÁN
Más allá de los terremotos, la velocidad deGPSestá ayudando a los funcionarios a responder más rápidamente a otros desastres naturales a medida que se desarrollan.
Muchos observatorios de volcanes, por ejemplo, tienenGPSreceptores dispuestos alrededor de las montañas que monitorean, porque cuando el magma comienza a desplazarse bajo tierra, eso a menudo hace que la superficie también se desplace. Al monitorear cómo las estaciones GPS alrededor de un volcán suben o bajan con el tiempo, los investigadores pueden tener una mejor idea de hacia dónde fluye la roca fundida.
Antes de la gran erupción del volcán Kilauea en Hawaii el año pasado, los investigadores utilizaronGPSpara entender qué partes del volcán se estaban moviendo más rápidamente. Los funcionarios utilizaron esa información para ayudar a decidir de qué áreas evacuar a los residentes.
datos gpsTambién puede resultar útil incluso después de la erupción de un volcán. Debido a que las señales viajan desde los satélites hasta la Tierra, tienen que pasar a través de cualquier material que el volcán esté expulsando al aire. En 2013, varios grupos de investigación estudiarondatos gpsde una erupción del volcán Redoubt en Alaska cuatro años antes y descubrió que las señales se distorsionaban poco después de que comenzara la erupción.
Al estudiar las distorsiones, los científicos pudieron estimar cuánta ceniza había arrojado y a qué velocidad viajaba. En un artículo posterior, Larson lo llamó "una nueva forma de detectar columnas volcánicas".
Ella y sus colegas han estado trabajando en formas de hacer esto con una variedad de teléfonos inteligentes.Receptores GPSen lugar de costosos receptores científicos. Eso podría permitir a los vulcanólogos establecer una red GPS relativamente económica y monitorear las columnas de ceniza a medida que se elevan. Las columnas volcánicas son un gran problema para los aviones, que tienen que volar alrededor de las cenizas para evitar correr el riesgo de que las partículas obstruyan sus motores.
3. SONDEAR LA NIEVE
Algunos de los usos más inesperados deGPSprovienen de las partes más confusas de su señal: las partes que rebotan en el suelo.
un tipicoReceptor GPS, como el de su teléfono inteligente, en su mayoría capta señales que provienen directamente deGPSsatélites en lo alto. Pero también capta señales que rebotan en el suelo sobre el que estás caminando y se reflejan en tu teléfono inteligente.
Durante muchos años, los científicos habían pensado que estas señales reflejadas no eran más que ruido, una especie de eco que confundía los datos y hacía difícil entender qué estaba pasando. Pero hace unos 15 años, Larson y otros comenzaron a preguntarse si podrían aprovechar los ecos de los receptores GPS científicos. Comenzó a observar las frecuencias de las señales que se reflejaban en el suelo y cómo se combinaban con las señales que habían llegado directamente al receptor. De ahí pudo deducir las cualidades de la superficie en la que habían rebotado los ecos. "Simplemente aplicamos ingeniería inversa a esos ecos", dice Larson.
Este enfoque permite a los científicos aprender sobre el suelo debajo del receptor GPS; por ejemplo, cuánta humedad contiene el suelo o cuánta nieve se ha acumulado en la superficie. (Cuanto más nieve cae al suelo, más corta es la distancia entre el eco y el receptor). Las estaciones GPS pueden funcionar como sensores de nieve para medir la profundidad de la nieve, como en áreas montañosas donde la capa de nieve es un recurso hídrico importante cada año.
La técnica también funciona bien en el Ártico y la Antártida, donde hay pocas estaciones meteorológicas que monitoreen las nevadas durante todo el año. Matt Siegfried, ahora en la Escuela de Minas de Colorado en Golden, y sus colegas estudiaron la acumulación de nieve en 23 estaciones GPS en la Antártida Occidental entre 2007 y 2017. Descubrieron que podían medir directamente los cambios en la nieve. Se trata de información crucial para los investigadores que buscan evaluar cuánta nieve se acumula cada invierno en la capa de hielo de la Antártida y cómo se compara con la que se derrite cada verano.
4. SIENTE UN HUNDIMIENTO
GPSPuede que haya comenzado como una forma de medir la ubicación en tierra firme, pero resulta que también es útil para monitorear los cambios en los niveles del agua.
En julio, John Galetzka, ingeniero de la organización de investigación geofísica UNAVCO en Boulder, Colorado, se encontró instalando estaciones GPS en Bangladesh, en la confluencia de los ríos Ganges y Brahmaputra. El objetivo era medir si los sedimentos del río se están compactando y la tierra se está hundiendo lentamente, lo que la hace más vulnerable a las inundaciones durante los ciclones tropicales y el aumento del nivel del mar. "El GPS es una herramienta increíble para ayudar a responder esta pregunta y más", dice Galetzka.
En una comunidad agrícola llamada Sonatala, al borde de un bosque de manglares, Galetzka y sus colegas colocaron unoGPSestación en el techo de concreto de una escuela primaria. Instalaron una segunda estación cerca, encima de una varilla clavada en un arrozal. Si el suelo realmente se está hundiendo, entonces la segunda estación GPS parecerá como si estuviera emergiendo lentamente del suelo. Y al medir los ecos del GPS debajo de las estaciones, los científicos pueden medir factores como la cantidad de agua que hay en el arrozal durante la temporada de lluvias.
Receptores GPSIncluso pueden ayudar a los oceanógrafos y marineros, actuando como mareógrafos. Larson se topó con esto mientras trabajaba con datos de GPS de la Bahía de Kachemak, Alaska. La estación se estableció para estudiar la deformación tectónica, pero Larson tenía curiosidad porque la bahía también tiene algunas de las mayores variaciones de mareas en los Estados Unidos. Observó las señales de GPS que rebotaban en el agua y llegaban al receptor, y pudo rastrear los cambios de marea casi con tanta precisión como un mareógrafo real en un puerto cercano.
Esto podría ser útil en partes del mundo que no tienen instalados mareógrafos de largo plazo, pero que sí tienen unEstación GPS cercana.
5. ANALIZA LA ATMÓSFERA
Finalmente,GPSpuede extraer información sobre el cielo, de una manera que los científicos no habían creído posible hasta hace unos años. El vapor de agua, las partículas cargadas eléctricamente y otros factores pueden retrasar las señales de GPS que viajan a través de la atmósfera, y eso permite a los investigadores hacer nuevos descubrimientos.
Un grupo de científicos utilizaGPSestudiar la cantidad de vapor de agua en la atmósfera que está disponible para precipitar en forma de lluvia o nieve. Los investigadores han utilizado estos cambios para calcular cuánta agua es probable que caiga del cielo en aguaceros torrenciales, lo que permite a los meteorólogos afinar sus predicciones de inundaciones repentinas en lugares como el sur de California. Durante una tormenta en julio de 2013, los meteorólogos utilizaronGPSdatos para rastrear la humedad monzónica que se mueve hacia la costa allí, lo que resultó ser información crucial para emitir una advertencia 17 minutos antes de que se produjeran inundaciones repentinas.
Señales GPSTambién se ven afectados cuando viajan a través de la parte cargada eléctricamente de la atmósfera superior, conocida como ionosfera. Los científicos han utilizadodatos gpspara rastrear los cambios en la ionosfera a medida que los tsunamis atraviesan el océano. (La fuerza del tsunami produce cambios en la atmósfera que se extienden hasta la ionosfera). Esta técnica algún día podría complementar el método tradicional de alerta de tsunami, que utiliza boyas repartidas por todo el océano para medir la altura de la ola que viaja. .
Y los científicos incluso han podido estudiar los efectos de un eclipse solar total utilizandoGPS. En agosto de 2017, utilizaronEstaciones GPSa lo largo de Estados Unidos para medir cómo disminuyó la cantidad de electrones en la atmósfera superior a medida que la sombra de la luna se movía a través del continente, atenuando la luz que de otro modo crearía electrones.
EntoncesGPSes útil para todo, desde el suelo que tiembla bajo tus pies hasta la nieve que cae del cielo. Nada mal para algo que se suponía que te ayudaría a encontrar tu camino por la ciudad.
Este artículo apareció originalmente en Knowable Magazine, un esfuerzo periodístico independiente de Annual Reviews. Suscríbete al boletín.
