你可能认为自己是城市交通导航专家，智能手机不离手。你甚至可能带着 GPS 设备在偏远地区徒步旅行。但你可能仍然会惊讶于 GPS——这个现代导航系统的基础——所能做的所有事情。
GPS 由一组卫星组成，这些卫星向地球表面发送信号。一个基本的 GPS 接收器，例如你智能手机中的那个，通过测量来自四颗或更多卫星的信号到达时间来确定你的位置——精度在 1 到 10 米左右。使用更精密（也更昂贵）的 GPS 接收器，科学家可以将他们的位置精确定位到厘米甚至毫米级。研究人员利用这种精细的信息，以及分析信号的新方法，发现 GPS 可以告诉他们关于地球的更多信息，这超出了他们最初的想象。
在过去的十年中，更快、更精确的 GPS 设备使科学家能够阐明大地震期间地面的移动方式。GPS 促成了更好的自然灾害预警系统，例如山洪暴发和火山爆发。研究人员甚至将一些 GPS 接收器改装成雪传感器、潮汐仪和其他用于测量地球的意想不到的工具。
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“当我开始谈论这些应用时，人们认为我疯了，”科罗拉多大学博尔德分校的地球物理学家克里斯汀·拉森说，他领导了许多发现，并在 2019 年的《地球和行星科学年度评论》中撰写了关于这些发现的文章。“好吧，事实证明我们能够做到。”
以下是科学家们最近才意识到他们可以用 GPS 做的一些令人惊讶的事情。
来源： Knowable Magazine；资料来源：UNAVCO
1. 感知地震
几个世纪以来，地球科学家一直依靠地震仪来测量地面震动程度，以评估地震的大小和严重程度。GPS 接收器用于不同的目的——跟踪发生在更慢尺度上的地质过程，例如地球巨大地壳板块在被称为板块构造的过程中相互磨过的速度。因此，GPS 可以告诉科学家圣安地列斯断层两侧相互蠕动的速度，而地震仪则测量加利福尼亚断层在地震中破裂时地面的震动。
大多数研究人员认为，GPS 根本无法足够精确和足够快速地测量位置，以用于评估地震。但事实证明，科学家可以从 GPS 卫星传输到地球的信号中挤出额外的信息。
这些信号以两个组成部分到达。一个是独特的 1 和 0 系列，称为代码，每个 GPS 卫星都会传输该代码。第二个是波长较短的“载波”信号，它从卫星传输代码。由于载波信号的波长较短——仅为 20 厘米——相比之下，代码的波长更长，可能为数十或数百米，因此载波信号提供了一种高分辨率的方式来精确定位地球表面上的某个点。科学家、测量员、军方和其他人通常需要非常精确的 GPS 位置，而所需的只是更复杂的 GPS 接收器。
工程师们还提高了 GPS 接收器更新其位置的速率，这意味着它们可以以每秒 20 次或更高的频率刷新自身。一旦研究人员意识到他们可以如此快速地进行精确测量，他们就开始使用 GPS 来检查地震期间地面的移动方式。
2003 年，在最早的此类研究之一中，拉森和她的同事使用了遍布美国西部的 GPS 接收器 研究了地面如何移动，因为地震波从阿拉斯加 7.9 级地震中扩散开来。到 2011 年，研究人员能够获取日本 9.1 级地震的 GPS 数据，并表明海床 在地震期间发生了惊人的 60 米位移。
今天，科学家们正在更广泛地研究 GPS 数据如何帮助他们快速评估地震。俄勒冈大学尤金分校的迭戈·梅尔加尔和科罗拉多州戈尔登市美国地质调查局的加文·海耶斯回顾性地研究了 12 次大型地震，以查看 他们是否可以在地震开始后几秒钟内判断出 地震会有多大。通过包括来自震中附近 GPS 站的信息，科学家们可以在 10 秒内确定地震是破坏性的 7 级地震还是完全毁灭性的 9 级地震。
美国西海岸的研究人员甚至已将 GPS 纳入他们新兴的地震早期预警系统，该系统检测地面震动并通知远处城市的人们是否有可能很快遭受震动。并且 智利一直在扩建其 GPS 网络，以便更快地获得更准确的信息，这可以帮助计算沿海附近的地震是否可能引发海啸。
来源： Knowable Magazine；资料来源：UNAVCO 和 GPS 反射研究小组
2. 监测火山
除了地震之外，GPS 的速度还在帮助官员们更快地应对其他正在发生的自然灾害。
例如，许多火山观测站都在他们监测的山脉周围布置了 GPS 接收器，因为当岩浆开始在地下移动时，通常会导致地表也发生移动。通过监测火山周围的 GPS 站随时间推移的上升或下沉情况，研究人员可以更好地了解熔岩的流动位置。
在去年夏威夷基拉韦厄火山大爆发之前，研究人员使用 GPS 了解火山的哪些部分移动最快。官员们利用这些信息来帮助决定从哪些区域疏散居民。
即使在火山爆发后，GPS 数据也可能很有用。由于信号从卫星传播到地面，它们必须穿过火山喷射到空中的任何物质。2013 年，几个研究小组研究了四年前阿拉斯加雷道特火山爆发的 GPS 数据，发现信号在爆发开始后不久就变得扭曲。
通过研究这些扭曲，科学家们可以估计喷出的火山灰量以及火山灰的传播速度。在随后的论文中，拉森称之为“一种检测火山羽流的新方法。”
她和她的同事一直在 研究使用 智能手机级别的 GPS 接收器而不是昂贵的科学接收器来做到这一点的方法。这可以使火山学家建立一个相对便宜的 GPS 网络，并监测上升的火山灰羽流。火山羽流对飞机来说是一个大问题，飞机必须绕过火山灰，而不是冒险让颗粒物堵塞喷气发动机。
3. 探测积雪
GPS 最出乎意料的用途之一来自其信号中最混乱的部分——那些从地面反弹的部分。
典型的 GPS 接收器，例如你智能手机中的那个，主要接收来自头顶 GPS 卫星的直接信号。但它也会接收到从你行走的地面反弹并反射到你的智能手机上的信号。
多年来，科学家们一直认为这些反射信号只是噪声，一种混淆数据并使其难以弄清发生了什么的回声。但在大约 15 年前，拉森和其他人开始想知道他们是否可以利用科学 GPS 接收器中的回声。她开始研究从地面反射的信号频率，以及这些频率如何与直接到达接收器的信号相结合。从中，她可以推断出回声反弹的表面质量。“我们只是对这些回声进行了逆向工程，”拉森说。
这种方法使科学家能够了解 GPS 接收器下方的地面——例如土壤中包含多少水分，或者表面积累了多少积雪。（地面上的积雪越多，回声与接收器之间的距离就越短。）GPS 站可以用作雪传感器来测量积雪深度，例如在山区，积雪是每年的主要水资源。
该技术在北极和南极地区也很有效，这些地区很少有气象站全年监测降雪。现在在科罗拉多州戈尔登市矿业学院的马特·西格弗里德和他的同事研究了 2007 年至 2017 年南极洲西部 23 个 GPS 站的积雪情况。他们发现他们可以直接测量变化的积雪。这对于希望评估南极冰盖每年冬天积聚多少积雪以及这与每年夏天融化多少积雪进行比较的研究人员来说至关重要。
4. 感知下沉
GPS 最初可能是测量固体地面位置的一种方式，但事实证明它在监测水位变化方面也很有用。
7 月，科罗拉多州博尔德市 UNAVCO 地球物理研究组织的工程师约翰·加莱茨卡发现自己正在孟加拉国恒河和布拉马普特拉河交汇处安装 GPS 站。目的是测量河流沉积物是否正在压实，以及陆地是否正在缓慢下沉——使其在热带气旋和海平面上升期间更容易受到洪水侵袭。“GPS 是一个很棒的工具，可以帮助回答这个问题以及更多问题，”加莱茨卡说。
在一个名为索纳塔拉的农业社区，位于红树林边缘，加莱茨卡和他的同事将一个 GPS 站放置在一所小学的混凝土屋顶上。他们在附近设置了第二个站点，位于插入稻田的杆子上。如果地面真的在下沉，那么第二个 GPS 站看起来就像是慢慢从地面升起。通过测量站点下方的 GPS 回波，科学家可以测量诸如雨季稻田中积水多少等因素。
GPS 接收器甚至可以通过充当潮汐仪来帮助海洋学家和海员。拉森在 使用来自阿拉斯加卡切马克湾的 GPS 数据时偶然发现了这一点。该站的建立是为了研究构造变形，但拉森很好奇，因为海湾也拥有美国最大的潮汐变化。她查看了从水面反弹到接收器的 GPS 信号，并且能够像附近港口的真实潮汐仪一样准确地跟踪潮汐变化。
这可能对世界上没有长期潮汐仪设置但恰好附近有 GPS 站点的地区很有帮助。
5. 分析大气
最后，GPS 可以梳理出有关高空天空的信息，这在几年前科学家们还认为是不可能的。水蒸气、带电粒子和其他因素可能会延迟 GPS 信号穿过大气层，这使研究人员能够做出新的发现。
一组科学家使用 GPS 研究大气中可降水为雨或雪的水蒸气量。研究人员已使用这些变化来计算在倾盆大雨中可能从天而降的水量，从而使预报员能够 微调他们对山洪暴发的预测，例如在南加州。在 2013 年 7 月的一场风暴中，气象学家使用 GPS 数据来跟踪季风湿气在那里向陆地移动，事实证明，这是在山洪暴发前 17 分钟发出警告的关键信息。
当 GPS 信号穿过上层大气中带电的部分（称为电离层）时，也会受到影响。科学家们已使用 GPS 数据 跟踪海啸在下方海洋中奔涌时电离层的变化。（海啸的力量会在大气中产生变化，并一直传播到电离层。）这项技术有一天可能会补充传统的海啸预警方法，该方法使用散布在海洋中的浮标来测量行进波浪的高度。
科学家们甚至能够使用 GPS 研究日全食的影响。在 2017 年 8 月，他们使用了遍布美国的 GPS 站来测量 当月球阴影掠过大陆时，高层大气中的电子数量是如何下降的，从而使原本产生电子的光线变暗。
因此，GPS 对于从你脚下的地面震动到从天而降的雪花，一切都很有用。对于原本只是为了帮助你在城市中找到方向的东西来说，这还不错。
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是 Annual Reviews 的一项独立新闻事业。注册 新闻通讯。