英國南極調查局使用的南極野外營地。右側的三腳架裝有基站 GPS 天線。

圖源：蓋蒂圖片社

您可能認為自己是城市交通導航方面的專家，智慧手機就在您身邊。您甚至可以使用 GPS 裝置徒步穿越偏遠地區。但是您可能仍然會對 GPS（現代導航的基礎的全球定位系統）所能做的所有事情感到驚訝。

GPS 由一組向地球表面傳送訊號的衛星組成。一個基本的 GPS 接收器，比如智慧手機中的接收器，透過測量來自四顆或更多衛星的訊號的到達時間來確定您的位置——大約在 1 到 10 米之內。使用更高階（也更昂貴）的 GPS 接收器，科學家們可以精確定位到釐米甚至毫米的位置。使用這些細粒度的資訊以及分析訊號的新方法，研究人員發現GPS 可以告訴他們關於地球的更多資訊，這比他們原先認為的要多得多。

在過去十年中，更快、更準確的 GPS 裝置使科學家能夠闡明大地震期間地面的移動方式。GPS 已經為自然災害（如山洪暴發和火山爆發）帶來了更好的預警系統。研究人員甚至將一些 GPS 接收器用作雪感測器、潮汐計和其他用於測量地球的意外工具。

“當我開始談論這些應用時，人們認為我瘋了，”科羅拉多大學博爾德分校的地球物理學家 Kristine Larson 說，她領導了許多發現，並在 2019 年地球和行星科學年度評論中寫道。“嗯，事實證明我們能夠做到。”

以下是科學家們最近才意識到他們可以用 GPS 做的一些令人驚訝的事情。

圖片來源：Knowable 雜誌；來源 UNAVCO

1.感受地震

幾個世紀以來，地球科學家一直依靠地震儀來測量地面震動的程度，以評估地震的強度和嚴重程度。GPS 接收器有一個不同的目的——跟蹤發生在更慢尺度上的地質過程，例如地球大地殼板塊在被稱為板塊構造的過程中相互磨削的速度。因此，GPS 可能會告訴科學家聖安德烈亞斯斷層相對兩側相互掠過的速度，而地震儀則可以測量加利福尼亞斷層在地震中破裂時的地面震動。

大多數研究人員認為，GPS 根本無法足夠準確和快速地測量位置，無法用於評估地震。但事實證明，科學家可以從 GPS 衛星傳輸到地球的訊號中提取額外的資訊。

這些訊號分為兩個部分。一個是獨特的 1 和 0 序列，稱為程式碼，由每個 GPS 衛星傳輸。第二個是較短波長的“載波”訊號，它從衛星傳輸程式碼。由於載波訊號的波長較短（僅 20 釐米），而程式碼的波長較長（可能為數十或數百米），因此載波訊號提供了一種高解析度方式來精確定位地球表面上的一個點。科學家、測量員、軍隊和其他人員通常需要非常精確的 GPS 位置，而只需要一個更復雜的 GPS 接收器。

工程師還提高了 GPS 接收器更新位置的速度，這意味著它們可以每秒重新整理 20 次或更多。一旦研究人員意識到他們可以如此快速地進行精確測量，他們就開始使用 GPS 來檢查地震期間地面是如何移動的。

2003 年，在同類研究中，拉森和她的同事們使用遍佈美國西部的 GPS 接收器來研究地面如何隨著阿拉斯加 7。9 級地震產生的地震波而發生變化。到 2011 年，研究人員能夠獲取摧毀日本的 9。1 級地震的 GPS 資料，並表明海底在地震期間發生了驚人的 60 米位移。

今天，科學家們正在更廣泛地研究 GPS 資料如何幫助他們快速評估地震。俄勒岡大學尤金分校的 Diego Melgar 和科羅拉多州戈爾登市美國地質調查局的 Gavin Hayes 回顧性研究了 12 次大地震，看他們是否能在地震開始的幾秒鐘內判斷地震會發生多大。透過包括來自地震震中附近的 GPS 站的資訊，科學家們可以在 10 秒內確定地震是破壞性的 7 級還是完全破壞性的 9 級。

美國西海岸的研究人員甚至已經將 GPS 整合到他們剛剛起步的地震預警系統中，該系統可以檢測地面震動並通知遠處城市的人們是否很快就會發生震動。和智利已建立了它的GPS網路才能有更準確的資訊更快速，可幫助計算海岸附近的一個地震是否可能產生海嘯與否。

圖片來源：Knowable 雜誌；來源 UNAVCO 和 GPS 反射研究組

2. 監測火山

除了地震之外，GPS 的速度還幫助官員在其他自然災害發生時更快地做出反應。

例如，許多火山觀測站都在他們監測的山脈周圍安裝了 GPS 接收器，因為當岩漿開始向地下移動時，通常會導致地表移動。透過監測火山周圍的 GPS 站如何隨著時間的推移上升或下降，研究人員可以更好地瞭解熔岩流動的位置。

在去年夏威夷基拉韋厄火山大爆發之前，研究人員使用 GPS瞭解火山的哪些部分變化最快。官員們利用這些資訊來幫助決定從哪些地區疏散居民。

即使在火山噴發之後，GPS 資料也很有用。因為訊號從衛星傳輸到地面，所以它們必須穿過火山噴射到空中的任何物質。2013 年，幾個研究小組研究了四年前阿拉斯加堡壘火山噴發的 GPS 資料，發現訊號在噴發開始後不久就失真了。

透過研究這些扭曲，科學家們可以估計噴出多少灰燼以及它的傳播速度。在隨後的一篇論文中，拉森稱其為“一種探測火山羽流的新方法”。

她和她的同事一直在研究如何使用智慧手機型別的 GPS 接收器而不是昂貴的科學接收器來做到這一點。這可以讓火山學家建立一個相對便宜的 GPS 網路，並在火山灰羽上升時對其進行監測。火山羽流對飛機來說是一個大問題，飛機必須繞著火山灰飛行，而不是冒著顆粒堵塞噴氣發動機的風險。

3. 探雪

GPS 的一些最出人意料的用途來自其訊號中最混亂的部分——從地面反彈的部分。

典型的 GPS 接收器，例如智慧手機中的接收器，主要接收直接來自頭頂 GPS 衛星的訊號。但它也會收集在您行走的地面上反彈並反射到您的智慧手機的訊號。

多年來，科學家們一直認為這些反射訊號只不過是噪音，一種使資料變得混亂的回聲，很難弄清楚發生了什麼。但大約 15 年前，拉森和其他人開始懷疑他們是否可以利用科學 GPS 接收器中的回聲。她開始研究從地面反射的訊號的頻率，以及這些訊號如何與直接到達接收器的訊號結合。從中她可以推斷出回聲反彈的表面的質量。“我們只是對這些回聲進行了逆向工程，”拉森說。

這種方法使科學家能夠了解 GPS 接收器下方的地面——例如土壤中含有多少水分或地表積雪了多少。（地面上的雪越多，回波和接收器之間的距離越短。）GPS 站可以作為雪感測器來測量雪深，例如在每年積雪是主要水資源的山區。

該技術在北極和南極洲也很有效，那裡幾乎沒有全年監測降雪的氣象站。馬特·齊格弗裡德 （Matt Siegfried） 和他的同事們研究了 2007 年至 2017 年間南極洲西部 23 個 GPS 站的積雪情況。他們發現他們可以直接測量不斷變化的積雪。對於希望評估南極冰蓋每年冬天積雪量以及與每年夏天融化的雪量進行比較的研究人員來說，這是至關重要的資訊。

4.感覺下沉

GPS 最初可能是作為一種在堅實地面上測量位置的方法，但事實證明它在監測水位變化方面也很有用。

7 月，位於科羅拉多州博爾德的 UNAVCO 地球物理研究組織的工程師約翰·加萊茨卡 （John Galetzka） 發現自己在孟加拉國的恆河和布拉馬普特拉河的交匯處安裝了 GPS 站。目標是測量河流沉積物是否正在壓實以及土地是否正在緩慢下沉——使其在熱帶氣旋和海平面上升期間更容易受到洪水的影響。“GPS 是一個了不起的工具，可以幫助回答這個問題以及更多問題，”Galezka 說。

在紅樹林邊緣的一個名為 Sonatala 的農業社群，Galetzka 和他的同事在一所小學的混凝土屋頂上放置了一個 GPS 站。他們在附近設立了第二個站點，在一根錘入稻田的杆子上。如果地面真的在下沉，那麼第二個 GPS 站看起來就像是從地面慢慢浮出水面。透過測量站下方的 GPS 回波，科學家們可以測量諸如雨季稻田中有多少水等因素。

GPS 接收器甚至可以透過充當潮汐計來幫助海洋學家和海員。Larson在處理阿拉斯加 Kachemak 灣的 GPS 資料時偶然發現了這一點。該站的建立是為了研究構造變形，但 Larson 很好奇，因為該海灣也有一些美國最大的潮汐變化。她查看了從水面反射到接收器的 GPS 訊號，並且能夠像附近港口的真實潮汐計一樣準確地跟蹤潮汐變化。

這在世界上沒有設定長期潮汐計的地區可能會有所幫助，但附近恰好有一個 GPS 站。

5. 分析氣氛

最後，GPS 可以以科學家們直到幾年前才認為可能的方式梳理出有關頭頂天空的資訊。水蒸氣、帶電粒子和其他因素會延遲 GPS 訊號在大氣中的傳播，這使研究人員能夠做出新的發現。

一組科學家使用 GPS 來研究大氣中可作為雨或雪沉澱出來的水蒸氣量。研究人員利用這些變化來計算在傾盆大雨中可能從天而降的水量，使預報員能夠微調他們對南加州等地的山洪暴發的預測。在 2013 年 7 月的一場風暴中，氣象學家使用 GPS 資料跟蹤向陸上移動的季風水分，結果證明這是在山洪暴發前 17 分鐘釋出警告的關鍵資訊。

GPS 訊號在穿過上層大氣帶電部分（稱為電離層）時也會受到影響。科學家們使用 GPS 資料來跟蹤海嘯橫掃下方海洋時電離層的變化。（海嘯的力量在大氣層中產生變化，一直延伸到電離層。）這種技術有朝一日可以補充傳統的海嘯預警方法，即使用散佈在海洋上的浮標來測量行波的高度。

科學家們甚至能夠使用 GPS 研究日全食的影響。2017 年 8 月，他們使用美國各地的 GPS 站來測量當月球陰影穿過大陸時高層大氣中的電子數量如何下降，從而使原本產生電子的光線變暗。

因此，從腳下的地面震動到從天而降的雪，GPS 對任何事情都很有用。對於本來應該幫助您找到穿越城鎮的路的東西來說還不錯。

作者：Alexandra Witze

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