GPS，不只是導航

藍色天

如果說全球定位系統（GPS）是一項偉大的發明，你應該沒有什么異議吧，智能手機上有了GPS，你可以自信地前往任何地方，好像自己本身就是一個“活地圖”。但是你知道嗎？除了導航之外，GPS還有不少的隱藏功能，而且這些功能具有很大的價值。

GPS由一組向地球表面發送信號的衛星組成，太空中不同方位的4顆或更多顆衛星同時向你手中的接收器發射信號，通過測量這些信號到達的時間差來確定你所處的位置。GPS的隱藏功能也由此而來。

天災不怕了

2003年，美國科羅拉多大學博爾德分校的地質學家克里斯蒂娜·拉森在研究北美阿拉斯加7.9級地震的地震波波形時，意外發現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，由此啟發了人們用GPS來預警地震的想法。

用GPS來預警地震有很大的優勢，如今全球都已經覆蓋了GPS衛星，監測幾乎是360度無死角;GPS發射的微波波長只有20厘米，能量和精確度都比較高;GPS接收器更新目標位置的速度也很快，每秒可以更新20次以上。也就是說，當人們將需要定位的位置設為震中或板塊運動的邊緣處時，就可以實時監控地震期間地面是如何移動的。

GPS還能幫助我們監控其他自然災害，比如地震的“孿生兄弟”――火山噴發。

為什么說火山是地震的“孿生兄弟”？因為地震時，地表的劇烈移動會讓火山的巖漿也“蠢蠢欲動”。火山爆發前，當巖漿向地下移動時，通常也會導致地表移動。與監測地震時的地表運動相似，通過監測火山周圍的地表運動狀況，研究人員可以了解到巖漿和熔融巖石的流動情況。

2018年，夏威夷基拉韋厄火山大爆發之前，研究人員使用GPS監控到火山的哪個部分移動最快，政府利用這些信息做出了從哪些地區疏散居民和游客的決定。

噪音有用處

我們導航時常用的GPS接收器主要接收天上的GPS衛星發射的信號但是不可避免地，衛星發射的微波會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歸為噪音，通過強化衛星直接發射的微波來弱化噪音的影響。但后來，科學家發現，這類噪音也有作用。

2005年，拉森開始觀察地面反射的信號頻率，并嘗試將反射信號和直接到達接收器的信號分離開來。她發現，通過分析反射信號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測量積雪深度。

現在，這個方法已經在北極和南極運用起來了。美國科羅拉多礦業學院的地質學家馬特·齊格弗里德運用西南極洲的23個GPS站的數據，分析了2007年到2017年的積雪情況。兩極沒有建立任何氣象監測站，科學家們找不到這些年的氣象報告，但有了這個方法，他們可以分析出兩極年降雪量的變化了。通過比較年降雪量的變化，可以評估全球變暖的影響，再與兩極每年融化的雪量一對比，兩極冰蓋還能再支撐多少年，也有了更可信的預測數據。

天上有變化

大氣中的水蒸氣、帶電粒子和其他物質同樣會影響GPS信號在大氣中的傳播，這使得研究人員有了新的發現。

通過GPS來計算大氣中的水蒸氣量，可以預測降水量。2013年7月，加州理工學院的氣象學家安吉林·穆爾利用GPS數據跟蹤了大氣中一股足以形成暴雨的水汽的移動軌跡。當他發現這股水汽從海洋向山地移動時，他及時向山民提出了示警。17分鐘后，山洪爆發。

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信號在穿過電離層時會被散射和折射，傳遞方向和速度也會受到影響，科學家們可以利用GPS的數據來跟蹤電離層的變化。而海嘯發生時產生的巨大力量會導致電離層的粒子運動加速，帶電情況發生改變，也就是說當GPS檢測到電離層發生變化時，很可能預示著海嘯即將發生。

科學家運用這個方法成功預測了2006年俄羅斯千島群島、2011年日本東北町和2012年加拿大海達瓜伊島的3次海嘯。

科學家甚至能夠利用GPS研究日全食的影響。2017年8月，美國國家地球物理研究所的研究人員使用美國各地的GPS站的數據，計算了電離層的電子數量的變化，他們發現，當月球遮擋太陽光時，電離層的電子數量會大幅下降，將影響包插GPS信號內的所有電磁波信號的接收。

當你在茂密森林、冰天雪地和狂風暴雨中使用GPS時，也許會聽到“GPS信號弱”的提示，這是因為周圍存在許多阻擋信號的東西和接收到很多干擾噪音，但你不會知道，原來這些干擾我們導航的“聲音”中，竟然藏著這么多信息。

（一二三摘自《大科技·科學之謎》

2020年6期）