Vous pourriez penser que vous êtes un expert dans la navigation dans le trafic urbain, votre smartphone à vos côtés. Vous pourriez même faire de la randonnée avec unAppareil GPSpour trouver votre chemin à travers l'arrière-pays. Mais vous seriez probablement encore surpris de tout ce quiGPS— le système de positionnement global qui est à la base de toute la navigation moderne — peut le faire.
GPSse compose d’une constellation de satellites qui envoient des signaux à la surface de la Terre. Un basiqueRécepteur GPS, comme celui de votre smartphone, détermine où vous vous trouvez (à environ 1 à 10 mètres près) en mesurant l'heure d'arrivée des signaux provenant de quatre satellites ou plus. Avec plus chic (et plus cher)Récepteurs GPS, les scientifiques peuvent localiser leur emplacement à quelques centimètres, voire millimètres près. En utilisant ces informations fines, ainsi que de nouvelles façons d’analyser les signaux, les chercheurs découvrent que le GPS peut leur en dire bien plus sur la planète qu’ils ne le pensaient au départ.
Au cours de la dernière décennie, plus rapide et plus précisAppareils GPSont permis aux scientifiques d'éclairer la façon dont le sol bouge lors de grands tremblements de terre.GPSa conduit à de meilleurs systèmes d’alerte pour les catastrophes naturelles telles que les crues soudaines et les éruptions volcaniques. Et les chercheurs ont même découvert MacGyverRécepteurs GPSpour agir comme des capteurs de neige, des marégraphes et d'autres outils inattendus pour mesurer la Terre.
«Les gens pensaient que j'étais fou quand j'ai commencé à parler de ces applications», explique Kristine Larson, géophysicienne à l'Université du Colorado à Boulder, qui a dirigé de nombreuses découvertes et a écrit à leur sujet dans la Revue annuelle 2019 des sciences de la Terre et des planètes. "Eh bien, il s'est avéré que nous étions capables de le faire."
Voici quelques choses surprenantes que les scientifiques ont récemment réalisé qu'elles pourraient faire avecGPS.
1. SENTIR UN TREMBLEMENT DE TERRE
Pendant des siècles, les géoscientifiques se sont appuyés sur des sismomètres, qui mesurent l’ampleur des secousses du sol, pour évaluer l’ampleur et la gravité d’un tremblement de terre.GPSLes récepteurs avaient un objectif différent : suivre les processus géologiques qui se produisent à des échelles beaucoup plus lentes, comme la vitesse à laquelle les grandes plaques crustales de la Terre se frottent les unes contre les autres dans le processus connu sous le nom de tectonique des plaques. DoncGPSpourrait indiquer aux scientifiques la vitesse à laquelle les côtés opposés de la faille de San Andreas se croisent, tandis que les sismomètres mesurent les secousses du sol lorsque cette faille californienne se rompt lors d'un séisme.
La plupart des chercheurs pensaient queGPSne pouvait tout simplement pas mesurer les emplacements avec suffisamment de précision et assez rapidement pour être utile dans l’évaluation des tremblements de terre. Mais il s’avère que les scientifiques peuvent extraire des informations supplémentaires des signaux que les satellites GPS transmettent à la Terre.
Ces signaux arrivent en deux composantes. L'une est la série unique de uns et de zéros, connue sous le nom de code, que chaqueGPStransmissions par satellite. Le second est un signal « porteur » de longueur d’onde plus courte qui transmet le code du satellite. Étant donné que le signal porteur a une longueur d’onde plus courte (à peine 20 centimètres) par rapport à la longueur d’onde plus longue du code, qui peut atteindre des dizaines ou des centaines de mètres, le signal porteur offre un moyen haute résolution de localiser un point à la surface de la Terre. Les scientifiques, les géomètres, les militaires et autres ont souvent besoin d’une localisation GPS très précise, et tout ce qu’il faut, c’est un récepteur GPS plus complexe.
Les ingénieurs ont également amélioré la vitesse à laquelleGPSles récepteurs mettent à jour leur emplacement, ce qui signifie qu'ils peuvent se rafraîchir jusqu'à 20 fois par seconde ou plus. Une fois que les chercheurs ont réalisé qu’ils pouvaient prendre des mesures précises si rapidement, ils ont commencé à utiliser le GPS pour examiner les mouvements du sol lors d’un tremblement de terre.
En 2003, dans l'une des premières études de ce type, Larson et ses collègues ont utilisé des récepteurs GPS répartis dans tout l'ouest des États-Unis pour étudier comment le sol s'est déplacé lorsque les ondes sismiques se sont propagées à la suite d'un tremblement de terre de magnitude 7,9 en Alaska. En 2011, les chercheurs ont pu recueillir des données GPS sur le séisme de magnitude 9,1 qui a dévasté le Japon et montrer que le fond marin s'était déplacé de 60 mètres pendant le séisme.
Aujourd’hui, les scientifiques s’intéressent plus largement à la façon dontDonnées GPSpeut les aider à évaluer rapidement les tremblements de terre. Diego Melgar de l'Université de l'Oregon à Eugene et Gavin Hayes de l'US Geological Survey à Golden, Colorado, ont étudié rétrospectivement 12 grands tremblements de terre pour voir s'ils pouvaient déterminer, quelques secondes après le début du séisme, quelle serait son ampleur. En incluant les informations des stations GPS situées à proximité des épicentres du séisme, les scientifiques ont pu déterminer en 10 secondes si le séisme serait d'une magnitude de 7 ou d'une magnitude de 9 complètement destructrice.
Des chercheurs de la côte ouest des États-Unis ont même intégréGPSdans leur tout nouveau système d’alerte précoce aux tremblements de terre, qui détecte les secousses du sol et informe les habitants des villes éloignées si des secousses sont susceptibles de les frapper bientôt. Et le Chili a développé sonGPSréseau afin d'avoir plus rapidement des informations plus précises, qui peuvent permettre de calculer si un séisme près de la côte est susceptible de générer ou non un tsunami.
2. SURVEILLER UN VOLCAN
Au-delà des tremblements de terre, la vitesse deGPSaide les autorités à réagir plus rapidement aux autres catastrophes naturelles à mesure qu'elles se produisent.
De nombreux observatoires de volcans, par exemple, disposentGPSdes récepteurs disposés autour des montagnes qu'ils surveillent, car lorsque le magma commence à se déplacer sous terre, cela entraîne souvent un déplacement de la surface également. En surveillant la façon dont les stations GPS autour d'un volcan montent ou descendent au fil du temps, les chercheurs peuvent avoir une meilleure idée de l'endroit où s'écoule la roche en fusion.
Avant la grande éruption du volcan Kilauea à Hawaï l’année dernière, les chercheurs ont utiliséGPSpour comprendre quelles parties du volcan se déplaçaient le plus rapidement. Les autorités ont utilisé ces informations pour décider des zones d’évacuation des résidents.
Données GPSpeut également être utile même après une éruption volcanique. Étant donné que les signaux voyagent des satellites vers le sol, ils doivent traverser les matériaux que le volcan éjecte dans les airs. En 2013, plusieurs groupes de recherche ont étudiéDonnées GPSd'une éruption du volcan Redoute en Alaska quatre ans plus tôt et a constaté que les signaux étaient déformés peu après le début de l'éruption.
En étudiant les distorsions, les scientifiques ont pu estimer la quantité de cendres rejetées et la vitesse à laquelle elles se déplaçaient. Dans un article ultérieur, Larson l’a qualifié de « nouvelle façon de détecter les panaches volcaniques ».
Elle et ses collègues ont travaillé sur les moyens d'y parvenir avec une variété de smartphones.Récepteurs GPSplutôt que des récepteurs scientifiques coûteux. Cela pourrait permettre aux volcanologues de mettre en place un réseau GPS relativement peu coûteux et de surveiller les panaches de cendres à mesure qu'ils montent. Les panaches volcaniques constituent un gros problème pour les avions, qui doivent voler autour des cendres plutôt que de risquer que les particules obstruent leurs moteurs à réaction.
3. SONDEZ LA NEIGE
Certaines des utilisations les plus inattendues deGPSproviennent des parties les plus désordonnées de son signal – les parties qui rebondissent sur le sol.
Un typiqueRécepteur GPS, comme celui de votre smartphone, capte principalement les signaux provenant directement deGPSsatellites au-dessus. Mais il capte également les signaux qui ont rebondi sur le sol sur lequel vous marchez et qui sont réfléchis sur votre smartphone.
Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont pensé que ces signaux réfléchis n’étaient que du bruit, une sorte d’écho qui brouille les données et rend difficile la compréhension de ce qui se passe. Mais il y a environ 15 ans, Larson et d’autres ont commencé à se demander s’ils pouvaient tirer parti des échos des récepteurs GPS scientifiques. Elle a commencé à examiner les fréquences des signaux réfléchis par le sol et la manière dont ceux-ci se combinaient avec les signaux arrivés directement au récepteur. Elle pouvait en déduire les qualités de la surface sur laquelle les échos avaient rebondi. «Nous avons simplement procédé à une rétro-ingénierie de ces échos», explique Larson.
Cette approche permet aux scientifiques de connaître le sol situé sous le récepteur GPS, par exemple la quantité d'humidité qu'il contient ou la quantité de neige accumulée à la surface. (Plus il tombe de neige au sol, plus la distance entre l'écho et le récepteur est courte.) Les stations GPS peuvent fonctionner comme des capteurs de neige pour mesurer la profondeur de la neige, comme dans les zones montagneuses où le manteau neigeux constitue chaque année une ressource en eau importante.
La technique fonctionne également bien dans l’Arctique et l’Antarctique, où il existe peu de stations météorologiques surveillant les chutes de neige toute l’année. Matt Siegfried, maintenant à la Colorado School of Mines à Golden, et ses collègues ont étudié l'accumulation de neige dans 23 stations GPS de l'Antarctique occidental de 2007 à 2017. Ils ont découvert qu'ils pouvaient mesurer directement l'évolution de la neige. Il s’agit d’informations cruciales pour les chercheurs qui souhaitent évaluer la quantité de neige que la calotte glaciaire de l’Antarctique accumule chaque hiver et la comparer à celle qui fond chaque été.
4. SENTIR UN NAUFRAGE
GPSIl s'agit peut-être au départ d'un moyen de mesurer l'emplacement sur un sol solide, mais il s'avère également utile pour surveiller les changements dans les niveaux d'eau.
En juillet, John Galetzka, ingénieur à l'organisme de recherche géophysique UNAVCO à Boulder, Colorado, s'est retrouvé à installer des stations GPS au Bangladesh, à la jonction du Gange et du Brahmapoutre. L’objectif était de mesurer si les sédiments de la rivière se compactent et si les terres s’enfoncent lentement, les rendant ainsi plus vulnérables aux inondations lors des cyclones tropicaux et à l’élévation du niveau de la mer. « Le GPS est un outil formidable qui permet de répondre à cette question et bien d'autres encore », déclare Galetzka.
Dans une communauté agricole appelée Sonatala, à la lisière d'une forêt de mangrove, Galetzka et ses collègues ont placé unGPSgare sur le toit en béton d'une école primaire. Ils ont installé une deuxième station à proximité, au sommet d'une tige enfoncée dans une rizière. Si le sol s’enfonce réellement, la deuxième station GPS aura l’air de sortir lentement du sol. Et en mesurant les échos GPS sous les stations, les scientifiques peuvent mesurer des facteurs tels que la quantité d'eau stagnante dans les rizières pendant la saison des pluies.
Récepteurs GPSpeuvent même aider les océanographes et les marins, en faisant office de marégraphes. Larson est tombé sur cela alors qu'il travaillait avec des données GPS de la baie de Kachemak, en Alaska. La station a été créée pour étudier la déformation tectonique, mais Larson était curieux car la baie présente également certaines des plus grandes variations de marée des États-Unis. Elle a examiné les signaux GPS qui rebondissaient sur l'eau jusqu'au récepteur, et a pu suivre les changements de marée presque aussi précisément qu'un véritable marégraphe dans un port voisin.
Cela pourrait être utile dans les régions du monde qui ne disposent pas de marégraphes à long terme, mais qui disposent néanmoins d’unStation GPS à proximité.
5. ANALYSER L'ATMOSPHÈRE
Enfin,GPSpeut extraire des informations sur le ciel au-dessus de nous, d’une manière que les scientifiques n’auraient pas cru possible il y a seulement quelques années. La vapeur d'eau, les particules chargées électriquement et d'autres facteurs peuvent retarder les signaux GPS traversant l'atmosphère, ce qui permet aux chercheurs de faire de nouvelles découvertes.
Un groupe de scientifiques utiliseGPSpour étudier la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère qui est disponible pour précipiter sous forme de pluie ou de neige. Les chercheurs ont utilisé ces changements pour calculer la quantité d’eau susceptible de tomber du ciel lors de pluies torrentielles, permettant ainsi aux prévisionnistes d’affiner leurs prévisions de crues soudaines dans des endroits comme la Californie du Sud. Lors d'une tempête en juillet 2013, les météorologues ont utiliséGPSdes données permettant de suivre l'humidité de la mousson se déplaçant vers la côte, ce qui s'est avéré être une information cruciale pour émettre un avertissement 17 minutes avant que les crues soudaines ne surviennent.
Signaux GPSsont également affectés lorsqu’ils traversent la partie chargée électriquement de la haute atmosphère, connue sous le nom d’ionosphère. Les scientifiques ont utiliséDonnées GPSpour suivre les changements dans l'ionosphère alors que les tsunamis traversent l'océan en contrebas. (La force du tsunami produit des changements dans l'atmosphère qui se répercutent jusqu'à l'ionosphère.) Cette technique pourrait un jour compléter la méthode traditionnelle d'alerte aux tsunamis, qui utilise des bouées disséminées à travers l'océan pour mesurer la hauteur de la vague progressive. .
Et les scientifiques ont même pu étudier les effets d’une éclipse solaire totale en utilisantGPS. En août 2017, ils ont utiliséStations GPSà travers les États-Unis pour mesurer la façon dont le nombre d’électrons dans la haute atmosphère diminuait à mesure que l’ombre de la lune se déplaçait à travers le continent, atténuant la lumière qui créait autrement les électrons.
DoncGPSest utile pour tout, depuis le sol qui tremble sous vos pieds jusqu'à la neige qui tombe du ciel. Pas mal pour quelque chose qui était juste censé vous aider à vous frayer un chemin à travers la ville.
Cet article a été initialement publié dans Knowable Magazine, un effort journalistique indépendant d'Annual Reviews. Inscrivez-vous à la newsletter.
