بدأت الحكومة الأمريكية مشروع الGPS “نظام تحديد المواقع العالمي في عام 1973″، وأصبح النظام يعمل بشكل كامل في عام 1995.
قد تعتقد أن جميع ما يقوم به هذا النظام هو تحديد المواقع، لكن من المحتمل أن تظل متفاجئًا من كل الأشياء التي يمكن لنظام GPS القيام بها.
يتكون نظام GPS من 27 قمر صناعي تحوم حول الأرض (24 في العملية وثلاثة في حالة فشل واحد) على ارتفاع حوالي 19300 كيلو متر، التي ترسل إشارات إلى سطح الأرض.
يحدد GPS أربعة مواقع أو أكثر من هذه الأقمار الصناعية ويحدد المسافة إلى كل منها، ويستخدم هذه المعلومات لاستنتاج موقعه الخاص.
اكتشف الباحثون أن نظام تحديد المواقع العالمي GPS يمكن أن يخبرهم عن الكوكب أكثر بكثير مما اعتقدوا في البداية.
خلال العقد الماضي، سمحت أجهزة GPS الأسرع والأكثر دقة للعلماء بإلقاء الضوء على كيفية تحرك الأرض أثناء الزلازل الكبيرة. لقد أدى نظام تحديد المواقع العالمي GPS إلى أنظمة إنذار أفضل للكوارث الطبيعية مثل الفيضانات المفاجئة والانفجارات البركانية.
وقد قام الباحثون بتحويل بعض أجهزة استقبال GPS إلى أجهزة استشعار للثلوج وأجهزة قياس المد وغيرها من الأدوات غير المتوقعة لقياس الأرض.
تقول كريستين لارسون «Kristine Larson» عالمة الجيوفيزياء بجامعة كولورادو بولدر «Colorado Boulder» التي قادت العديد من الاكتشافات حول علوم الأرض والكواكب وكتبت عنها في التقرير السنوي لعام 2019: “اعتقد الناس أنني كنت مجنونة عندما بدأت الحديث عن هذه التطبيقات، لكن اتضح أننا كنا قادرين على القيام بذلك.”
فيما يلي بعض الأشياء المدهشة التي أدركها العلماء مؤخرًا يمكنهم القيام بها باستخدام GPS.
- الشعور بالزلازل:
منذ قرون، اعتمد علماء الجيولوجيا على مقاييس الزلازل، التي تقيس مقدار اهتزاز الأرض، لتقييم حجم الزلزال ومدى ضرره. لكن أجهزة استقبال GPS خدمت غرضًا مختلفًا، لتتبع العمليات الجيولوجية التي تحدث على نطاقات أبطأ بكثير، مثل المعدل الذي تطحن فيه ألواح القشرة الأرضية بعضها البعض في العملية المعروفة باسم تكتونية الصفائح؛ لذلك قد يخبر نظام تحديد المواقع العالمي GPS العلماء بالسرعة التي تتسلل فيها الأطراف المقابلة لصدع سان أندرياس، بينما تقيس أجهزة قياس الزلازل اهتزاز الأرض عندما ينفجر اهتزاز كاليفورنيا هذا في زلزال.
يعتقد معظم الباحثين أن GPS لا يمكنه قياس المواقع بدقة كافية، وبسرعة كافية، لتكون مفيدة في تقييم الزلازل، لكن اتضح أنه يمكن للعلماء ضغط معلومات إضافية من الإشارات التي ترسلها أقمار GPS إلى الأرض.
في عام 2003، في واحدة من الدراسات الأولى من نوعها، استخدمت لارسون وزملاؤها مستقبلات GPS المرصودة في جميع أنحاء غرب الولايات المتحدة لدراسة كيف تحولت الأرض عندما انتشرت موجات زلزالية من زلزال بلغت قوته 7.9 درجة في ألاسكا.
بحلول عام 2011، تمكن الباحثون من الحصول على بيانات GPS عن الزلزال الذي بلغت قوته 9.1 درجة والذي دمر اليابان وأظهر أن قاع البحر قد تحول بسرعة مذهلة إلى 60 مترًا خلال الزلزال.
قام دييغو ميلجار «Diego Melgar» من جامعة أوريجون في يوجين وجافين هايز «Gavin Hayes» من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية في جولدن بولاية كولورادو بدراسة 12 زلزالًا كبيرًا لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم معرفة ما إذا كان من الممكن أن يعرفوا في غضون ثوانٍ من بداية الزلزال، من خلال تضمين معلومات من محطات GPS بالقرب من بؤر الزلازل، يمكن للعلماء أن يحددوا في غضون 10 ثوان ما إذا كان الزلزال سيكون قوته مدمرة “7” أو كمدمرة تمامًا “9”.
- مراقبة بركان:
العديد من مراصد البراكين تحتوي على مستقبلات GPS موزعة حول الجبال التي يراقبونها، يمكن للباحثين الحصول على فكرة أفضل عن المكان الذي تتدفق فيه الصخور المنصهرة، من خلال مراقبة كيفية ارتفاع أو نزول محطات GPS حول البركان مع مرور الوقت.
قبل ثوران بركان كيلوا في هاواي في العام الماضي، استخدم الباحثون نظام تحديد المواقع العالمي GPS لفهم أجزاء البركان التي كانت تتحول بسرعة أكبر. استخدم المسؤولون تلك المعلومات للمساعدة في تحديد المناطق التي سيتم إجلاء السكان منها.
يمكن أن تكون بيانات GPS مفيدة أيضًا حتى بعد انفجار البركان. نظرًا لأن الإشارات تنتقل من الأقمار الصناعية إلى الأرض، فيجب عليها المرور عبر أي مادة يخرجها البركان في الهواء.
في عام 2013، درست مجموعات بحثية عديدة بيانات GPS من ثوران بركان «Redoubt» في ألاسكا قبل أربع سنوات ووجدت أن الإشارات أصبحت مشوهة بعد وقت قصير من بدء الانفجار.
من خلال دراسة التشوهات، يمكن للعلماء تقدير كمية الرماد التي خرجت ومدى سرعة انتقالها في دراسة تالية، أطلقت عليها لارسون “طريقة جديدة لاكتشاف الأعمدة البركانية”.
تعمل هي وزملاؤها على طرق للقيام بذلك مع أجهزة استقبال GPS متنوعة للهواتف الذكية بدلًا من أجهزة الاستقبال العلمية باهظة الثمن، يمكن أن يتيح ذلك لعلماء البراكين إنشاء شبكة GPS غير مكلفة نسبيًا ومراقبة أعمدة الرماد أثناء صعودها.
تشكل الأعمدة البركانية مشكلة كبيرة بالنسبة للطائرات، التي يتعين عليها أن تطير حول الرماد بدلًا من المخاطرة بتسبب انسداد الجزيئات في محركاتها النفاثة.
- جهاز استشعار للثلوج:
يلتقط جهاز الاستقبال GPS المعتاد مثل الذي في هاتفك الذكي إشارات تأتي مباشرة من أقمار GPS الصناعية، ولكنه يلتقط أيضًا الإشارات التي ارتدت على الأرض التي تسير عليها وتنعكس على هاتفك الذكي.
لقد اعتقد العلماء لسنوات عديدة أن هذه الإشارات المنعكسة ليست سوى ضوضاء، وهو نوع من الصدى الذي عكّر البيانات وجعل من الصعب معرفة ما يجري، ولكن منذ حوالي 15 عامًا، بدأت لارسون وآخرون يتساءلون عما إذا كان بإمكانهم الاستفادة من أصداء مستقبلات GPS العلمية.
بدأت تبحث في ترددات الإشارات التي تنعكس على الأرض وكيف تقترن تلك الإشارات التي وصلت مباشرة إلى المتلقي، ومن هذا المنطلق، يمكنها أن تستنتج صفات السطح التي ارتدتها الأصداء.
يسمح هذا النهج للعلماء بالتعرف على الأرض الموجودة أسفل مستقبل GPS، على سبيل المثال مقدار الرطوبة الموجودة في التربة أو كمية الثلج المتراكمة على السطح كلما زاد تساقط الثلوج على الأرض، كانت المسافة بين الصدى وجهاز الاستقبال أقصر يمكن لمحطات GPS أن تعمل كجهاز استشعار للثلوج لقياس عمق الثلوج، كما هو الحال في المناطق الجبلية حيث تشكل الثلوج موردًا رئيسيًا للمياه كل عام.
تعمل هذه التقنية أيضًا بشكل جيد في القطب الشمالي والقطب الجنوبي، حيث يوجد عدد قليل من محطات الطقس التي تراقب تساقط الثلوج على مدار العام. درس مات سيجفريد »Matt Siegfried» -الذي يعمل الآن في مدرسة كولورادو للمناجم في جولدن وزملاؤه- تراكم الثلوج في 23 محطة GPS في غرب القارة القطبية الجنوبية من 2007 إلى 2017، وقد وجدوا أن بإمكانهم قياس الثلوج المتغيرة مباشرة.
- الشعور بالغرق:
في شهر يوليو، وجد جون جاليتزكا «John Galetzka» وهو مهندس في منظمة أبحاث الجيوفيزياء التابعة لـ «UNAVCO» في بولدر، كولورادو نفسه يقوم بتركيب محطات GPS في بنجلاديش، عند تقاطع نهري الجانج وبرامابوترا. كان الهدف هو قياس ما إذا كانت الرواسب النهرية تتراكم وتغمر الأرض ببطء؛ مما يجعلها أكثر عرضة للفيضانات خلال الأعاصير المدارية وارتفاع مستوى سطح البحر. يقول جاليتزكا:”نظام تحديد المواقع هو أداة رائعة للمساعدة في الإجابة على هذا السؤال وأكثر من ذلك.”
في مجتمع زراعي يدعى سوناتالا «Sonatala»، على حافة غابة المنجروف، وضع جاليتزكا «Galetzka» وزملاؤه محطة GPS واحدة على السطح الخرساني لمدرسة ابتدائية، أقاموا محطة ثانية في الجوار، فوق قضيب مطروق في حقل الأرز، إذا كانت الأرض تغرق حقًا، فإن محطة GPS الثانية ستبدو وكأنها تخرج ببطء من الأرض، ومن خلال قياس أصداء GPS الموجودة أسفل المحطات، يمكن للعلماء قياس عوامل مثل كمية المياه الموجودة في حقل الأرز خلال موسم الأمطار.
يمكن أن تساعد أجهزة استقبال GPS أيضًا علماء المحيطات والبحارة، من خلال العمل كمقاييس للمد والجزر، قد يكون ذلك مفيدًا في أجزاء من العالم لا توجد بها مقاييس للمد والجزر طويلة الأجل. - تحليل الغلاف الجوي:
يستخدم مجموعة من العلماء نظام تحديد المواقع العالمي GPS لدراسة كمية بخار الماء في الجو المتاح للترسيب في صورة مطر أو ثلج.
استخدم الباحثون هذه التغييرات لحساب كمية المياه التي يحتمل أن تسقط من السماء في هيئة أمطار غزيرة، مما يسمح للمتنبئين بضبط توقعاتهم للفيضانات المفاجئة في أماكن مثل جنوب كاليفورنيا.
خلال عاصفة في يوليو 2013، استخدم خبراء الأرصاد بيانات نظام تحديد المواقع العالمي GPS لتتبع الرطوبة الموسمية التي تتحرك على الشاطيء هناك، والتي تحولت إلى معلومات مهمة لإصدار تحذير قبل 17 دقيقة من حدوث الفيضانات المفاجئة.
وقد تمكن العلماء من دراسة آثار الكسوف الشمسي الكلي باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي GPS في أغسطس2017، حيث استخدموا محطات GPS في جميع أنحاء الولايات المتحدة لقياس كيفية انخفاض عدد الإلكترونات في الغلاف الجوي العلوي مع تحرك ظل القمر عبر القارة، مما يعتم الضوء الذي أحدث الإلكترونات.
لذا فإن نظام تحديد المواقع مفيد لكل شيء بدءًا من الاهتزاز الأرضي تحت قدميك والثلوج المتساقطة من السماء.
ليس سيئًا لشيء كان من المفترض أن يساعدك في العثور على طريقك عبر المدينة.
كتابة: شيماء وصفي
مراجعة: سمية عبد القوي
تصميم: أمنية عبد الفتاح
تحرير: زينب أحمد
