Potresti pensare di essere un esperto nel destreggiarti nel traffico cittadino, con lo smartphone al fianco. Potresti persino fare un’escursione con un dispositivo GPS per trovare la strada attraverso l’entroterra. Ma probabilmente rimarrai comunque sorpreso da tutte le cose che il GPS, il sistema di posizionamento globale che è alla base di tutta la navigazione moderna, può fare.
Il GPS è costituito da una costellazione di satelliti che inviano segnali alla superficie terrestre. Un ricevitore GPS di base, come quello del tuo smartphone, determina dove ti trovi, entro circa 1-10 metri, misurando l’ora di arrivo dei segnali da quattro o più satelliti. Con ricevitori GPS più sofisticati (e più costosi), gli scienziati possono individuare le loro posizioni fino a centimetri o addirittura millimetri. Usando queste informazioni dettagliate, insieme a nuovi modi per analizzare i segnali, i ricercatori stanno scoprendo che il GPS può dire loro molto di più sul pianeta di quanto pensassero inizialmente.
Nell’ultimo decennio, dispositivi GPS più veloci e precisi hanno permesso agli scienziati di illuminare come si muove il terreno durante i grandi terremoti. Il GPS ha portato a migliori sistemi di allarme per i disastri naturali come inondazioni improvvise ed eruzioni vulcaniche. E i ricercatori hanno persino MacGyvered alcuni ricevitori GPS in modo che fungano da sensori di neve, misuratori di maree e altri strumenti inaspettati per misurare la Terra.
1. Senti un terremoto
Per secoli i geoscienziati si sono affidati ai sismometri, che misurano quanto trema il terreno, per valutare quanto è grande e quanto è grave un terremoto. I ricevitori GPS avevano uno scopo diverso: tracciare i processi geologici che si verificano su scale molto più lente, come la velocità con cui le grandi placche crostali della Terra si sfregano l’una contro l’altra nel processo noto come tettonica a placche. Quindi il GPS potrebbe dire agli scienziati la velocità con cui i lati opposti della faglia di San Andreas si insinuano l’uno accanto all’altro, mentre i sismometri misurano il terreno che trema quando la faglia della California si rompe in un terremoto.
La maggior parte dei ricercatori pensava che il GPS semplicemente non potesse misurare le posizioni in modo sufficientemente preciso e abbastanza rapido da essere utile nella valutazione dei terremoti. Ma si scopre che gli scienziati possono estrarre informazioni extra dai segnali che i satelliti GPS trasmettono alla Terra.
Quei segnali arrivano in due componenti. Uno è la serie univoca di uno e zero, nota come codice, che ogni satellite GPS trasmette. Il secondo è un segnale “portante” di lunghezza d’onda più corta che trasmette il codice dal satellite. Poiché il segnale portante ha una lunghezza d’onda più corta, appena 20 centimetri, rispetto alla lunghezza d’onda maggiore del codice, che può essere di decine o centinaia di metri, il segnale portante offre un modo ad alta risoluzione per individuare un punto sulla superficie terrestre. Scienziati, geometri, militari e altri spesso hanno bisogno di una posizione GPS molto precisa e tutto ciò che serve è un ricevitore GPS più complicato.
2. Monitorare un vulcano
Oltre ai terremoti, la velocità del GPS sta aiutando i funzionari a rispondere più rapidamente ad altri disastri naturali man mano che si verificano.
Molti osservatori vulcanici, ad esempio, dispongono di ricevitori GPS disposti attorno alle montagne che monitorano, perché quando il magma inizia a spostarsi sottoterra, spesso anche la superficie si sposta. Monitorando il modo in cui le stazioni GPS intorno a un vulcano salgono o affondano nel tempo, i ricercatori possono avere un’idea migliore di dove scorre la roccia fusa.
Prima della grande eruzione dello scorso anno del vulcano Kilauea alle Hawaii, i ricercatori hanno utilizzato il GPS per capire quali parti del vulcano si stavano spostando più rapidamente. I funzionari hanno utilizzato tali informazioni per decidere da quali aree evacuare i residenti.
I dati GPS possono essere utili anche dopo l’eruzione di un vulcano. Poiché i segnali viaggiano dai satelliti al suolo, devono passare attraverso qualunque materiale il vulcano stia emettendo nell’aria. Nel 2013, diversi gruppi di ricerca hanno studiato i dati GPS di un’eruzione del vulcano Redoubt in Alaska quattro anni prima e hanno scoperto che i segnali sono stati distorti subito dopo l’inizio dell’eruzione.
Studiando le distorsioni, gli scienziati hanno potuto stimare la quantità di cenere emessa e la velocità con cui viaggiava. In un documento successivo, Larson lo definì “un nuovo modo per rilevare i pennacchi vulcanici”.
Lei ei suoi colleghi hanno lavorato su modi per farlo con ricevitori GPS per smartphone piuttosto che costosi ricevitori scientifici. Ciò potrebbe consentire ai vulcanologi di creare una rete GPS relativamente poco costosa e monitorare i pennacchi di cenere mentre si alzano. I pennacchi vulcanici sono un grosso problema per gli aeroplani, che devono volare intorno alla cenere piuttosto che rischiare che le particelle intasino i loro motori a reazione.
3. Sondare la neve
Alcuni degli usi più inaspettati del GPS provengono dalle parti più disordinate del suo segnale, le parti che rimbalzano sul terreno.
Un tipico ricevitore GPS, come quello del tuo smartphone, raccoglie principalmente i segnali che provengono direttamente dai satelliti GPS in alto. Ma raccoglie anche segnali che sono rimbalzati sul terreno su cui stai camminando e riflessi sul tuo smartphone.
Per molti anni gli scienziati avevano pensato che questi segnali riflessi non fossero altro che rumore, una sorta di eco che confondeva i dati e rendeva difficile capire cosa stesse succedendo. Ma circa 15 anni fa Larson e altri iniziarono a chiedersi se potevano sfruttare gli echi nei ricevitori GPS scientifici. Ha iniziato a osservare le frequenze dei segnali che si riflettevano da terra e come queste si combinavano con i segnali che erano arrivati direttamente al ricevitore. Da ciò poteva dedurre le qualità della superficie su cui gli echi erano rimbalzati. “Abbiamo appena decodificato quegli echi”, afferma Larson.
Questo approccio consente agli scienziati di conoscere il terreno sotto il ricevitore GPS, ad esempio quanta umidità contiene il suolo o quanta neve si è accumulata sulla superficie. (Più neve cade sul terreno, minore è la distanza tra l’eco e il ricevitore.) Le stazioni GPS possono funzionare come sensori di neve per misurare la profondità della neve, ad esempio nelle zone di montagna dove il manto nevoso è una delle principali risorse idriche ogni anno.
La tecnica funziona bene anche nell’Artico e in Antartide, dove ci sono poche stazioni meteorologiche che monitorano le nevicate tutto l’anno. Matt Siegfried, ora alla Colorado School of Mines di Golden, e i suoi colleghi hanno studiato l’accumulo di neve in 23 stazioni GPS nell’Antartide occidentale dal 2007 al 2017. Hanno scoperto di poter misurare direttamente il cambiamento della neve. Queste sono informazioni cruciali per i ricercatori che cercano di valutare la quantità di neve che la calotta glaciale antartica accumula ogni inverno e come si confronta con ciò che si scioglie ogni estate.
4. Senti un affondamento
Il GPS potrebbe essere iniziato come un modo per misurare la posizione su un terreno solido, ma risulta essere utile anche per monitorare i cambiamenti nei livelli dell’acqua.
A luglio, John Galetzka, un ingegnere dell’organizzazione di ricerca geofisica UNAVCO a Boulder, in Colorado, si è ritrovato a installare stazioni GPS in Bangladesh, alla confluenza dei fiumi Gange e Brahmaputra. L’obiettivo era misurare se i sedimenti fluviali si stanno compattando e il terreno sta lentamente sprofondando, rendendolo più vulnerabile alle inondazioni durante i cicloni tropicali e l’innalzamento del livello del mare. “Il GPS è uno strumento straordinario per aiutare a rispondere a questa domanda e altro ancora”, afferma Galetzka.
In una comunità agricola chiamata Sonatala, ai margini di una foresta di mangrovie, Galetzka ei suoi colleghi hanno posizionato una stazione GPS sul tetto di cemento di una scuola elementare. Hanno installato una seconda stazione nelle vicinanze, in cima a un’asta martellata in una risaia. Se il terreno sta davvero affondando, la seconda stazione GPS sembrerà emergere lentamente dal terreno. E misurando gli echi GPS sotto le stazioni, gli scienziati possono misurare fattori come la quantità di acqua presente nella risaia durante la stagione delle piogge.
I ricevitori GPS possono persino aiutare oceanografi e marinai, fungendo da indicatori di marea. Larson si è imbattuto in questo mentre lavorava con i dati GPS di Kachemak Bay, in Alaska. La stazione è stata istituita per studiare la deformazione tettonica, ma Larson era curioso perché la baia ha anche alcune delle più grandi variazioni di marea negli Stati Uniti. Ha guardato i segnali GPS che rimbalzavano dall’acqua fino al ricevitore ed è stata in grado di tracciare i cambiamenti delle maree con la stessa precisione di un vero misuratore di maree in un porto vicino.