Você pode pensar que é um especialista em navegar no trânsito da cidade com o smartphone ao seu lado. Você pode até caminhar com umDispositivo GPSpara encontrar o seu caminho através do sertão. Mas você provavelmente ainda ficaria surpreso com todas as coisas queGPS– o sistema de posicionamento global subjacente a toda a navegação moderna – pode fazer isso.
GPSconsiste em uma constelação de satélites que enviam sinais para a superfície da Terra. Um básicoReceptor GPS, como o do seu smartphone, determina onde você está – com uma precisão de 1 a 10 metros – medindo o tempo de chegada dos sinais de quatro ou mais satélites. Com mais sofisticados (e mais caros)Receptores GPS, os cientistas podem identificar suas localizações em centímetros ou até milímetros. Usando essa informação refinada, juntamente com novas formas de analisar os sinais, os investigadores estão a descobrir que o GPS pode dizer-lhes muito mais sobre o planeta do que inicialmente pensavam que poderia.
Na última década, mais rápido e mais precisoDispositivos GPSpermitiram aos cientistas iluminar como o solo se move durante grandes terremotos.GPSconduziu a melhores sistemas de alerta para catástrofes naturais, como inundações repentinas e erupções vulcânicas. E os pesquisadores até MacGyvered algunsReceptores GPSem atuar como sensores de neve, medidores de maré e outras ferramentas inesperadas para medir a Terra.
“As pessoas pensaram que eu estava louco quando comecei a falar sobre estas aplicações”, diz Kristine Larson, geofísica da Universidade do Colorado em Boulder que liderou muitas das descobertas e escreveu sobre elas na Revisão Anual da Terra e Ciências Planetárias de 2019. “Bem, descobrimos que conseguimos fazer isso.”
Aqui estão algumas coisas surpreendentes que os cientistas só recentemente perceberam que poderiam fazer comGPS.
1. SINTA UM TERREMOTO
Durante séculos, os geocientistas confiaram em sismógrafos, que medem o quanto o solo está tremendo, para avaliar o tamanho e a gravidade de um terremoto.GPSOs receptores serviam a um propósito diferente – rastrear processos geológicos que acontecem em escalas muito mais lentas, como a taxa com que as grandes placas da crosta terrestre se movem umas sobre as outras no processo conhecido como placas tectônicas. EntãoGPSpode dizer aos cientistas a velocidade com que os lados opostos da falha de San Andreas estão se aproximando, enquanto os sismógrafos medem o tremor do solo quando a falha da Califórnia se rompe em um terremoto.
A maioria dos pesquisadores pensava queGPSsimplesmente não conseguia medir locais com precisão e rapidez suficientes para serem úteis na avaliação de terremotos. Mas acontece que os cientistas podem extrair informações extras dos sinais que os satélites GPS transmitem para a Terra.
Esses sinais chegam em dois componentes. Um é a série única de uns e zeros, conhecida como código, que cadaGPStransmite por satélite. O segundo é um sinal “portador” de comprimento de onda mais curto que transmite o código do satélite. Como o sinal portador tem um comprimento de onda mais curto – apenas 20 centímetros – em comparação com o comprimento de onda mais longo do código, que pode ser de dezenas ou centenas de metros, o sinal portador oferece uma forma de alta resolução para localizar um ponto na superfície da Terra. Cientistas, topógrafos, militares e outros muitas vezes precisam de uma localização GPS muito precisa, e tudo o que é necessário é um receptor GPS mais complicado.
Os engenheiros também melhoraram a taxa deGPSos receptores atualizam sua localização, o que significa que podem se atualizar até 20 vezes por segundo ou mais. Depois que os pesquisadores perceberam que poderiam fazer medições precisas tão rapidamente, começaram a usar o GPS para examinar como o solo se movia durante um terremoto.
Em 2003, num dos primeiros estudos deste tipo, Larson e os seus colegas usaram receptores GPS espalhados por todo o oeste dos Estados Unidos para estudar como o solo se deslocava à medida que as ondas sísmicas ondulavam devido a um terramoto de magnitude 7,9 no Alasca. Em 2011, os investigadores conseguiram recolher dados de GPS sobre o terramoto de magnitude 9,1 que devastou o Japão e mostrar que o fundo do mar se deslocou espantosos 60 metros durante o terramoto.
Hoje, os cientistas estão analisando de forma mais ampla comoDados GPSpode ajudá-los a avaliar rapidamente os terremotos. Diego Melgar, da Universidade de Oregon, em Eugene, e Gavin Hayes, do US Geological Survey, em Golden, Colorado, estudaram retrospectivamente 12 grandes terremotos para ver se conseguiam dizer, segundos após o início do terremoto, quão grande seria. Ao incluir informações de estações GPS perto dos epicentros dos terremotos, os cientistas puderam determinar em 10 segundos se o terremoto seria de magnitude prejudicial 7 ou completamente destrutivo de magnitude 9.
Pesquisadores ao longo da costa oeste dos EUA têm até incorporadoGPSem seu incipiente sistema de alerta precoce de terremotos, que detecta tremores no solo e notifica as pessoas em cidades distantes se o tremor provavelmente as atingirá em breve. E o Chile vem construindo suaGPSrede para obter informações mais precisas e mais rapidamente, o que pode ajudar a calcular se um terremoto perto da costa tem probabilidade de gerar um tsunami ou não.
2. MONITORAR UM VULCÃO
Além dos terremotos, a velocidadeGPSestá ajudando as autoridades a responder mais rapidamente a outros desastres naturais à medida que estes ocorrem.
Muitos observatórios de vulcões, por exemplo, têmGPSeles monitoram receptores dispostos ao redor das montanhas, porque quando o magma começa a se deslocar para o subsolo, isso muitas vezes faz com que a superfície também se desloque. Ao monitorar como as estações GPS ao redor de um vulcão sobem ou descem ao longo do tempo, os pesquisadores podem ter uma ideia melhor sobre para onde a rocha derretida está fluindo.
Antes da grande erupção do vulcão Kilauea, no Havaí, no ano passado, os pesquisadores usaramGPSpara entender quais partes do vulcão estavam mudando mais rapidamente. As autoridades usaram essas informações para ajudar a decidir de quais áreas evacuar os residentes.
Dados GPStambém pode ser útil mesmo após a erupção de um vulcão. Como os sinais viajam dos satélites para o solo, eles precisam passar por qualquer material que o vulcão esteja ejetando no ar. Em 2013, vários grupos de pesquisa estudaramDados GPSde uma erupção do vulcão Redoubt no Alasca quatro anos antes e descobriu que os sinais ficaram distorcidos logo após o início da erupção.
Ao estudar as distorções, os cientistas puderam estimar a quantidade de cinzas expelidas e a velocidade com que viajavam. Num artigo que se seguiu, Larson chamou-lhe “uma nova forma de detectar plumas vulcânicas”.
Ela e seus colegas têm trabalhado em maneiras de fazer isso com diversos smartphonesReceptores GPSem vez de receptores científicos caros. Isso poderia permitir que os vulcanologistas montassem uma rede GPS relativamente barata e monitorassem as plumas de cinzas à medida que sobem. As plumas vulcânicas são um grande problema para os aviões, que têm de voar em torno das cinzas em vez de correrem o risco de as partículas obstruírem os seus motores a jacto.
3. SONDE A NEVE
Alguns dos usos mais inesperados deGPSvêm das partes mais confusas do seu sinal – as partes que ricocheteiam no chão.
Um típicoReceptor GPS, como o do seu smartphone, capta principalmente sinais vindos diretamente deGPSsatélites acima. Mas também capta sinais que ricochetearam no chão em que você está andando e foram refletidos no seu smartphone.
Durante muitos anos, os cientistas pensaram que estes sinais refletidos não passavam de ruído, uma espécie de eco que turvava os dados e dificultava a compreensão do que se passava. Mas há cerca de 15 anos, Larson e outros começaram a questionar-se se poderiam tirar partido dos ecos dos receptores GPS científicos. Ela começou a observar as frequências dos sinais refletidos no solo e como elas se combinavam com os sinais que chegavam diretamente ao receptor. A partir disso ela poderia deduzir qualidades da superfície onde os ecos haviam refletido. “Acabamos de fazer engenharia reversa desses ecos”, diz Larson.
Esta abordagem permite aos cientistas aprender sobre o solo por baixo do receptor GPS – por exemplo, quanta humidade o solo contém ou quanta neve se acumulou na superfície. (Quanto mais neve cai no solo, menor é a distância entre o eco e o receptor.) As estações GPS podem funcionar como sensores de neve para medir a profundidade da neve, como em áreas montanhosas onde a neve acumulada é um importante recurso hídrico todos os anos.
A técnica também funciona bem no Ártico e na Antártica, onde há poucas estações meteorológicas monitorando a queda de neve durante todo o ano. Matt Siegfried, agora na Escola de Minas do Colorado em Golden, e os seus colegas estudaram a acumulação de neve em 23 estações GPS na Antártida Ocidental entre 2007 e 2017. Descobriram que podiam medir diretamente a mudança da neve. Esta é uma informação crucial para os investigadores que procuram avaliar a quantidade de neve que a camada de gelo da Antártica acumula em cada inverno – e como isso se compara com o que derrete em cada verão.
4. SINTA UM Afundamento
GPSpode ter começado como uma forma de medir a localização em terreno sólido, mas também se revelou útil na monitorização de alterações nos níveis da água.
Em julho, John Galetzka, engenheiro da organização de pesquisa geofísica UNAVCO em Boulder, Colorado, instalou estações GPS em Bangladesh, na junção dos rios Ganges e Brahmaputra. O objetivo era medir se os sedimentos dos rios estão se compactando e se a terra está afundando lentamente – tornando-a mais vulnerável a inundações durante ciclones tropicais e aumento do nível do mar. “O GPS é uma ferramenta incrível para ajudar a responder a essa pergunta e muito mais”, diz Galetzka.
Numa comunidade agrícola chamada Sonatala, à beira de um mangal, Galetzka e os seus colegas colocaram umGPSestação no telhado de concreto de uma escola primária. Eles montaram uma segunda estação próxima, no topo de uma vara martelada em um arrozal. Se o solo estiver realmente afundando, a segunda estação GPS parecerá estar emergindo lentamente do solo. E ao medir os ecos do GPS por baixo das estações, os cientistas podem medir factores como a quantidade de água existente nos arrozais durante a estação chuvosa.
Receptores GPSpodem até ajudar oceanógrafos e marinheiros, agindo como marégrafos. Larson descobriu isso enquanto trabalhava com dados de GPS da Baía de Kachemak, no Alasca. A estação foi criada para estudar a deformação tectônica, mas Larson ficou curioso porque a baía também apresenta algumas das maiores variações de maré dos Estados Unidos. Ela olhou para os sinais de GPS que refletiam na água e chegavam ao receptor e foi capaz de rastrear as mudanças nas marés com quase tanta precisão quanto um marégrafo real em um porto próximo.
Isto pode ser útil em partes do mundo que não possuem medidores de maré de longo prazo – mas que possuem umEstação GPS próxima.
5. ANALISE A ATMOSFERA
Finalmente,GPSpode extrair informações sobre o céu, de maneiras que os cientistas não pensavam ser possíveis até apenas alguns anos atrás. Vapor de água, partículas eletricamente carregadas e outros fatores podem atrasar os sinais de GPS que viajam pela atmosfera, e isso permite aos pesquisadores fazer novas descobertas.
Um grupo de cientistas usaGPSestudar a quantidade de vapor d'água na atmosfera que está disponível para precipitar na forma de chuva ou neve. Os pesquisadores usaram essas mudanças para calcular quanta água provavelmente cairá do céu em chuvas torrenciais, permitindo que os meteorologistas ajustem suas previsões de enchentes repentinas em lugares como o sul da Califórnia. Durante uma tempestade de julho de 2013, os meteorologistas usaramGPSdados para rastrear a umidade das monções que se deslocam para a costa, o que acabou sendo uma informação crucial para a emissão de um alerta 17 minutos antes das enchentes repentinas.
Sinais GPStambém são afetados quando viajam através da parte eletricamente carregada da atmosfera superior, conhecida como ionosfera. Os cientistas usaramDados GPSpara rastrear mudanças na ionosfera à medida que os tsunamis atravessam o oceano abaixo. (A força do tsunami produz mudanças na atmosfera que se propagam até à ionosfera.) Esta técnica poderá um dia complementar o método tradicional de alerta de tsunami, que utiliza bóias espalhadas pelo oceano para medir a altura da onda viajante. .
E os cientistas conseguiram até estudar os efeitos de um eclipse solar total usandoGPS. Em agosto de 2017, eles usaramEstações GPSatravés dos Estados Unidos para medir como o número de eletrões na atmosfera superior caiu à medida que a sombra da Lua se movia pelo continente, diminuindo a luz que de outra forma criaria os eletrões.
EntãoGPSé útil para tudo, desde o chão tremendo sob seus pés até a neve caindo do céu. Nada mal para algo que deveria apenas ajudá-lo a encontrar o caminho pela cidade.
Este artigo foi publicado originalmente na Knowable Magazine, um empreendimento jornalístico independente da Annual Reviews. Inscreva-se no boletim informativo.
