Introduzione.
In un articolo pubblicato in precedenza, abbiamo analizzato le applicazioni del GPS in alcuni campi. Questo articolo cerca di approfondire alcune innovazioni scientifiche nate dall’applicazione di questa meravigliosa tecnologia per semplificare la vita dell’uomo. In cinque punti chiave, scoprirete le applicazioni che portano il sistema di navigazione oltre la mappa.
(Photo Credit: Pixabay)
Potreste pensare di essere esperti di navigazione nel traffico cittadino, con lo smartphone al vostro fianco. Potreste anche fare escursioni con un dispositivo GPS per orientarvi nella natura. Ma probabilmente sarete ancora sorpresi da tutte le cose che il GPS, il sistema di posizionamento globale alla base di tutta la navigazione moderna, è in grado di fare.
Il GPS consiste in una costellazione di satelliti che inviano segnali alla superficie terrestre. Un ricevitore GPS di base, come quello del vostro smartphone, determina la vostra posizione, entro un raggio di 1-10 metri, misurando l’ora di arrivo dei segnali provenienti da quattro o più satelliti. Con i ricevitori GPS più sofisticati (e più costosi), gli scienziati possono localizzare la loro posizione fino a pochi centimetri o addirittura millimetri. Utilizzando queste informazioni a grana fine e nuovi metodi per analizzare i segnali, i ricercatori stanno scoprendo che il GPS può dire molto di più sul pianeta di quanto si pensasse inizialmente.
Nell’ultimo decennio, dispositivi GPS più veloci e precisi hanno permesso agli scienziati di capire come si muove il terreno durante i grandi terremoti. Il GPS ha permesso di migliorare i sistemi di allarme per i disastri naturali come le inondazioni e le eruzioni vulcaniche. Inoltre, i ricercatori hanno perfino trasformato alcuni ricevitori GPS in sensori di neve, misuratori di marea e altri strumenti inaspettati per misurare la Terra.
“La gente pensava che fossi pazza quando ho iniziato a parlare di queste applicazioni”, dice Kristine Larson, una geofisica dell’Università del Colorado Boulder che ha guidato molte delle scoperte e ne ha scritto nell’Annual Review of Earth and Planetary Sciences 2019. “Ebbene, si è scoperto che siamo stati in grado di farlo”.
Ecco alcune cose sorprendenti che gli scienziati hanno capito di poter fare con il GPS solo di recente.
1. PERCEPIRE UN TERREMOTO
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Per secoli i geologi si sono affidati ai sismometri, che misurano quanto trema il terreno, per valutare la grandezza e la gravità di un terremoto. I ricevitori GPS avevano uno scopo diverso: seguire i processi geologici che avvengono su scale molto più lente, come la velocità con cui le grandi placche crostali della Terra si accavallano l’una sull’altra nel processo noto come tettonica delle placche. Il GPS potrebbe quindi indicare agli scienziati la velocità con cui i lati opposti della faglia di San Andreas si accostano l’uno all’altro, mentre i sismometri misurano lo scuotimento del suolo quando la faglia californiana si rompe in un terremoto.
La maggior parte dei ricercatori pensava che il GPS non fosse in grado di misurare le posizioni in modo sufficientemente preciso e veloce per essere utile nella valutazione dei terremoti. Ma si è scoperto che gli scienziati possono estrarre informazioni supplementari dai segnali che i satelliti GPS trasmettono alla Terra.
Questi segnali arrivano in due componenti. Una è la serie unica di uno e zero, nota come codice, che ogni satellite GPS trasmette. Il secondo è un segnale “portante” di lunghezza inferiore che trasmette il codice dal satellite. Poiché il segnale portante ha una lunghezza d’onda inferiore – 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, topografi, militari e altri hanno spesso bisogno di una posizione GPS molto precisa, e tutto ciò che serve è un ricevitore GPS più complicato.
Gli ingegneri hanno anche migliorato la velocità con cui i ricevitori GPS aggiornano la loro posizione, il che significa che possono aggiornarsi fino a 20 volte al secondo o più. Quando i ricercatori si sono resi conto di poter effettuare misurazioni precise in tempi così brevi, hanno iniziato a usare il GPS per esaminare come si muove il terreno durante un terremoto.
Nel 2003, in uno dei primi studi di questo tipo, Larson e i suoi colleghi hanno utilizzato ricevitori GPS disseminati negli Stati Uniti occidentali per studiare come il terreno si sia spostato in seguito alle onde sismiche generate da un terremoto di magnitudo 7,9 in Alaska. Nel 2011, i ricercatori sono stati in grado di prendere i dati GPS del terremoto di magnitudo 9,1 che ha devastato il Giappone e di dimostrare che il fondale marino si è spostato di ben 60 metri durante il sisma.
Oggi gli scienziati stanno studiando in modo più ampio come i dati GPS possano aiutare a valutare rapidamente i terremoti. Diego Melgar dell’Università dell’Oregon a Eugene e Gavin Hayes del Servizio geologico degli Stati Uniti a Golden, in Colorado, hanno studiato retrospettivamente 12 grandi terremoti per vedere se erano in grado di dire, entro pochi secondi dall’inizio del sisma, quanto sarebbe diventato grande. Includendo le informazioni provenienti dalle stazioni GPS vicine agli epicentri dei terremoti, gli scienziati hanno potuto determinare entro 10 secondi se il sisma sarebbe stato di magnitudo 7, dannoso, o di magnitudo 9, completamente distruttivo.
I ricercatori della costa occidentale degli Stati Uniti hanno persino incorporato il GPS nel loro nascente sistema di allarme rapido per i terremoti, che rileva lo scuotimento del suolo e avvisa le persone in città lontane se è probabile che lo scuotimento le colpisca presto. Anche il Cile sta potenziando la sua rete GPS per avere più rapidamente informazioni più precise, che possono aiutare a calcolare se un terremoto vicino alla costa rischia di generare uno tsunami o meno.
2. MONITORARE UN VULCANO
Oltre ai terremoti, la velocità del GPS aiuta i funzionari a rispondere più rapidamente ad altri disastri naturali.
Molti osservatori di vulcani, ad esempio, dispongono di ricevitori GPS intorno alle montagne che monitorano, perché quando il magma inizia a spostarsi nel sottosuolo, spesso anche la superficie si sposta. Monitorando l’innalzamento o l’abbassamento delle stazioni GPS intorno a un vulcano nel corso del tempo, i ricercatori possono farsi un’idea più precisa di dove sta scorrendo la roccia fusa.
Prima della grande eruzione del vulcano Kilauea alle Hawaii dello scorso anno, i ricercatori hanno usato il GPS per capire quali parti del vulcano si stavano spostando più rapidamente. I funzionari hanno usato queste 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 il materiale che il vulcano sta espellendo nell’aria. Nel 2013, diversi gruppi di ricerca hanno studiato i dati GPS di un’eruzione del vulcano Redoubt in Alaska avvenuta quattro anni prima e hanno scoperto che i segnali si sono distorti subito dopo l’inizio dell’eruzione.
Studiando le distorsioni, gli scienziati hanno potuto stimare la quantità di cenere espulsa e la velocità con cui viaggiava. In un documento successivo, la Larson ha definito questo studio “un nuovo modo di rilevare i pennacchi vulcanici”.
Lei e i suoi colleghi stanno lavorando per trovare il modo di farlo con i ricevitori GPS degli smartphone piuttosto che con i costosi ricevitori scientifici. Ciò potrebbe consentire ai vulcanologi di creare una rete GPS relativamente economica e di monitorare i pennacchi di cenere mentre salgono. I pennacchi vulcanici sono un grosso problema per gli aerei, che devono volare intorno alla cenere piuttosto che rischiare che le particelle intasino i motori a reazione.
3. SONDARE LA NEVE
Alcuni degli usi più inaspettati del GPS derivano dalle parti più complicate del suo segnale, quelle che rimbalzano sul terreno.
Un tipico ricevitore GPS, come quello del vostro smartphone, capta soprattutto i segnali provenienti direttamente dai satelliti GPS che si trovano in alto. Ma raccoglie anche i segnali che sono rimbalzati sul terreno su cui si cammina e che si riflettono sullo smartphone.
Per molti anni gli scienziati hanno 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 hanno iniziato a chiedersi se fosse possibile sfruttare gli echi nei ricevitori GPS scientifici. Iniziò a osservare le frequenze dei segnali che si riflettevano sul terreno e come queste si combinavano con i segnali arrivati direttamente al ricevitore. Da ciò ha potuto dedurre le qualità della superficie su cui gli echi erano rimbalzati. “Abbiamo semplicemente reingegnerizzato quegli echi”, dice 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 aree montane 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 durante 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. Si tratta di informazioni cruciali per i ricercatori che cercano di valutare la quantità di neve che la calotta antartica accumula ogni inverno e il confronto con quella che si scioglie ogni estate.
4. PERCEPIRE UN AFFONDAMENTO
Il GPS è nato come strumento per misurare la posizione su un terreno solido, ma si è rivelato utile anche per monitorare le variazioni del livello dell’acqua.
A luglio, John Galetzka, ingegnere dell’organizzazione di ricerca geofisica UNAVCO di Boulder, Colorado, si è trovato a installare stazioni GPS in Bangladesh, alla confluenza dei fiumi Gange e Brahmaputra. L’obiettivo era misurare se i sedimenti del fiume 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 ad altre ancora”, spiega Galetzka.
In una comunità agricola chiamata Sonatala, ai margini di una foresta di mangrovie, Galetzka e i 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 piantata in una risaia. Se il terreno sta davvero sprofondando, la seconda stazione GPS sembrerà emergere lentamente dal suolo. Misurando gli echi GPS sotto le stazioni, gli scienziati possono misurare fattori come la quantità d’acqua presente nella risaia durante la stagione delle piogge.
I ricevitori GPS possono persino aiutare gli oceanografi e i naviganti, fungendo da indicatori di marea. Larson si è imbattuto in questa possibilità mentre lavorava con i dati GPS della baia di Kachemak, in Alaska. La stazione era stata creata per studiare la deformazione tettonica, ma Larson era curiosa perché la baia presenta anche alcune delle maggiori variazioni di marea degli Stati Uniti. Ha osservato i segnali GPS che rimbalzavano sull’acqua e arrivavano al ricevitore, ed è riuscita a tracciare le variazioni di marea quasi con la stessa precisione di un vero misuratore di marea in un porto vicino.
Questo potrebbe essere utile in quelle parti del mondo che non dispongono di misuratori di marea a lungo termine, ma che hanno una stazione GPS nelle vicinanze.
5. ANALIZZARE L’ATMOSFERA
Infine, il GPS è in grado di ricavare informazioni sul cielo, in modi che gli scienziati non ritenevano possibili fino a pochi anni fa. Il vapore acqueo, le particelle elettricamente cariche e altri fattori possono ritardare i segnali GPS che viaggiano attraverso l’atmosfera, consentendo ai ricercatori di fare nuove scoperte.
Un gruppo di scienziati utilizza il miglior mini localizzatore GPS per studiare la quantità di vapore acqueo presente nell’atmosfera e disponibile a precipitare sotto forma di pioggia o neve. I ricercatori hanno usato questi cambiamenti per calcolare quanta acqua è probabile che cada dal cielo in acquazzoni, consentendo ai meteorologi di perfezionare le loro previsioni di inondazioni improvvise in luoghi come la California meridionale. Durante una tempesta del luglio 2013, i meteorologi hanno usato i dati GPS per tracciare l’umidità monsonica che si muoveva sulla costa, che si è rivelata un’informazione cruciale per lanciare un allarme 17 minuti prima dell’arrivo delle inondazioni.
I segnali GPS vengono influenzati anche quando attraversano la parte elettricamente carica dell’atmosfera superiore, nota come ionosfera. Gli scienziati hanno utilizzato i dati GPS per seguire i cambiamenti nella ionosfera mentre gli tsunami attraversano l’oceano sottostante. (La forza dello tsunami produce cambiamenti nell’atmosfera che si propagano fino alla ionosfera). Questa tecnica potrebbe un giorno integrare il metodo tradizionale di allarme tsunami, che utilizza boe disseminate nell’oceano per misurare l’altezza dell’onda in movimento.
Gli scienziati sono persino riusciti a studiare gli effetti di un’eclissi solare totale utilizzando il GPS. Nell’agosto 2017, hanno utilizzato stazioni GPS in tutti gli Stati Uniti per misurare come il numero di elettroni nell’atmosfera superiore sia diminuito quando l’ombra della luna si è spostata attraverso il continente, oscurando la luce che altrimenti avrebbe creato elettroni.
Quindi il GPS è utile per tutto, dal tremore del terreno sotto i piedi alla neve che cade dal cielo. Non male per qualcosa che doveva solo aiutare a trovare la strada per la città.
