全球定位系统GPS，不只是导航

天灾不怕了

2003年，美国科罗拉多大学博尔德分校的地质学家克里斯蒂娜·拉森在研究北美阿拉斯加7.9级地震的地震波波形时，意外发现地震仪记录下的波形图与距地震震中140千米处的GPS记录下的波形图很一致，地震波的振幅和频率都相同，由此启发了人们用GPS来预警地震的想法。

用GPS来预警地震有很大的优势，如今全球都已经覆盖了GPS卫星，监测几乎是360°无死角；GPS发射的微波波长只有20厘米，能量和精确度都比较高；GPS接收器更新目标位置的速度也很快，每秒可以更新20次以上。也就是说，当人们将需要定位的位置设为震中或板块运动的边缘处时，就可以实时监控地震期间地面是如何移动的。

此后，GPS在监控地震上开始大展身手。在美国，GPS预警已经成为地震预警系统中的重要技术方法之一，它不仅能预测地震的震级，还能提前通知离震中较远的城市市民，地震是否会影响他们，会在什么时间“到达”他们的城市。智利也一直在建设其GPS网络，以便更快、更准确地获得地震预警信息。他们的GPS预警系统成功预测到了2010年8.8级莫尔地震、2014年8.2级伊基克地震和2015年8.3级伊利亚佩尔地震。

GPS还能帮助我们监控其他自然灾害，比如地震的“孪生兄弟”——火山喷发。

为什么说火山是地震的“孪生兄弟”？因为地震时，地表的剧烈移动会让火山的岩浆也“蠢蠢欲动”。火山爆发前，当岩浆向地下移动时，通常也会导致地表移动。因此，地震和火山喷发常常是“形影不离”的。与监测地震时的地表运动相似，通过监测火山周围的地表运动状况，研究人员可以了解到岩浆和熔融岩石的流动情况。2018年，夏威夷基拉韦厄火山大爆发之前，研究人员使用GPS监控到火山的哪个部分移动最快，政府利用这些信息做出了从哪些地区疏散居民和游客的决定。

火山爆发之后GPS监测到的数据也很有用。因为信号从卫星传到地面的过程中，必须穿过火山喷射到空气中的火山灰等物质，这样信号传播速度和能量将受到影响。通过研究信号受影响的程度，科学家们可以估计出喷出了多少火山灰以及它们的传播方向和速度。知道了这些数据后，可以对飞机的飞行路线做出修改，使其绕着火山灰飞行，避免火山灰微粒堵塞喷气发动机的风险。

噪音有用处

前文说过，我们导航时常用的GPS接收器主要接收天上的GPS卫星发射的信号，但是不可避免地，卫星发射的微波会有部分散射到地面上，然后再被地面反弹，最后被我们的GPS接收到。以前，我们把这类反射的信号归为噪音，通过强化卫星直接发射的微波来弱化噪音的影响。但后来，科学家发现，这类噪音也有作用。

2005年，拉森开始观察地面反射的信号频率，并尝试将反射信号和直接到达接收器的信号分离开来。她发现，通过分析反射信号的速度和能量可以判断地面附近的情况，比如地表上积了多少雪。地面上的雪越多，回声和接收器之间的距离就越短。GPS接收器可以作为积雪传感器来测量积雪深度。

现在，这个方法已经在北极和南极运用起来了。美国科罗拉多矿业学院的地质学家马特·齐格弗里德运用西南极洲的23个GPS站的数据，分析了2007年到2017年的积雪情况。两极没有建立任何气象监测站，科学家们找不到这些年的气象报告，但有了这个方法，他们可以分析出两极年降雪量的变化了。通过比较年降雪量的变化，可以评估全球变暖的影响，再与两极每年融化的雪量一对比，两极冰盖还能再支撑多少年，也有了更可信的预测数据。

除了监测地表雪量的变化，GPS在监测地下水位的变化方面也很有用。

2019年7月，联合国教科文组织下辖的地球物理研究所的物理学家约翰·盖尔兹卡在孟加拉国的恒河和布拉马普特拉河的交界处安装了一排排的GPS接收器，远远看去就像一排排的防护林，它们的作用其实跟防护林也很相似。这个地方土质疏松，河流冲刷作用强，因此洪水频发。盖尔兹卡安装这些GPS的目的是测量河流底部土质是否结实，土地是否在下沉以及河流水深的变化，这有助于监测该地区洪水的爆发时间和寻找容易遭受洪水袭击的地方。通过测量不同地方的GPS接收到的噪音时间差，科学家将能判断河流和地面的水深。

天上有变化

与火山灰的阻挡作用相似，大气中的水蒸气、带电粒子和其他物质同样会影响GPS信号在大气中的传播，这使得研究人员有了新的发现。

通过GPS来计算大气中的水蒸气量，可以预测降水量。2013年7月，加州理工学院的气象学家安吉林·穆尔利用GPS数据跟踪了大气中一股足以形成暴雨的水汽的移动轨迹。当他发现这股水汽从海洋向山地移动时，他及时向山民提出了示警。17分钟后，山洪爆发了。

离地面60千米以上的大气层充斥着许多带电的电子和离子，我们称之为电离层。GPS信号在穿过电离层时会被散射和折射，传递方向和速度也会受到影响，科学家们可以利用GPS的数据来跟踪电离层的变化。而海啸发生时产生的巨大力量会导致电离层的粒子运动加速，带电情况发生改变，也就是说当GPS检测到电离层发生变化时，很可能预示着海啸即将发生。科学家运用这个方法成功预测了2006年俄罗斯千岛群岛、2011年日本东北町和2012年加拿大海达瓜伊岛的三次海啸。

科学家甚至能够利用GPS研究日全食的影响。2017年8月，美国国家地球物理研究所的研究人员使用美国各地的GPS站的数据，计算了电离层的电子数量的变化，他们发现，当月球遮挡太阳光时，电离层的电子数量会大幅下降，将影响包括GPS信号内的所有电磁波信号的接收。

地震预警、火山监控、地下水监测、大气变化追踪……当你在茂密森林、冰天雪地和狂风暴雨中使用GPS时，也许会听到“GPS信号弱”的提示，这是因为周围存在许多阻挡信号的东西和接收到很多干扰噪音，但你不会知道，原来这些干扰我们导航的“声音”中，竟然藏着这么多信息。