科学界最喜爱的新技术

许多人认为 GPS 是一种方便的出行方式，可以从一个地方到达另一个地方，而无需向陌生人问路。凭借着不比手机大多少的廉价接收器，那些方向感不好的人可以调谐到由 24 颗全球定位系统卫星组成的星群，随时随地精确地知道自己在地球上的位置，更不用说精确的时间了。然而，很少有 casual GPS 用户意识到，这些相同的卫星信号可以用于不仅仅是确定时间和位置。精通技术的科学家们已经发现，GPS 是一个用于检测运动和监测变化世界的非凡工具。

安装在香港青马大桥两座 50 层高塔上的 GPS 传感器，以及沿 10 万英里悬索线战略性布点的传感器，监测着港口因强风引起的运动。这座大桥能够承受高达每小时 212 英里的阵风。

如果研究人员在固定地点使用 GPS 接收器反复进行读数，他就可以追踪运动模式：火山侧翼因岩浆充盈而隆起，或者冰山在从南极冰架断裂后旋转。增加更多的接收器（额外的传感器可提高精度），并将它们与一个位置已精确已知的固定 GPS 基站进行参照（这样就可以从读数中排除误差），突然之间，小至零点一英寸的运动就会变得清晰可见，并可以实时监测。有了这项新的技术能力，科学家们正在深入研究我们所知的最动态的过程——在陆地、空中和海上，以及更远的地方。

一座舞动的桥香港青马大桥——世界上最长的悬索桥，同时承载公路和铁路交通——被设计成可以摇摆和弯曲。它可以承受强烈的台风，这些台风会使长达 4,518 英尺的桥梁左右摆动几英尺，火车通过时也会使主跨下降超过两英尺。尽管如此，过度的移动，比如横向位移超过 15 英尺，就会像棒棒冰棍和绳子一样扭曲和弯曲桥梁的钢梁和缆索。

为了防止这种灾难的发生，负责青马大桥的工程师们建立了一个 GPS 传感器阵列，该阵列能够连续确定大桥在三维空间中的精确位置。十四个 GPS 接收器通过数英里的光纤电缆连接，固定在大桥的缆索、桥面和塔架上。每秒十次，传感器会将它们的位置中继到一个中央监测设施的计算机。另外两个永久性 GPS 传感器的数据也会发送到计算机，然后计算机进行校正以消除模糊的误差。青马大桥在太空中的位置，横向精度在四分之一英寸以内，纵向精度不到八分之一英寸，然后实时显示出来。计算机还计算风速和风向，并估算大桥构件的应力和负荷，以便工程师们规划维修和保养。

香港路政署 GPS 桥梁监测项目负责人、土木工程师 Kai-yuen Wong 说：“没有其他传感器能够测量长桥梁的运动。“GPS 使这一切成为可能。”

地外火山勘测

科学家们从未在金星上见过火山喷发。他们知道过去曾发生过喷发，但很难确定熔岩的流速、厚度或其他细节。“在金星上进行实地考察真的很难，”史密森尼学会国家航空航天博物馆的地理学家 Andrew Johnston 开玩笑说。“所以我们寻找地球上看起来相似的东西并进行测量。然后，我们可以将地面上的发现与卫星图像中的发现进行关联——并将这些关联应用到其他行星的遥感图像上。”

从“麦哲伦”号探测器上看，金星上的 Sapa Mons 火山散发出一种诡异的光芒。研究人员希望通过将金星上的熔岩流与地球上的 GPS 熔岩流读数进行比较，来发现火山是如何形成的。

照片由 NASA/JPL 提供

通过卫星图像，Johnston 和他的同事们发现了新墨西哥州的两处延伸 25 到 30 英里的熔岩流：位于阿拉莫戈多的白沙导弹靶场内外的 Carrizozo 熔岩流，以及位于格兰茨南部的 McCartys 熔岩流。如此长的熔岩流在地球上并不常见，但它们是金星熔岩流的典型特征。“金星温度更高，熔岩更容易长时间保持液态，”Johnston 说。

Johnston 和他的同事、地质学家 James Zimbelman 随后对 Carrizozo 和 McCartys 熔岩流进行了数千次 GPS 测量，在许多不同的点上创建了熔岩流精确的地形剖面。“通过了解高度和坡度数据，你可以了解熔岩的粘度，进而了解熔岩的成分以及喷出时的流速，”Johnston 说。Carrizozo 和 McCartys 熔岩流中心的熔岩粘度非常低，流动速度非常快。另一方面，在熔岩流的边缘，熔岩粘度较高，冷却时缓慢流动。GPS 数据暗示着在这些冻结的形态中可能隐藏着其他特征，包括熔岩流中心下方的熔岩管，这些熔岩管使得热岩能够保持在距离源头 10 英里或更远的地方仍处于熔融状态。Johnston 不知道金星上是否曾经存在类似的熔岩管，但这是一种有趣的可能。Johnston 说，在 GPS 进行高精度测量之前，“你根本不可能做这种工作。了解熔岩流的唯一方法就是看到它喷出来。”

海况探测器在大洋深处，直径可达 100 英里的大型漩涡悄无声息地搅动着海水，将深海的食物和营养物质带到海面，并将碎片沉入冰冷黑暗的海水中。海洋学家认为，涡旋在陆地与海洋之间的碳循环中起着重要作用，但除此之外知之甚少，因为没有人能够清晰地观察到它们。

像“托普斯/波塞冬”高度计这样的研究卫星，是 NASA 和法国航天局的合作项目，能够测量表征涡旋的水面高度波动。然而，在距离海岸约 12 英里以内，陆地的影响会干扰“托普斯”的数据。NASA 加州理工学院喷气推进实验室的 Robert Treuhaft 说：“另一个问题是，“托普斯”每 10 天经过一个给定地点一次，而一个涡旋可能在这里出现又消失。“GPS 既可以避开陆地数据的干扰，又可以覆盖全球，随时监测海洋情况，这都不是问题。”

为了解 GPS 在监测水面高度波动方面的有效性，Treuhaft 和他的同事们最近在美国俄勒冈州的火山口湖进行了一些试验。他们在一个高耸的、崎岖的地点——海拔 1,570 英尺的 Cloudcap Overlook，放置了一个 GPS 接收器。从露头到湖面平静如镜的陡峭 44 度角，为 GPS 读数提供了广泛的仰角。该传感器捕获了从湖面散射的 GPS 信号，然后，通过比较信号的传播时间和直接到达接收器的信号传播时间，研究人员能够计算出水高，误差在一英寸以内。在加利福尼亚中部海岸外的 Harvest 钻井平台进行的初步实验也显示出希望。

GPS 可能能够揭示比海洋涡旋的秘密生活更多的事情。Treuhaft 说，它可以用于监测全球变暖引起的海平面变化。科学家们依赖潮汐计，但潮汐计只能监测靠近海岸的变化。Treuhaft 说：“在两到三年内，你就可以在山顶或建筑物上安装接收器，并且持续、廉价地——因为卫星已经存在——测量 20 公里外的海平面变化。“这可能是一笔巨大的财富。”

预警系统

地震学家传统上使用地震仪、倾斜仪和应变仪来探测地球的微小震动和隆起，以便对地震提供预警。但这些仪器只能感应快速且相当大的运动——在几分钟或几秒钟内——而无法感应可能在数周或数月前预示地震的缓慢蠕动。日本地理空间信息管理局现在可以通过 Geonet，一个覆盖全国 1,000 多个 GPS 传感器的网络，收集这种长期数据。传感器平均间隔 15 英里，但在地震活动性高的地区距离更近。每个 GPS 接收器都安装在一个 15 英尺高的不锈钢支柱内，旁边有一个天线，每 30 秒接收一次卫星信号。每个传感器的水平精度都可以计算到十分之一英寸以内，这使得 Geonet 能够监测否则无法察觉的运动。

位于日本名古屋（人口 200 万）附近断层线上方的 GPS 接收器，是全国传感器系统的一部分，该系统提供可能导致致命地震的地壳运动的实时数据。

最近，Geonet 检测到日本第四大城市名古屋附近的一些异常活动迹象。名古屋位于菲律宾板块俯冲到欧亚板块之下的构造带上。名古屋的地面通常每年向西移动约一英寸。然而，从 2001 年 1 月开始，地面开始以大致相同的速度向相反方向移动。如果这种位移是瞬间发生的，该地区将发生一次非常大的地震。大地测量学家 Makoto Murakami 说：“这是一个非常有趣且潜在危险的信号。“我们不知道接下来会发生什么，但如果我们没有 GPS 网络，我们永远不会知道这一切正在发生。”