Anda mungkin mengira Anda ahli dalam menavigasi lalu lintas kota, dengan ponsel pintar di sisi Anda. Anda bahkan mungkin mendaki dengan aperangkat GPSuntuk menemukan jalanmu melewati pedalaman. Namun Anda mungkin masih terkejut dengan semua hal ituGPS—sistem penentuan posisi global yang mendasari semua navigasi modern—dapat melakukannya.
GPSterdiri dari konstelasi satelit yang mengirimkan sinyal ke permukaan bumi. DasarPenerima GPS, seperti yang ada di ponsel cerdas Anda, menentukan lokasi Anda—dalam jarak sekitar 1 hingga 10 meter—dengan mengukur waktu kedatangan sinyal dari empat satelit atau lebih. Dengan lebih mewah (dan lebih mahal)Penerima GPS, para ilmuwan dapat menentukan lokasinya hingga sentimeter atau bahkan milimeter. Dengan menggunakan informasi terperinci tersebut, serta cara-cara baru untuk menganalisis sinyal, para peneliti menemukan bahwa GPS dapat memberi tahu mereka lebih banyak tentang planet ini daripada yang mereka duga sebelumnya.
Selama dekade terakhir, lebih cepat dan lebih akuratPerangkat GPStelah memungkinkan para ilmuwan untuk menjelaskan bagaimana tanah bergerak selama gempa bumi besar.GPStelah menghasilkan sistem peringatan yang lebih baik untuk bencana alam seperti banjir bandang dan letusan gunung berapi. Dan para peneliti bahkan telah melakukan beberapa penelitian MacGyveredPenerima GPSuntuk bertindak sebagai sensor salju, pengukur pasang surut, dan alat tak terduga lainnya untuk mengukur Bumi.
“Orang-orang mengira saya gila ketika saya mulai membicarakan penerapan ini,” kata Kristine Larson, ahli geofisika di Universitas Colorado Boulder yang memimpin banyak penemuan dan menulis tentangnya dalam Tinjauan Tahunan Ilmu Bumi dan Planet 2019. “Yah, ternyata kami mampu melakukannya.”
Berikut beberapa hal mengejutkan yang baru-baru ini disadari oleh para ilmuwanGPS.
1. MERASAKAN GEMPA
Selama berabad-abad para ahli geosains mengandalkan seismometer, yang mengukur seberapa besar guncangan yang terjadi di tanah, untuk menilai seberapa besar dan seberapa buruk gempa yang terjadi.GPSPenerimanya memiliki tujuan yang berbeda—untuk melacak proses geologi yang terjadi pada skala yang jauh lebih lambat, seperti kecepatan lempeng kerak bumi yang besar saling bergesekan dalam proses yang dikenal sebagai lempeng tektonik. JadiGPSmungkin memberi tahu para ilmuwan kecepatan di mana sisi berlawanan dari Sesar San Andreas bergerak melewati satu sama lain, sementara seismometer mengukur guncangan tanah ketika patahan California tersebut pecah akibat gempa.
Kebanyakan peneliti berpendapat demikianGPStidak bisa mengukur lokasi dengan cukup tepat, dan cukup cepat, agar berguna dalam menilai gempa bumi. Namun ternyata para ilmuwan dapat memperoleh informasi tambahan dari sinyal yang dikirimkan satelit GPS ke Bumi.
Sinyal-sinyal tersebut tiba dalam dua komponen. Satu adalah rangkaian unik dari satu dan nol, yang dikenal sebagai kode, yang masing-masingnyaGPStransmisi satelit. Yang kedua adalah sinyal “pembawa” dengan panjang gelombang lebih pendek yang mengirimkan kode dari satelit. Karena sinyal pembawa memiliki panjang gelombang yang lebih pendek—hanya 20 sentimeter—dibandingkan dengan panjang gelombang kode yang lebih panjang, yang bisa mencapai puluhan atau ratusan meter, sinyal pembawa menawarkan cara beresolusi tinggi untuk menentukan suatu titik di permukaan bumi. Para ilmuwan, surveyor, militer, dan lainnya sering kali memerlukan lokasi GPS yang sangat tepat, dan yang diperlukan hanyalah penerima GPS yang lebih rumit.
Para insinyur juga telah meningkatkan kecepatannyaGPSpenerima memperbarui lokasinya, artinya mereka dapat menyegarkan dirinya sendiri sebanyak 20 kali per detik atau lebih. Ketika para peneliti menyadari bahwa mereka dapat melakukan pengukuran yang tepat dengan cepat, mereka mulai menggunakan GPS untuk memeriksa bagaimana tanah bergerak selama gempa bumi.
Pada tahun 2003, dalam salah satu studi pertama yang dilakukan, Larson dan rekan-rekannya menggunakan penerima GPS yang tersebar di seluruh Amerika Serikat bagian barat untuk mempelajari bagaimana tanah bergeser ketika gelombang seismik bergejolak akibat gempa bumi berkekuatan 7,9 skala Richter di Alaska. Pada tahun 2011, para peneliti dapat mengambil data GPS dari gempa berkekuatan 9,1 yang meluluhlantahkan Jepang dan menunjukkan bahwa dasar laut telah bergeser secara mengejutkan sebesar 60 meter selama gempa tersebut.
Saat ini, para ilmuwan sedang mencari cara yang lebih luasdata GPSdapat membantu mereka menilai gempa bumi dengan cepat. Diego Melgar dari Universitas Oregon di Eugene dan Gavin Hayes dari Survei Geologi AS di Golden, Colorado, secara retrospektif mempelajari 12 gempa bumi besar untuk melihat apakah mereka dapat mengetahui, dalam beberapa detik setelah gempa dimulai, seberapa besar gempa tersebut. Dengan memasukkan informasi dari stasiun GPS di dekat pusat gempa, para ilmuwan dapat menentukan dalam waktu 10 detik apakah gempa tersebut akan berkekuatan 7 skala Richter atau 9 skala Richter yang benar-benar merusak.
Para peneliti di sepanjang Pantai Barat AS bahkan telah melakukan penelitian iniGPSke dalam sistem peringatan dini gempa bumi yang masih baru, yang mendeteksi guncangan tanah dan memberi tahu orang-orang di kota-kota yang jauh apakah guncangan akan segera menimpa mereka. Dan Chile telah mengembangkannyaGPSjaringan agar mendapatkan informasi yang lebih akurat dan lebih cepat, yang dapat membantu menghitung apakah gempa di dekat pantai kemungkinan besar akan menimbulkan tsunami atau tidak.
2. MONITOR GUNUNG BERAPI
Selain gempa bumi, kecepatanGPSmembantu para pejabat merespons lebih cepat terhadap bencana alam lainnya yang terjadi.
Banyak observatorium gunung berapi, misalnya, yang memilikinyaGPSpenerima-penerima yang tersebar di sekitar pegunungan mereka pantau, karena ketika magma mulai bergeser di bawah tanah, hal itu sering kali menyebabkan permukaan juga ikut bergeser. Dengan memantau bagaimana stasiun GPS di sekitar gunung berapi naik atau turun seiring waktu, peneliti bisa mendapatkan gambaran yang lebih baik tentang ke mana aliran batuan cair.
Sebelum letusan besar gunung berapi Kilauea di Hawaii tahun lalu, para peneliti menggunakanGPSuntuk memahami bagian gunung berapi mana yang mengalami pergeseran paling cepat. Para pejabat menggunakan informasi itu untuk membantu memutuskan daerah mana yang akan dievakuasi warganya.
data GPSjuga dapat berguna bahkan setelah gunung berapi meletus. Karena sinyal bergerak dari satelit ke bumi, sinyal tersebut harus melewati material apa pun yang dikeluarkan gunung berapi ke udara. Pada tahun 2013, beberapa kelompok penelitian melakukan penelitiandata GPSdari letusan gunung berapi Redoubt di Alaska empat tahun sebelumnya dan menemukan bahwa sinyalnya menjadi terdistorsi segera setelah letusan dimulai.
Dengan mempelajari distorsi tersebut, para ilmuwan dapat memperkirakan berapa banyak abu yang dimuntahkan dan seberapa cepat perjalanannya. Dalam makalah berikutnya, Larson menyebutnya sebagai “cara baru untuk mendeteksi gumpalan gunung berapi”.
Dia dan rekan-rekannya telah mencari cara untuk melakukan hal ini dengan berbagai ponsel pintarPenerima GPSdaripada penerima ilmiah yang mahal. Hal ini memungkinkan ahli vulkanologi untuk membuat jaringan GPS yang relatif murah dan memantau semburan abu saat naik. Gumpalan vulkanik merupakan masalah besar bagi pesawat terbang, yang harus terbang mengitari abu tersebut daripada mengambil risiko partikel tersebut menyumbat mesin jet mereka.
3. SELIDIKI SALJU
Beberapa kegunaan yang paling tidak terdugaGPSberasal dari bagian sinyal yang paling berantakan—bagian yang memantul ke tanah.
Sebuah tipikalPenerima GPS, seperti yang ada di ponsel cerdas Anda, sebagian besar menangkap sinyal yang datang langsung darinyaGPSsatelit di atas kepala. Namun ia juga menangkap sinyal yang memantul di tanah tempat Anda berjalan dan dipantulkan ke ponsel cerdas Anda.
Selama bertahun-tahun para ilmuwan mengira sinyal-sinyal yang dipantulkan ini hanyalah kebisingan, semacam gema yang mengaburkan data dan membuat sulit untuk mengetahui apa yang sedang terjadi. Namun sekitar 15 tahun yang lalu Larson dan yang lainnya mulai bertanya-tanya apakah mereka dapat memanfaatkan gema pada penerima GPS ilmiah. Dia mulai melihat frekuensi sinyal yang dipantulkan dari tanah dan bagaimana sinyal tersebut digabungkan dengan sinyal yang sampai langsung ke penerima. Dari situ dia dapat menyimpulkan kualitas permukaan tempat gema tersebut memantul. “Kami baru saja merekayasa balik gema tersebut,” kata Larson.
Pendekatan ini memungkinkan para ilmuwan mempelajari tanah di bawah penerima GPS—misalnya berapa banyak kelembapan yang terkandung dalam tanah atau berapa banyak salju yang terkumpul di permukaan. (Semakin banyak salju yang jatuh ke tanah, semakin pendek jarak antara gema dan penerima.) Stasiun GPS dapat berfungsi sebagai sensor salju untuk mengukur kedalaman salju, seperti di daerah pegunungan di mana tumpukan salju merupakan sumber air utama setiap tahunnya.
Teknik ini juga bekerja dengan baik di Arktik dan Antartika, di mana hanya terdapat sedikit stasiun cuaca yang memantau hujan salju sepanjang tahun. Matt Siegfried, sekarang di Colorado School of Mines di Golden, dan rekan-rekannya mempelajari akumulasi salju di 23 stasiun GPS di Antartika Barat dari tahun 2007 hingga 2017. Mereka menemukan bahwa mereka dapat mengukur perubahan salju secara langsung. Ini adalah informasi penting bagi para peneliti yang ingin menilai berapa banyak salju yang menumpuk di lapisan es Antartika setiap musim dingin—dan bagaimana perbandingannya dengan jumlah salju yang mencair setiap musim panas.
4. RASAKAN TENGGELAMNYA
GPSawalnya mungkin merupakan cara untuk mengukur lokasi di tanah padat, namun ternyata juga berguna dalam memantau perubahan ketinggian air.
Pada bulan Juli, John Galetzka, seorang insinyur di organisasi penelitian geofisika UNAVCO di Boulder, Colorado, memasang stasiun GPS di Bangladesh, di persimpangan sungai Gangga dan Brahmaputra. Tujuannya adalah untuk mengukur apakah sedimen sungai memadat dan daratan perlahan-lahan tenggelam—membuat sungai lebih rentan terhadap banjir selama siklon tropis dan kenaikan permukaan laut. “GPS adalah alat luar biasa untuk membantu menjawab pertanyaan ini dan pertanyaan lainnya,” kata Galetzka.
Di komunitas pertanian bernama Sonatala, di pinggir hutan bakau, Galetzka dan rekan-rekannya menempatkan satuGPSstasiun di atap beton sebuah sekolah dasar. Mereka mendirikan stasiun kedua di dekatnya, di atas batang yang dipalu ke sawah. Jika tanah benar-benar tenggelam, maka stasiun GPS kedua akan terlihat seolah-olah perlahan muncul dari dalam tanah. Dan dengan mengukur gema GPS di bawah stasiun, para ilmuwan dapat mengukur faktor-faktor seperti berapa banyak air yang tergenang di sawah selama musim hujan.
Penerima GPSbahkan dapat membantu ahli kelautan dan pelaut, dengan bertindak sebagai pengukur pasang surut. Larson menemukan hal ini saat bekerja dengan data GPS dari Kachemak Bay, Alaska. Stasiun ini didirikan untuk mempelajari deformasi tektonik, namun Larson penasaran karena teluk ini juga memiliki variasi pasang surut terbesar di Amerika Serikat. Dia melihat sinyal GPS yang memantul dari air dan sampai ke penerima, dan mampu melacak perubahan pasang surut hampir seakurat alat pengukur pasang surut sebenarnya di pelabuhan terdekat.
Hal ini dapat bermanfaat bagi negara-negara yang tidak memiliki alat pengukur pasang surut jangka panjang—namun mereka mempunyai alat pengukur pasang surut jangka panjang.Stasiun GPS terdekat.
5. ANALISIS SUASANA
Akhirnya,GPSdapat memberikan informasi tentang langit di atas kepala, dengan cara yang belum pernah terpikirkan oleh para ilmuwan hingga beberapa tahun yang lalu. Uap air, partikel bermuatan listrik, dan faktor lainnya dapat menunda perjalanan sinyal GPS melalui atmosfer, dan memungkinkan para peneliti membuat penemuan baru.
Sekelompok ilmuwan menggunakanGPSuntuk mempelajari jumlah uap air di atmosfer yang dapat mengendap sebagai hujan atau salju. Para peneliti telah menggunakan perubahan ini untuk menghitung berapa banyak air yang mungkin jatuh dari langit saat hujan lebat, sehingga para peramal cuaca dapat menyesuaikan prediksi mereka mengenai banjir bandang di tempat-tempat seperti California Selatan. Selama badai Juli 2013, ahli meteorologi menggunakanGPSdata untuk melacak kelembapan musiman yang bergerak di daratan sana, yang ternyata menjadi informasi penting untuk mengeluarkan peringatan 17 menit sebelum banjir bandang melanda.
sinyal GPSjuga terpengaruh ketika mereka melakukan perjalanan melalui bagian atas atmosfer yang bermuatan listrik, yang dikenal sebagai ionosfer. Para ilmuwan telah menggunakannyadata GPSuntuk melacak perubahan di ionosfer saat tsunami melintasi lautan di bawahnya. (Kekuatan tsunami menghasilkan perubahan di atmosfer yang beriak hingga ke ionosfer.) Teknik ini suatu hari nanti dapat melengkapi metode peringatan tsunami tradisional, yang menggunakan pelampung yang tersebar di lautan untuk mengukur ketinggian gelombang yang merambat. .
Dan para ilmuwan bahkan telah mampu mempelajari dampak gerhana matahari total dengan menggunakanGPS. Pada bulan Agustus 2017, mereka menggunakanstasiun GPSdi seluruh Amerika Serikat untuk mengukur penurunan jumlah elektron di lapisan atas atmosfer saat bayangan bulan bergerak melintasi benua tersebut, sehingga meredupkan cahaya yang menghasilkan elektron.
JadiGPSberguna untuk segala hal mulai dari guncangan tanah di bawah kaki Anda hingga salju yang turun dari langit. Lumayan untuk sesuatu yang seharusnya membantu Anda menemukan jalan melintasi kota.
Artikel ini pertama kali terbit di Majalah Knowable, sebuah upaya jurnalistik independen dari Annual Review. Mendaftarlah untuk menerima buletin.
