El GPS va más allá

Usted puede sentirse como un experto navegando a través del tráfico de la ciudad, con el teléfono inteligente a su lado. Incluso puede caminar con un dispositivo GPS para encontrar el camino a través de un campo. Pero probablemente aún se sorprendería de todas las cosas que puede hacer el GPS —el sistema de posicionamiento global que subyace a toda la navegación moderna—.

El GPS consiste en una constelación de satélites que envían señales a la superficie de la Tierra. Un receptor GPS básico, como el de su teléfono inteligente, determina dónde se encuentra, con una precisión de 1 a 10 metros, midiendo el tiempo de llegada de las señales de cuatro o más satélites. Con receptores GPS más elegantes (y más costosos), los científicos pueden determinar sus ubicaciones con precisión de centímetros o incluso milímetros. Usando esa información detallada, junto con nuevas formas de analizar las señales, investigadores están descubriendo que el GPS puede decirles mucho más sobre el planeta de lo que originalmente pensaron. 

A lo largo de la última década, los dispositivos GPS más rápidos y precisos han permitido a los científicos dilucidar cómo se mueve el suelo durante los grandes terremotos. El GPS ha llevado a mejores sistemas de alerta para desastres naturales como inundaciones repentinas y erupciones volcánicas. Y los investigadores incluso han modificado algunos receptores GPS para que actúen como sensores de nieve, mareógrafos y otras herramientas inesperadas para medir la Tierra.

“La gente pensó que estaba loca cuando comencé a hablar sobre estas aplicaciones”, dice Kristine Larson, geofísica de la Universidad de Colorado Boulder, quien dirigió muchos de los descubrimientos y escribió sobre ellos en el Annual Review of Earth and Planetary Sciences de 2019. “Bueno, resultó que pudimos hacerlo”. Aquí hay algunas cosas sorprendentes que los científicos se han dado cuenta recientemente que pueden hacer con el GPS.

1. Sentir un terremoto

Durante siglos, los geocientíficos se han basado en los sismómetros, que miden cuánto tiembla el suelo, para evaluar la magnitud y la gravedad de un terremoto. Los receptores de GPS tenían un propósito diferente: rastrear procesos geológicos que ocurren en escalas mucho más lentas, como la velocidad a la que las grandes placas de la corteza terrestre se muelen entre sí en el proceso conocido como tectónica de placas. Entonces, el GPS podría decirles a los científicos la velocidad a la que los lados opuestos de la falla de San Andrés se deslizan uno junto al otro, mientras que los sismómetros miden el movimiento del suelo cuando la falla de California presenta una ruptura en un terremoto.

La mayoría de los investigadores pensaron que el GPS simplemente no podía medir ubicaciones con la suficiente precisión y rapidez para ser útil en la evaluación de terremotos. Pero resulta que los científicos pueden exprimir información adicional de las señales que los satélites GPS transmiten a la Tierra.

Esas señales llegan en dos componentes. Uno es la serie única de unos y ceros, conocida como el código, que transmite cada satélite GPS. La segunda es una señal “portadora” de longitud de onda más corta que transmite el código desde el satélite. Debido a que la señal portadora tiene una longitud de onda más corta —apenas 20 centímetros— en comparación con la longitud de onda más larga del código, que puede ser de decenas o cientos de metros, la señal portadora ofrece una forma de alta resolución para identificar un punto en la superficie de la Tierra. Científicos, topógrafos, militares y otros a menudo necesitan una ubicación GPS muy precisa, y todo lo que se necesita es un receptor GPS más complejo.

Los ingenieros también han mejorado la velocidad a la que los receptores GPS actualizan su ubicación, lo que significa que pueden actualizarse hasta 20 veces por segundo o más. Una vez que los investigadores se dieron cuenta de que podían tomar medidas precisas con tanta rapidez, comenzaron a usar el GPS para examinar cómo se movía el suelo durante un terremoto.En 2003, en uno de los primeros estudios de este tipo, Larson y sus colegas usaron receptores GPS repartidos por todo el oeste de los Estados Unidos para estudiar cómo se movía el suelo cuando las ondas sísmicas se extendían por un terremoto de magnitud 7,9 en Alaska. En 2011, los investigadores pudieron tomar datos de GPS sobre el terremoto de magnitud 9,1 que devastó Japón y demostrar que el lecho marino se había desplazado la asombrosa cifra de 60 metros durante el terremoto.

Hoy en día, los científicos están analizando de manera más amplia cómo los datos de GPS pueden ayudarlos a evaluar rápidamente los terremotos. Diego Melgar, de la Universidad de Oregón en Eugene, y Gavin Hayes, del Servicio Geológico de EE. UU. en Golden, Colorado, estudiaron retrospectivamente 12 grandes terremotos para ver si podían decir, segundos después del comienzo del terremoto, qué tan grande sería. Al incluir información de estaciones de GPS cerca de los epicentros de los terremotos, los científicos pudieron determinar en 10 segundos si el terremoto sería de una magnitud dañina de 7 o una magnitud 9, completamente destructiva.

Investigadores a lo largo de la costa oeste de los EE. UU. incluso han estado incorporando el GPS en su incipiente sistema de alerta temprana de terremotos, que detecta las sacudidas del suelo y notifica a las personas en ciudades distantes si es probable que las sacudan pronto. Y Chile ha estado construyendo su red de GPS para tener información más precisa más rápidamente, que puede ayudar a calcular si es probable que un terremoto cerca de la costa genere un tsunami o no.

2. Monitorear un volcán

Más allá de los terremotos, la velocidad del GPS está ayudando a funcionarios a responder más rápidamente a otros desastres naturales a medida que se desarrollan.

Muchos observatorios de volcanes, por ejemplo, tienen receptores GPS colocados alrededor de las montañas que monitorean, porque cuando el magma comienza a moverse bajo tierra, a menudo hace que la superficie también se mueva. Al monitorear cómo las estaciones de GPS alrededor de un volcán se elevan o bajan con el tiempo, los investigadores pueden tener una mejor idea de dónde fluye la roca fundida.

Antes de la gran erupción del 2018 del volcán Kilauea en Hawái, los investigadores utilizaron GPS para comprender qué partes del volcán se estaban desplazando más rápidamente. Las autoridades utilizaron esa información para ayudar a decidir de qué áreas evacuar a los residentes.

Los datos de GPS también pueden ser útiles incluso después de que un volcán haya entrado en erupción. Debido a que las señales viajan desde los satélites hasta el suelo, tienen que atravesar cualquier material que el volcán expulse al aire. En 2013, varios grupos de investigación estudiaron los datos de GPS de una erupción del volcán Redoubt, en Alaska, cuatro años antes y descubrieron que las señales se distorsionaron poco después de que comenzara la erupción.Al estudiar las distorsiones, los científicos pudieron estimar cuánta ceniza se había arrojado y qué tan rápido viajaba. En un artículo posterior, Larson lo llamó “una nueva forma de detectar columnas volcánicas”.

Ella y sus colegas han estado trabajando en formas de hacer esto con receptores GPS que utilizan los teléfonos inteligentes, en lugar de costosos receptores científicos. Eso podría permitir a los vulcanólogos establecer una red de GPS relativamente económica y monitorear las columnas de ceniza a medida que se elevan. Las columnas volcánicas son un gran problema para los aviones, que tienen que volar alrededor de las cenizas en lugar de arriesgarse a que las partículas obstruyan sus motores. 

3. Sondear la nieve

Algunos de los usos más inesperados del GPS provienen de las partes más desordenadas de su señal —las partes que rebotan en el suelo—.

Un receptor GPS típico, como el de su teléfono inteligente, en su mayoría capta señales que provienen directamente de los satélites GPS que se encuentran sobre él. Pero también capta las señales que han rebotado en el suelo por el que usted camina y se han reflejado en su teléfono.Durante muchos años, los científicos pensaron que estas señales reflejadas no eran más que ruido, una especie de eco que enturbiaba los datos y dificultaba saber qué estaba pasando. Pero hace unos 15 años, Larson y otros comenzaron a preguntarse si podrían aprovechar los ecos de los receptores GPS científicos. Ella empezó a observar las frecuencias de las señales que se reflejaban en el suelo y cómo se combinaban con las señales que habían llegado directamente al receptor. De eso pudo deducir las cualidades de la superficie en la que habían rebotado los ecos. “Simplemente aplicamos ingeniería inversa a esos ecos”, dice Larson.

Este enfoque permite a los científicos aprender sobre el suelo debajo del receptor GPS —por ejemplo, cuánta humedad contiene el suelo o cuánta nieve se ha acumulado en la superficie—. (Cuanta más nieve cae sobre el suelo, más corta es la distancia entre el eco y el receptor). Las estaciones GPS pueden funcionar como sensores de nieve para medir la profundidad de la nieve, como en las zonas montañosas donde la capa de nieve es un importante recurso hídrico cada año.

La técnica también funciona bien en el Ártico y la Antártida, donde hay pocas estaciones meteorológicas que controlan las nevadas durante todo el año. Matt Siegfried, ahora en la Escuela de Minas de Colorado en Golden, y sus colegas estudiaron la acumulación de nieve en 23 estaciones de GPS en la Antártida occidental entre 2007 y 2017. Descubrieron que podían medir directamente los cambios en la nieve. Esa es información crucial para los investigadores que buscan evaluar cuánta nieve se acumula en la capa de hielo de la Antártida cada invierno, y cómo se compara con la que se derrite cada verano.

4. Sentir un hundimiento

Es posible que el GPS haya comenzado como una forma de medir la ubicación en tierra firme, pero también resulta útil para monitorear los cambios en los niveles del agua.

En julio, John Galetzka, ingeniero de la organización de investigación geofísica UNAVCO en Boulder, Colorado, se encontró instalando estaciones GPS en Bangladesh, en la confluencia de los ríos Ganges y Brahmaputra. El objetivo era medir si los sedimentos del río se están compactando y si la tierra se está hundiendo lentamente —haciéndola más vulnerable a las inundaciones durante los ciclones tropicales y el aumento del nivel del mar—. “El GPS es una herramienta increíble para ayudar a responder esta pregunta y más”, dice Galetzka.

En una comunidad agrícola llamada Sonatala, al borde de un bosque de manglares, Galetzka y sus colegas colocaron una estación de GPS en el techo de concreto de una escuela primaria. Establecieron una segunda estación cerca, encima de una barra clavada en un arrozal. Si el suelo realmente se está hundiendo, entonces la segunda estación GPS se verá como si estuviera emergiendo lentamente del suelo. Y al medir los ecos del GPS debajo de las estaciones, los científicos pueden medir factores como la cantidad de agua estancada en el arrozal durante la temporada de lluvias.

Los receptores GPS pueden incluso ayudar a los oceanógrafos y navegantes, actuando como mareógrafos. Larson se topó con esto mientras trabajaba con datos de GPS de la bahía Kachemak, Alaska. La estación se estableció para estudiar la deformación tectónica, pero Larson tenía curiosidad porque la bahía también tiene algunas de las variaciones de marea más grandes de los Estados Unidos. Ella observó las señales de GPS que rebotaban en el agua y llegaban al receptor, y pudo rastrear los cambios de las mareas casi con la misma precisión que un mareógrafo real en un puerto cercano.

Esto podría ser útil en partes del mundo que no tienen instalados mareógrafos a largo plazo, pero sí tienen una estación de GPS cerca.

5. Analizar la atmósfera

Finalmente, el GPS puede obtener información sobre el cielo de una manera que los científicos no habían creído posible hasta hace solo unos años. El vapor de agua, las partículas cargadas eléctricamente y otros factores pueden retrasar las señales de GPS que viajan a través de la atmósfera, y eso permite a los investigadores hacer nuevos descubrimientos.Un grupo de científicos utiliza el GPS para estudiar la cantidad de vapor de agua en la atmósfera que está disponible para precipitarse en forma de lluvia o nieve. Los investigadores han usado estos cambios para calcular cuánta agua es probable que caiga del cielo en aguaceros torrenciales, lo que permite a los meteorólogos afinar sus predicciones de inundaciones repentinas en lugares como el sur de California. Durante una tormenta de julio de 2013, los meteorólogos usaron datos de GPS para rastrear la humedad monzónica que se movía hacia la costa californiana, lo que resultó ser información crucial para emitir una advertencia 17 minutos antes de que se produjeran inundaciones repentinas.

Las señales de GPS también se ven afectadas cuando viajan a través de la parte cargada eléctricamente de la atmósfera superior, conocida como ionosfera. Los científicos han utilizado datos de GPS para rastrear los cambios en la ionosfera a medida que los tsunamis atraviesan el océano. (La fuerza del tsunami produce cambios en la atmósfera que se extienden hasta la ionosfera). Esta técnica algún día podría complementar el método tradicional de alerta de tsunami, que utiliza boyas repartidas por el océano para medir la altura de la ola viajera. Y los científicos incluso han podido estudiar los efectos de un eclipse solar total usando GPS. En agosto de 2017, utilizaron estaciones de GPS en los Estados Unidos para medir cómo disminuía la cantidad de electrones en la atmósfera superior a medida que la sombra de la luna se movía por el continente, atenuando la luz que de otro modo crearía electrones.Por lo tanto, el GPS es útil para todo, desde el suelo que tiembla bajo sus pies, hasta la nieve que cae del cielo. No está mal para algo que se suponía que solo le ayudaría a encontrar el camino a través de la ciudad.

Artículo traducido por Debbie Ponchner

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