Drei Dinge, von denen Sie wahrscheinlich nicht wussten, dass GPS sie erledigen kann

Vielleicht halten Sie sich für einen Experten, wenn es darum geht, mit Ihrem Smartphone durch den Stadtverkehr zu navigieren. Vielleicht wandern Sie sogar mit einem GPS-Gerät, um Ihren Weg durch das Hinterland zu finden. Aber Sie wären wahrscheinlich immer noch überrascht, was GPS – das globale Positionierungssystem, das der gesamten modernen Navigation zugrunde liegt – alles kann.

GPS besteht aus einer Satellitenkonstellation, die Signale an die Erdoberfläche sendet. Ein einfacher GPS-Empfänger, wie z. B. der in Ihrem Smartphone, bestimmt Ihren Standort mit einer Genauigkeit von 1 bis 10 Metern, indem er die Ankunftszeit der Signale von vier oder mehr Satelliten misst. Mit leistungsfähigeren (und teureren) GPS-Empfängern können Wissenschaftler ihren Standort auf Zentimeter oder sogar Millimeter genau bestimmen. Mithilfe dieser feinkörnigen Informationen und neuer Methoden zur Analyse der Signale entdecken die Forscher, dass GPS ihnen viel mehr über den Planeten sagen kann, als sie ursprünglich dachten.

In den letzten zehn Jahren haben schnellere und genauere GPS-Geräte es den Wissenschaftlern ermöglicht, die Bewegungen des Bodens bei großen Erdbeben zu untersuchen. GPS hat zu besseren Warnsystemen für Naturkatastrophen wie Sturzfluten und Vulkanausbrüche geführt. Und Forscher haben einige GPS-Empfänger sogar so umfunktioniert, dass sie als Schneesensoren, Gezeitenmesser und andere unerwartete Instrumente zur Vermessung der Erde dienen.

„Die Leute hielten mich für verrückt, als ich anfing, über diese Anwendungen zu sprechen“, sagt Kristine Larson, eine Geophysikerin an der University of Colorado Boulder, die viele dieser Entdeckungen gemacht hat und darüber in der Annual Review of Earth and Planetary Sciences 2019 schrieb. „Nun, es hat sich herausgestellt, dass wir dazu in der Lage waren.“

Hier sind einige überraschende Dinge, von denen Wissenschaftler erst vor kurzem erkannt haben, dass sie mit GPS möglich sind.

Ein Erdbeben spüren

Seit Jahrhunderten verlassen sich Geowissenschaftler auf Seismometer, die messen, wie stark der Boden bebt, um die Stärke und das Ausmaß eines Erdbebens zu bestimmen. GPS-Empfänger dienten einem anderen Zweck: Sie verfolgten geologische Prozesse, die auf viel langsameren Skalen ablaufen, wie z. B. die Geschwindigkeit, mit der die großen Krustenplatten der Erde im Rahmen der so genannten Plattentektonik aneinander vorbeischleifen. So könnte GPS den Wissenschaftlern Aufschluss über die Geschwindigkeit geben, mit der sich die gegenüberliegenden Seiten der San-Andreas-Verwerfung aneinander vorbeischieben, während Seismometer die Bodenerschütterungen messen, wenn diese kalifornische Verwerfung bei einem Beben zerbricht.

Die meisten Forscher waren der Meinung, dass GPS nicht genau genug und schnell genug messen kann, um bei der Bewertung von Erdbeben nützlich zu sein. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Wissenschaftler aus den Signalen, die GPS-Satelliten zur Erde senden, zusätzliche Informationen herausholen können.

Diese Signale bestehen aus zwei Komponenten. Die eine ist die einzigartige Reihe von Einsen und Nullen, der so genannte Code, den jeder GPS-Satellit sendet. Das zweite ist ein kürzerwelliges „Trägersignal“, das den Code vom Satelliten überträgt. Da das Trägersignal eine kürzere Wellenlänge hat – nur 20 Zentimeter – im Vergleich zur längeren Wellenlänge des Codes, die Dutzende oder Hunderte von Metern betragen kann, bietet das Trägersignal eine hochauflösende Möglichkeit, einen Punkt auf der Erdoberfläche zu lokalisieren. Wissenschaftler, Vermessungsingenieure, das Militär und andere benötigen oft eine sehr genaue GPS-Ortung, und dazu ist nur ein komplizierterer GPS-Empfänger erforderlich.

Überwachung eines Vulkans

Nicht nur bei Erdbeben, sondern auch bei anderen Naturkatastrophen hilft die Geschwindigkeit von GPS den Behörden, schneller zu reagieren, sobald sie sich ereignen.

Viele Vulkanobservatorien haben beispielsweise GPS-Empfänger rund um die von ihnen überwachten Berge aufgestellt, denn wenn sich das Magma im Untergrund bewegt, bewegt sich oft auch die Oberfläche. Indem sie beobachten, wie sich die GPS-Stationen rund um einen Vulkan im Laufe der Zeit heben oder senken, können sich die Forscher ein besseres Bild davon machen, wohin das geschmolzene Gestein fließt.

Sondieren Sie den Schnee

Einige der unerwartetsten Einsatzmöglichkeiten von GPS ergeben sich aus den unsaubersten Teilen des Signals – den Teilen, die vom Boden abprallen.

Ein typischer GPS-Empfänger, wie der in Ihrem Smartphone, empfängt hauptsächlich Signale, die direkt von GPS-Satelliten über dem Boden kommen. Er empfängt aber auch Signale, die von dem Boden, auf dem Sie gehen, abprallen und zu Ihrem Smartphone reflektiert werden.

Viele Jahre lang dachten die Wissenschaftler, diese reflektierten Signale seien nur Rauschen, eine Art Echo, das die Daten verwischt und es schwer macht, herauszufinden, was vor sich geht. Aber vor etwa 15 Jahren begannen Larson und andere sich zu fragen, ob sie die Echos in wissenschaftlichen GPS-Empfängern nutzen könnten. Sie untersuchte die Frequenzen der Signale, die vom Boden reflektiert wurden, und deren Kombination mit den Signalen, die den Empfänger direkt erreichten. Daraus konnte sie auf die Eigenschaften der Oberfläche schließen, von der die Echos zurückgeworfen wurden. „Wir haben diese Echos einfach zurückentwickelt“, sagt Larson.