GPS có nhiều ứng dụng hơn bạn tưởng

Công nghệ GPS được biết đến như là một trợ lí ảo giúp chúng ta thoát khỏi những đoạn đường ùn tắc bởi các phương tiện giao thông và những tình huống "não cá vàng". Nhưng bên cạnh đó, nó còn đang được sử dụng trong những mục đích vốn chẳng hề định sẵn cho GPS.



Hệ thống GPS bao gồm một nhóm những vệ tinh có thể gửi tín hiệu tới bề mặt của Trái Đất. Những tìm hiệu này sẽ được thu bởi những thiết bị khác nhau trong đó có điện thoại thông minh của chúng ta, giúp xác định vị trí chính xác của người dùng với sai số thuộc khoảng 1-10 mét nhờ vào cơ chế tính toán thời gian nhận tín hiệu từ tối thiểu bốn vệ tinh khác nhau. Với những thiết bị thu tín hiệu GPS đắt tiền hơn, các nhà khoa học có thể giảm sai số xuống chỉ còn vài centimet hoặc thậm chí là milimet. Họ còn phát hiện ra rằng nếu mình sử dụng thông tin này kết hợp với những phương thức phân giải tín hiệu mới, GPS sẽ có thể mang lại những thông tin về hành tinh của chúng ta nhiều hơn những gì họ từng nghĩ.

Nhờ vào các thiết bị GPS với tốc độ và độ chính xác cao hơn, các nhà khoa học đã có thể lý giải được cách mà bề mặt Trái Đất dịch chuyển khi có động đất. GPS cũng đã giúp cải thiện các hệ thống cảnh báo thiên tai sớm trong đó có những hiện tượng như lũ quét và phun trào núi lửa. Thậm chí các nhà nghiên cứu còn ứng dụng công nghệ GPS vào cảm biến tuyết hay đồng hồ đo thủy triều và nhiều công cụ sáng tạo khác trong việc theo dõi sự vận động của tự nhiên.

Kristine Larson là một nhà địa vật lý thuộc trường Đại học Colorado Boulder, và cũng là người đã đem tới nhiều ứng dụng bất ngờ của GPS. Cô viết trong bản Đánh giá thường niên năm 2019 về Khoa học Trái Đất và các hành tinh rằng: "Mỗi khi tôi bắt đầu nói về những ứng dụng kiểu này, người ta thường nghĩ rằng tôi bị điên. Nhưng cuối cùng chứng lại trở thành những giải pháp hữu hiệu trong cuộc sống".




Dưới đây là một vài công dụng bất ngờ của GPS mới được khám phá bởi giới khoa học trong thời gian gần đây.




1. Phát hiện sự chuyển động của mặt đất

Trong suốt nhiều thế kỉ qua, các nhà địa chất chỉ có thể đo sự rung lắc của mặt đất bằng các máy đo địa chất, đây cũng là công cụ giúp đánh giá độ lớn và độ thiệt hại của các cơn động đất. Các thiết bị có khả năng nhận tín hiệu GPS cũng đã được sử dụng trong việc theo dõi những quá trình vận động về địa chất xảy ra ở tốc độ chậm hơn rất nhiều, trong đó có việc đo đạc tốc độ các mảng lớn của bề mặt Trái Đất xô vào một mảng khác trong quá trình kiến tạo địa tầng.

Hầu hết các nhà nghiên cứu đều hoài nghi về tính chính xác và tốc độ của GPS trong việc đánh giá các cơn động đất. Hóa ra tín hiệu GPS còn mang nhiều giá trị về mặt thông tin hơn thế.

Những tín hiệu này bao gồm hai thành phần. Một là dãy mã kéo dài gồm những số 0 và 1 mà vệ tinh GPS gửi. Thành phần thứ hai chính là tín hiệu sóng mang với bước sóng ngắn hơn dùng để truyền đoạn mã trên từ vệ tinh. Do sóng mang có bước sóng ngắn hơn (khoảng 20 centimet) so với bước sóng của đoạn mã (từ 10 mét đến hàng trăm mét) nên loại sóng này giúp xác định một ví trí trên bề mặt Trái Đất với độ chuẩn xác cao. Các nhà khoa học, nhân viên địa chính hay quân đội là những đối tượng thường xuyên cần có GPS độ chính xác lớn, và để làm được điều này, họ phải được trang bị những thiết bị thu sóng GPS phức tạp hơn.

Tuy nhiên, các kĩ sư đã cải thiện tần số cập nhật vị trí của các thiết bị thu GPS, tín hiệu nhận về sẽ được làm mới 20 lần mỗi giây hay thậm chí là nhanh hơn nữa. Nhờ vào đó, GPS đã được đưa vào để theo dõi sự chuyển động của mặt đất trong động đất.

Vào năm 2003, trong một nghiên cứu tương tự, Larson và đồng nghiệp đã sử dụng thiết bị thu GPS rải rác trên khu vực phía Tây của Hoa Kì để nghiên cứu về cách mặt đất di chuyển khi sóng địa chấn gợn lên từ một cơn động đất mạnh 7,9 độ richter xảy ra tại Alaska. Vào năm 2011, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thành công dữ liệu GPS từ trận động đất 9,1 độ richter đã tàn phá Nhật Bản để cho thấy rằng đáy biển đã dịch chuyển tới 60 mét trong khi hiện tượng này xảy ra.

Ngày nay, các nhà khoa học đang tìm hiểu cách thức để nhanh chóng đánh giá các cơn địa chấn từ dữ liệu GPS. Diego Malgar thuộc thường đại học Orgeon và Gavin Hayes làm việc tại Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kì tại Colorado đã cùng nhau nhiên cứu 12 trận động đất lớn để thử nghiệm tính khả thi của ý tưởng kể trên. Họ nhận thấy rằng, nếu kết hợp với dữ liệu từ các trạm GPS gần tâm chấn, sẽ chỉ mất 10 giây để xác định được sức tàn phá của các trận động đất.

Các nhà nghiên cứu ở dọc bờ Tây của Hoa Kì thậm chí còn kết hợp GPS vào hệ thống cảnh báo sớm động đất của mình để phát hiện các rung động của mặt đất và thông báo cho người dân về thảm họa sắp xảy ra. Chile cũng đã xây dựng một mạng lưới GPS để tăng tính chính xác của thông tin thu được trong việc dự đoán khả năng xuất hiện các cơn sóng thần gây ra bởi động đất.

2. Theo dõi núi lửa

Bên cạnh theo dõi động đất, tính nhanh chóng của GPS đang giúp các chính phủ phản ứng kịp thời trước các thảm họa tự nhiên khi chúng xảy ra.

Ví dụ, nhiều đài quan sát núi lửa đã được trang bị máy thu GPS, chúng được xếp xung quanh miệng núi bởi vì khi magma bắt đầu dịch chuyển từ dưới lòng đất lên, nó cũng sẽ làm cho mặt đất di chuyển. Bằng việc theo dõi sự thay đổi về độ cao của các trạm GPS này, các nhà nghiên cứu có thể thu thập thêm thông tin về dòng chảy của dung nham.

Trước vụ phun trào lớn của ngọn núi lửa Kilauea ở Hawaii, các nhà nghiên cứu đã sử dụng GPS để phát hiện ra phần dịch chuyển nhanh nhất của ngọn núi. Những thông tin thu được đã giúp chính quyền nơi này đưa ra quyết định di tản dân cư ở những khu vực bị ảnh hưởng.

Dữ liệu GPS cũng hữu ích ngay cả khi ngọn núi lửa đã phun trào. Bởi vì tín hiệu truyền từ vệ tinh xuống đất sẽ phải đi xuyên qua các vật chất được phun lên trên không từ miệng núi lửa. Năm 2013, một vài nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu dữ liệu GPS từ hoạt động của ngọn núi lửa Redoubt ở Alaska bốn năm trước đó và nhận thấy rằng khi vụ phun trào bắt đầu, các tín hiệu GPS đã bị biến dạng.

Nhờ vào việc nghiên cứu sự biến dạng kể trên, các nhà khoa học có thể ước tính được lượng tro đã phun ra và tốc độ di chuyển. Trong một bài báo sau đó, Larson đã gọi ứng dụng này là "một cách mới để phát hiện những đám mây bụi núi lửa".

Cô và các đồng nghiệp đang tìm cách để mở rộng ứng dụng này trên cả các loại máy thu tín hiệu GPS dùng cho điện thoại thông minh. Bước tiến này sẽ giúp giới khoa học xây dựng mạng lưới GPS giá rẻ trong việc theo dõi các đám mây bụi núi lửa, một mối nguy trực tiếp tới động cơ của máy bay.



3. Đo đạc lớp tuyết

Một trong những ứng dụng bất ngờ của tín hiệu GPS hóa ra lại đến từ phần sóng bị phản xạ chứ không phải hấp thu bởi các thiết bị có trên mặt đất.

Mỗi máy thu GPS thông thường sẽ trực tiếp đón nhận tín hiệu gửi từ các vệ tinh ở ngoài vũ trụ. Song chúng cũng có khả năng đón nhận những tín hiệu bị phản xạ lại bởi mặt đất. Trong nhiều năm liền, các nhà khoa học đã tin rằng những tín hiệu bị phản xạ này chỉ là những thứ gây nhiễu, làm rối và ảnh hưởng tới giá trị thực của dữ liệu. Nhưng 15 năm trước, Larson và nhóm của cô đã nảy sinh góc nhìn ngược lại, họ tự hỏi liệu mình có thể tận dụng những sóng phản xạ này trên các thiết bị thu GPS chuyên dụng hay không. Sau đó, cô đã bắt đầu nghiên cứu về tần số của tín hiệu bị phản xạ, về cách mà chúng cộng hưởng lại với các tín hiệu được đón trực tiếp bởi máy thu. Và từ những thông tin này, cô có thể suy luận về chất liệu cấu thành nên bề mặt mà nó phản xạ.

Hướng tiếp cận mới này đã giúp giới khoa học hiểu thêm về mặt đất nơi đặt các máy thu sóng GPS, ví dụ như là về độ ẩm của đất hay về lượng tuyết tích tụ trên một bề mặt (lớp tuyết bao phủ càng dày thì khoảng cách từ thiết bị tới mặt phản xạ của sóng càng ngắn). Nhờ đó mà các trạm GPS còn có thể hoạt động như những thiết bị đo đạc độ dày của lớp tuyết tại khu vực núi cao với nguồn nước ngọt chủ yếu tới từ lớp băng trên các đỉnh núi cao.

Kĩ thuật này cũng hoạt động rất hiệu quả tại Bắc Cực và Nam Cực, nơi mà hiện chỉ có một số ít những trạm thời tiết có khả năng đo đạc được lượng tuyết rơi hàng năm. Matt Seigfried và các đồng nghiệp thuộc Trường Mỏ Colorado đã nghiên cứu về sự tích tụ của tuyết tại 23 trạm GPS ở phía Tây của Nam Cực trong khoảng thời gian từ năm 2007 đến 2017. Nhờ đó mà họ phát hiện rằng mình có thể trực tiếp theo dõi được sự thay đổi của lớp tuyết. Đây là thông tin quan trọng cho giới nghiên cứu trong việc đánh giá lượng tuyết mà các khối băng tại nơi này bồi thêm trong mỗi mùa đông, và so sánh chúng với lượng đã mất đi trong mùa hè.

4. Theo dõi thủy triều

Bên cạnh những ứng dụng trong việc theo dõi mặt đất, GPS còn được sử dụng trong đo đạc mực nước.

Tháng Bảy vừa qua, một kĩ sư tại Tổ chức Nghiên cứu Địa vật lí UNAVCO thuộc bang Colorado, Mỹ là John Galezka đã lắp đặt nhiều trạm GPS tại ngã ba sông Hằng và sông Brahmaputra trên địa phận thành phố Bangladesh. Mục đích của việc này là để tìm hiểu xem liệu các lớp trầm tích trên sông có bị nén lại khiến mặt đất dần chìm xuống hay không. Điều này sẽ khiến khu vực kể trên dễ bị ngập lụt bởi bão nhiệt đới và hiện tượng mực nước biển dâng lên. Galerzka tin rằng: "GPS chính là một công cụ tuyệt vời để không chỉ trả lời câu hỏi này mà còn giúp giải đáp nhiều nghi vấn khác".

Tại một cộng đồng sản xuất nông nghiệp tên là Sonatala bên bìa rừng ngập mặn, Galetzka và nhóm của mình đã đặt một trạm GPS trên mái của một ngôi trường tiểu học. Họ cũng đã thiết lập trạm thứ hai ở gần đó, trên đỉnh của một cây gậy đóng ngập vào một cánh đồng lúa. Nếu mặt đất thực sự bị chìm xuống thì độ cao của trạm thứ hai này sẽ bị thay đổi. Không chỉ vậy, bằng việc ghi lại tín hiệu GPS phản chiếu từ phía dưới của các trạm GPS, các nhà khoa học còn có thể đo đạc nhiều nhân tố khác trong đó có lượng nước đọng lại trên cánh đồng lúa trong mùa mưa.

Máy thu GPS cũng tỏ ra hữu dụng đối với các nhà hải dương học và thủy thủ dưới dạng một thước đo thủy chiều. Larson đã tìm ra ứng dụng này trong khi đang nghiên cứu dữ liệu GPS từ Vịnh Kachemak tại Alaska. Trạm GPS này đã được thiết lập nên để phục vụ mục đích nghiên cứu các biến dạng của mảng kiến tạo, song Larson vẫn còn chưa thỏa mãn hết sự tò mò của mình, bởi đây là vùng vịnh có sự thay đổi về thủy triều rõ rệt nhất trên cả nước Mỹ. Và từ những tín hiệu GPS phản lại từ mặt nước tới thiết bị thu, cô có thể theo dõi được sự thay đổi về thủy triều với độ chính xác tương đương với thước đo truyền thống ở một bến cảng gần đó.



5. Phân tích không khí

GPS còn giúp chúng ta thu thập thông tin về bầu trời theo cách mà chẳng có nhà khoa học nào từng nghĩ tới một vài năm trước. Do hơi nước, phân tử tích điện và các yếu tố khác có thể ngăn cản sự truyền đi của tín hiệu GPS trong không khí, đây là một yếu tố giúp phát sinh nhiều ứng dụng mới của công nghệ này.

Một nhóm các nhà khoa học hiện đang sử dụng GPS để nghiên cứu lượng hơi nước có khả năng tạo mưa hoặc tuyết trong bầu khí quyển. Họ đã sử dụng những thay đổi này để tính toán lượng nước có khả năng rơi xuống trong các trận mưa lớn, từ đó giúp các nhà dự báo thời tiết điều chỉnh dự đoán của mình về các trận lũ quét ở nhiều địa điểm trong đó có Nam California. Trong cơn bão diễn ra vào tháng 7/2013, các nhà khí tượng học đã sử dụng dữ liệu GPS để theo dõi độ ẩm gió mùa di chuyển trên bờ biển đó, đây là những thông tin quan trọng giúp đưa ra cảnh báo sớm 17 phút so với thời điểm lũ quét xảy ra.

Tín hiệu GPS cũng bị ảnh hưởng khi truyền qua các phân tử có tích điện thuộc tầng điện li của bầu khí quyển. Các nhà khoa học đã sử dụng dữ liệu GPS để theo dõi những thay đổi trong tầng điện ly khi có sóng thần lướt qua vùng biển bên dưới nó (lực đẩy của sóng thần tạo ra những thay đổi trong bầu khí quyển gợn lên tới tận tầng điện li). Kĩ thuật này một ngày nào đó có thể bổ sung cho hệ thống cảnh báo sớm sóng thần truyền thống vốn chỉ sử dụng những phao nổi rải rác trên đại dương để đo chiều cao của sóng tới.

Không chỉ vậy, một nhóm các nhà khoa học thậm chí còn có thể sử dụng GPS để nghiên cứu những ảnh hưởng của nhật thực toàn phần. Vào tháng 8/2017, họ đã sử dụng các trạm GPS trên khắp nước Mỹ để đo xem số lượng electron trong bầu khí quyển phía trên giảm xuống như thế nào khi bóng của mặt trăng di chuyển qua lục địa này.

Từ những dẫn chứng kể trên, ta có thể thấy rằng ngoài công dụng phổ biến nhất của GPS là điều hướng thì nó cũng dần được áp dụng trong các mục đích mang tính khoa học khác.