علم و فناوری با تغییر سطح زمین

زمین لرزه های بزرگی در ژوئیه سال 2019 صحرای موهاوی کالیفرنیا را لرزاند و باعث ایجاد یک اختلال اساسی در گسل گارلاک شد که گسل بدنام San Andreas را در 50 مایلی شمال شرقی لس آنجلس قطع می کند. بر اساس یک مطالعه اخیر ، این جنبش احتمال لرزش بزرگ سان آندریاس – “بزرگ” که بسیاری از ساکنان جنوب کالیفرنیا از آن می ترسند ، تا سه برابر افزایش یافت .

زلزله یادآوری چشمگیر یک واقعیت از زندگی در این سیاره است که ما اغلب از آن غافل می شویم. صفحات تکتونیکی زمین در حرکت مداوم هستند و قاره ها – و همه ما – را برای سوار شدن همراه خود دارند.

مرزهای این صفحات گسل ایجاد می کنند. گسل سن آندریاس جایی است که صفحه اقیانوس آرام با صفحه آمریکای شمالی برخورد می کند. وقتی فشار بیش از حد شدید می شود – به طور متوسط ​​هر 100 سال یک بار – باعث ایجاد یک زمین لرزه در مقیاس بزرگ سان آندریاس می شود.

زمین هرگز نمی خوابد

هنگام وقوع زلزله ، چشم انداز فیزیکی می تواند در عرض چند دقیقه دچار تغییرات گسترده شود. اشیا Station ساکن – مانند درختان ، جاده ها ، ساختمان ها و چراغ های تابشی – که لحظه ای قبل یک نقطه منحصر به فرد در جهان را اشغال کرده بودند ، اکنون مکان دیگری را اشغال کرده است.

بلافاصله پس از مگا لرزه Tohoku-oki 2011 در ژاپن ، زمینی در نزدیکی مرکز زمین لرزه در فاصله 20 فوت از موقعیت قبلی قرار گرفت. تغییرات موقعیتی اندکی در فاصله بسیار دور اروپا و روسیه رخ داده است.

برای بیشتر افرادی که زمین لرزه را تجربه می کنند ، این جابجایی زمین در لیست نگرانی ها پایین است. برای نقشه برداران حرفه ای زمین ، این بدان معنی است که ، از نظر تئوری ، هر اندازه گیری که قبلاً در مورد منطقه ثبت کرده اند اشتباه است.

با این حال ، زمین لرزه ای مانند Tōhoku نیازی به بررسی مجدد کامل ژاپن ندارد. در عوض ، نقشه برداران می توانند با استفاده از یک مدل تغییر شکل ، بر اساس پارامترهای زلزله ، داده های خود را در یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) به روز کنند.

تغییرات فاجعه بار تنها حرکاتی نیستند که نقشه بردارهای vex دارند – آنها همچنین باید تغییرات کوچک “پوسته” ناشی از تغییر صفحات تکتونیکی را در نظر بگیرند . در مناطق دارای فعالیت لرزه ای بالا ، مانند مناطق تحت تأثیر گسل سان آندریاس ، زمین می تواند هر ساله چندین سانتی متر جابجا شود.

برای بسیاری از پروژه های نقشه برداری ، این اختلاف ناچیز است. برای کسانی که خواستار دقت بالا هستند ، این یک مشکل است. در صورت لزوم نقشه برداران می توانند دقت سطح میلی متر را ارائه دهند. اما این مهارت نیاز به محاسبه ای دارد که ژئودزی ، دانش زمینه پیمایشی ، برای هزاره ها با آن دست و پنجه نرم کرده است.

ژئودزی برای نجات

زمین شناسان شکل سیاره ، چرخش و میدان گرانش آن را مطالعه می کنند. این علم به یونان باستان باز می گردد ، زمانی که اراتوستن با مشاهده خورشید و اندازه گیری فاصله بین دو شهر ، محاسبه محیط زمین را انجام می دهد. (نتیجه گیری وی در مورد 25000 مایل فقط 100 مایل خاموش بود.)

برای 2000 سال آینده ، زمین شناسان بیضی های مختلفی را ساختند و اصطلاحات ریاضی در ابعاد سیاره را تصفیه کردند. با توسعه نقشه برداری مدرن ، نقشه برداران بیضی را اتخاذ کردند که دقیق ترین نتیجه را در مناطق مربوط به آنها ارائه می داد.

هر بیضی به خودی خود کاربرد محدودی دارد. برای تولید طول و عرض جغرافیایی ، نقشه برداران به یک سیستم مرجع مختصات (CRS) یا داده – یک شبکه مجازی که در اطراف آن بیضوی پیچیده شده است ، نیاز داشتند.

در طول قرن ها ، زمین شناسان و نقشه برداران با استفاده از داده هایی با دامنه گسترده تر ، جهان را بهم گره زدند. هر یک از داده ها به یک نقطه مرجع پیوند داده می شد ، یک نقطه در این سیاره که نقاط دیگری از آن در مقابل آن تعریف شده است. در بیشتر قرن بیستم ، نقطه مرجع آمریکای شمالی در مزرعه ای در کانزاس قرار داشت .

توسعه سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) یک انقلاب داده ایجاد کرد. تا آن زمان ، همه داده ها زمینی بودند ، هر کدام به نقطه مرجع زمینی خود متصل می شدند ، و یک تکه بین المللی از داده ها را تشکیل می دادند که هرگز کاملاً همسو نبودند ، مانند یک اره برقی با قطعات ناقص.

GPS مبتنی بر فضا است و به طور کلی به زمین ارجاع می شود . آژانس اطلاعات ملی فضایی ، در ویرجینیا ، بیضوی GPS ، World Geodetic System 1984 (WGS84) را نگهداری می کند. گیرنده های GPS با اندازه گیری زمان انتقال سیگنال های ارسالی از صورت فلکی ماهواره GPS ، با استفاده از CRS که واقعاً بین المللی است ، مکان خود را محاسبه می کنند . با تجهیزات مناسب ، گیرنده های GPS می توانند به دقت میلی متر برسند.

با شروع GPS ، دانشمندان می توانند برای اولین بار حرکت صفحه تکتونیکی را مشاهده و اندازه گیری کنند. در سال 2003 ، یک کنسرسیوم از مسسات تحقیقاتی برای بررسی تغییر شکل زمین ناشی از حرکت صفحه های آمریکای شمالی و اقیانوس آرام ، رصدخانه Plate Boundary Observatory را تأسیس کردند ، شبکه ای از گیرنده های GPS که در سراسر غرب ایالات متحده قرار دارند.

معمایی برای نقشه برداران

طبیعتاً نقشه برداران از دقت GPS نیز بهره مند می شوند. اما برای آنها ، حرکت صفحه مشکل ایجاد می کند. داده های قدیمی زمینی بودند و بشر نیز همین طور است. هنگامی که صفحات حرکت می کند، مردم با آنها حرکت کند، بنابراین از این دیدگاه، دادهای پایدار باقی می ماند مبتنی بر زمین و شخص .

از آنجا که داده های GPS مبتنی بر فضا هستند ، پویا هستند . از منظر صفحه متحرک محدود به زمین ، مکان های مختصات نشان دهنده تغییر در طول زمان است. برای هر پروژه وابسته به نظرسنجی که در طول زمان نیز طول بکشد ، این پویایی مسئله ای را ایجاد می کند.

یک پروژه پل را تصور کنید. با استفاده از این نقشه به عنوان راهنما ، نقشه برداران مختصات موجود در هر دو ساحل رودخانه را ثبت می کنند. ساخت و ساز در ساحل سمت چپ آغاز می شود و به داخل آب منتقل می شود ، اما بودجه قبل از شروع هر کاری در ساحل راست به پایان می رسد.

پنج سال بعد ، ساخت و سازها در ساحل راست ، براساس مختصات بررسی شده قبلی ، آغاز می شود. همانطور که اکیپ های ساختمانی بیشتر از رودخانه ساخته می شوند ، متوجه می شوند که دو طرف به درستی در وسط به هم متصل نیستند. مشکل: حرکت صفحه در طی پنج سال دقت مختصات هدایت شده توسط GPS را به خطر انداخته است.

برای جلوگیری از این شرایط ، داده های GPS به “دوره ها” تقسیم می شوند ، واحدهای زمانی که برای حرکت صفحه درست هستند. نقشه برداران اغلب “به گذشته برمی گردند.” اگر مثلاً برای آنها مشخص شده باشد که مختصات شبکه های جدید فاضلاب را مشخص کنند ، آنها اندازه گیری های مبتنی بر GPS را تنظیم می کنند تا دوره زمانی را که شهر برای کنترل سیستم فاضلاب خود از GPS استفاده می کند منعکس کند.

گام بعدی

اگرچه نقشه برداران اکنون می توانند داده ها را با مدل های تغییر شکل به روز کنند ، آنها این محاسبات را جداگانه انجام می دهند ، و سپس داده ها را مجدداً وارد GIS می کنند. مرحله بعدی ادغام این محاسبات در محیط GIS است.

زمین شناسان و نقشه برداران در زمینه استانداردها همکاری می کنند تا ادغام را امکان پذیر سازند. این به شما این امکان را می دهد تا نقشه برداران تغییرات ناگهانی ناشی از زمین لرزه و برخی فرایندهای انسانی مانند پروژه های بزرگ استخراج معدن – و همچنین شیفت های منتسب به پایداری صفحات تکتونیکی را حساب کنند.

کوین ام. کلی ، متخصص زمین شناسی که تلاش های استاندارد سازی را بر عهده دارد ، اظهار داشت که علاقه مندان به این پروژه نشان داده اند. تلاش اولیه برای سازماندهی بیش از 200 نفر از سراسر جهان را به خود جلب کرد.

وی اخیراً گفت: “داشتن این تعداد نفر در اولین تماس ما ، برای چیزی باطنی به عنوان مدل تغییر شکل برای GIS و نقشه برداری ، بی سابقه است.” “در پایان ، آنها یک استاندارد دارند که به جامعه می گوید چگونه می توان از یک مدل برای منطقه خود استفاده کرد. و اگر زلزله ای اتفاق بیفتد ، آنها فقط آن را رمزگذاری می کنند ، بلعیده و اعمال می کنند. “