Studiul vremii prin maparea oceanelor cu GPS
0 likes17 views
nva cum funcioneaz sateliii Sistemului de Poziionare Global (GPS). Afl cum folosesc sateliii Topex i Jason-1 datele GPS pentru a face hri topologice foarte precise ale oceanelor. Discipline: tiina Pm但ntului, geometria, tehnologia spaial Activitate: ntreaga clas, interior, demonstraie de tip joc
Studiul vremii prin maparea oceanelor cu GPS
- 1. 1 Publicat iniial 樽n The Technology Teacher, Martie 2001, de International Technology Education Association Traducere, editare i adaptare de Nicolae Sfetcu, www.telework.ro, nicolae@sfetcu.com, 0745526896 Cu excepia cazului 樽n care petreci mult timp pe mare - sau zbur但nd peste ea - este greude crezut c multmai mult planet este sub ap dec但t deasupra apei. De asemenea, este greu de imaginat c cele mai ad但nci pri ale oceanului sunt mult mai ad但ncidec但t cei mai 樽nali muni. Dar e adevrat! Este mult apsrat. UN SISTEM URIA DE TRANSPORT AL ENERGIEI Pe l但ng toate algele marine, petii i balenele care numesc toat aceast ap casa lor, oceanele dein, de asemenea, o cantitate imens de cldur. Primii 3 metri ai oceanului conin o cantitate de energie termic mai mare dec但t 樽ntreaga atmosfer a Pm但ntului (care se 樽ntinde pe sute de kilometri). Apa din oceanele lumii nu are aceeai temperatur. n unele locuri, ca 樽n apropierea ecuatorului Pm但ntului, apa absoarbe o cantitate mare de energie termic de la Soare. n alte locuri, ca 樽n apropierea polilor nord i sud, apa se rcete, deoarece lumina direct a soarelui nu ajunge 樽n acele locuri. Apa curge uor, se mic 樽n jurul Pm但ntului, lu但nd cldura dintr-un loc i transport但nd-o 樽n alt loc. Toat aceast energie termic 樽n micare este cea mai important cauz a vremii. Furtuni, ploi, zpad, v但nt, uragane, secete, vreme cald, vreme rece - 樽ntr-un mod foarte complicat, oceanele sunt responsabile de toate acestea. De exemplu, El Ni単o este ceea ce numim cauza pentru care se adun mult ap cald 樽ntr-un singur loc din Oceanul Pacific i provoac vreme neobinuit 樽n multe locuri din 樽ntreaga lume. SPIONII DIN CER AI VREMII GLOBALE Pentru a 樽nelege vremea, trebuie s 樽nelegem oceanele i modul 樽n care acestea transport cldura 樽n jurul Pm但ntului. Jason-1 a fost o nav spaial care a orbitat Pm但ntul, studiind oceanele. Va fi lansat 樽n vara anului 2008. A continuat i a extins datele colectate de nava spaial TOPEX/Poseidon, care din 1992 a orbitat Pm但ntul la o altitudine de peste 1300 de kilometri. Jason-1 a folosit un altimetru pentru a msura 樽nlimea suprafeei oceanului. n timp ce nava spaial zbura peste un ocean, altimetrul trimitea un semnal radio pe suprafaa apei. Semnalul se reflecta din ap i se 樽ntorcea la nava spaial. Msur但nd c但t dureaz semnalul radio s revin i msur但nd cu precizie locaiile navei spaiale, altimetrul poate determina 樽nlimea suprafeei oceanului 樽n acel punct. Folosind aceste informaii, oamenii de tiin pot crea hri foarte detaliate ale suprafeelor oceanului din 樽ntreaga lume. Cu c但t suprafaa oceanului este mai 樽nalt, cu at但t apa este mai cald. Altimetrul lui Jason-1 a fost chiar mai sensibil dec但t TOPEX/Poseidon. La fel ca TOPEX/Poseidon, Jason-1 a avut un instrument numit radiometru care a msurat i a inut cont de cantitatea de ap din aer (de exemplu, 樽n nori), care afecteaz i viteza cu care se deplaseaz semnalul radio. Ambele nave spaiale au realizat hri foarte detaliate ale topografiei oceanelor - adic dealurile i vile de pe suprafaa oceanului. Oamenii de tiin pot apoi s studieze aceste hri, s vad cum se schimb topografia de la o zi la alta i sptm但nal, i s 樽neleag i s prezic mai bine tiparele meteo globale. UNDE SUNTEM NOI PE PMNT? Cum pot aceste nave spaiale s realizeze astfel de hri exacte? La urma urmei, nu numai c trebuie s cunoasc foarte exact 樽nlimea suprafeei oceanului, ci trebuie s rie cu o precizie de c但iva centimetri locul 樽n care se afl 樽n spaiu fa de Pm但nt. STUDIUL VREMII PRIN MAPAREA OCEANELOR CU GPS
- 2. 2 Sarcina de a afla poziia exact 樽n orice moment al unui obiect care cltorete cu peste 25.000 kilometri pe or ar fi extrem de dificil, chiar i la sol, dar cu TOPEX/Poseidon i Jason-1, nava spaial se afl la 1300 de kilometri deasupra noastr 樽n spaiu! Cum este posibil acest lucru? Exist de fapt trei instrumente la bordul TOPEX/ Poseidon i Jason-1 care ajut la msurarea poziiei lor. Unul dintre ele, Global Positioning System Demonstration Receiver (GPSDR), utilizeaz semnale provenite de la o constelaie de 24 de satelii ai sistemului de poziionare global (GPS), care au fost lansai anterior 樽n spaiu de ctre Departamentul de Aprare al Statelor Unite. n urmtoarea activitate, vom explora modul 樽n care Jason-1 va utiliza semnalele venite de la sateliii GPS pentru a afla locaia exact 樽n spaiu. DE LA CT DE REPEDE LA CT DE DEPARTE Jason-1 樽i gsete locaia folosind dou principii: (1) distan vs. timp, i (2) triangulare. Fiecare satelit GPS emite un semnal radio cu un model unic de repetare. Semnalele radio circul cu o vitez fix (viteza luminii), deci 樽ntr-o anumit perioad de timp, semnalul parcurge o anumit distan. Dac timpul de cltorie este dublat, distana semnalului parcurs este de asemenea dublat. Dac tim timpul necesar semnalului pentru a cltori de la un satelit GPS la Jason-1, putem calcula distana de la nava spaial Jason-1 la acel satelit GPS. Dar dac folosim un singur satelit GPS, tim doar c locaia lui Jason-1 este undeva pe suprafaa unei sfere a crei raz este distana parcurs de semnal. Ne putem face o idee despre cum arat acest lucru 樽n dou dimensiuni folosind cercuri pentru a arta toate locurile care sunt la o distan egal de punctul din centru. Punctul reprezint astfel un satelit GPS, iar cercul reprezint toate locaiile posibile ale navei spaiale Jason-1. Pentru a identifica locaia exact a lui Jason-1 pe acel cerc, trebuie s primim semnale de la mai muli satelii GPS. Dac folosim doi satelii, am obine dou sfere (sau cercuri 樽n aproximaia noastr), reprezent但nd poziiile posibile ale lui Jason-1 fa de fiecare dintre cei doi satelii. Observai c cele dou cercuri se suprapun 樽n dou locuri. Asta 樽nseamn c Jason-1 ar putea fi 樽n oricare dintre cele dou puncte, care ar putea fi distana corect a fiecruia dintre satelii. Aceasta este mai bine, dar 樽nc nu este suficient. MAGICUL NUMR TREI Pentru a afla care dintre cele dou intersecii este locaia corect, Jason-1 trebuie s utilizeze semnalul de la un al treilea satelit GPS. Observai c 樽n a treia diagram exist un singur punct care este Publicat iniial 樽n The Technology Teacher, Martie 2001, de International Technology Education Association Traducere, editare i adaptare de Nicolae Sfetcu, www.telework.ro, nicolae@sfetcu.com, 0745526896
- 3. 3 intersectat de toate cele trei cercuri. Aceast metod de a identifica o locaie utiliz但nd distana cunoscut de la trei puncte diferite se numete triangulare. De fapt, GPS-ul va utiliza minimum patru satelii pentru a identifica poziia exact a lui Jason-1 樽n spaiu. Al patrulea satelit este utilizat pentru sincronizarea ceasurilor dintre Jason-1 i sateliii GPS. Pentru a gsi poziia, trebuie s tii ora precis, astfel 樽nc但t al patrulea satelit este folosit pentru timp. Sateliii suplimentari (de la cinci la opt) sporesc acurateea informaiilor despre poziie. Poziiile fiecruia dintre cei 24 de satelii GPS sunt cunoscute cu o mare precizie. (Vedei finalul acestui articol.) Motivul pentru a avea 24 de satelii GPS 樽n spaiu este s v asigurai c cel puin patru dintre acetia se afl 樽n linie cu oricare punct de pe Pm但nt sau din spaiu 樽n orice moment. Deseori vor fi mult mai muli dec但t cel puin patru satelii GPS vizibili la un moment dat. CONSTRUIETE PROPRIUL SPC (SISTEM DE POZIIONARE N CAMER) Putem demonstra 樽n clas cum funcioneaz GPS pentru a localiza cu precizie obiecte fa de Pm但nt. Vom 樽mpri clasa 樽n dou grupuri. Un grup va folosi triangulaia pentru a 樽nregistra poziiile mai multor obiecte plasate 樽ntr-o camer. Folosind msurtorile din acest prim grup, al doilea grup va 樽ncerca s determine amplasarea exact a obiectelor 樽n prima camer i s recreeze modelul 樽n a doua camer. FACILITI I ECHIPAMENTE NECESARE: Dou camere cu trei scaune fiecare 6 gheme de a 20 pahare de plastic Metru de 1 sau 2 metri PROCEDURA: 1. n mijlocul primei camere (Camera de Vest din ilustraie), aranjai trei scaune 樽n triunghi, fiecare scaun la aproximativ 15 metri de celelalte. Aceste scaune reprezint locaia cunoscut a trei satelii GPS. 2. Aezai c但teva pahare (numerotate 1-10) 樽n jurul camerei. (Asigurai-v c unele dintre pahare sunt 樽n interiorul triunghiului format din cele trei scaune, iar altele sunt 樽n exterior.) Aceste pahare reprezint locaia exact a navei spaiale Jason-1 樽n momente diferite. 3. Desenai locaiile scaunelor i paharelor pe o bucat de h但rtie pentru referin. 4. Aezai c但te un elev pe fiecare scaun din triunghi (etichetate A, B i C) i punei-i s in c但te un ghem de a. 5. Pentru fiecare pahar, 樽ntindei aa de la fiecare scaun (satelit GPS) la pahar (o locaie a navei spaiale Jason-1) i msurai lungimea aei folosind metrul. nregistrai aceast distan pe o diagram de date ca Pahar nr. 1: A = _cm, B = _cm i C = _cm, etc., pentru fiecare pahar. 6. Odat ce locaiile celor 10 pahare au fost obinute, trecei diagrama de date 樽n camera urmtoare (Camera de Est din ilustraie), care are i trei scaune plasate 樽n centrul acesteia 樽ntr-un mod triunghiular similar. n Camera de Vest, msurai distana de la fiecare pahar (diferite locaii ale lui Jason-1) la fiecare dintre cele trei scaune (sateliii GPS) i 樽nregistrai aceste msurtori 樽ntr-un tabel de date. n Camera de Est, folosind tabelul de date, pentru a gsi fiecare poziie a paharelor, utilizai aa pentru a trasa cercuri reprezent但nd distana msurat de la pahar la fiecare scaun, apoi aezai paharul exact 樽n punctul 樽n care cele trei cercuri se intersecteaz. Publicat iniial 樽n The Technology Teacher, Martie 2001, de International Technology Education Association Traducere, editare i adaptare de Nicolae Sfetcu, www.telework.ro, nicolae@sfetcu.com, 0745526896
- 4. 4 7. Folosind cele trei msurtori ale distanei (A, B, C) pentru fiecare pahar, cerei elevilor din a doua camer s 樽ncerce s recreeze locaiile exacte ale celor 10 pahare din prima camer. 8. Odat ce toate cele 10 pahare sunt plasate, comparai amplasamentul cu diagrama de referin care a fost desenat din prima camer. CUM FUNCIONEAZ SISTEMUL DE POZIIONARE GLOBAL NTREBRI: 1. n demonstraie, ce au reprezentat cele trei scaune? 2. Ce au reprezentat paharele? 3. Ce au reprezentat lungimile aelor A, B i C pentru fiecare pahar? 4. n ce fel este diferit triangularea GPS din viaa real fa de modelul nostru din clas? RSPUNSURI: 1. Poziiile cunoscute ale celor trei satelii GPS. 2. Diferite locaii posibile ale navei spaiale Jason-1 樽n timp. 3. Distana de la satelitul GPS la nava spaial Jason-1, 樽n funcie de timpul necesar semnalului GPS pentru a ajunge la Jason-1. 4. Sunt necesare doar trei puncte de referin pentru a localiza un obiect staionar prin metoda de triangulare. Cu toate acestea, atunci c但nd obiectele se mic foarte repede unul fa de cellalt, timpul precis al fiecrei msurtori este foarte important. De aici, necesitatea celui de-al patrulea satelit. Imaginea arat distribuia mai multor satelii pe orbit 樽n jurul pm但ntului. Cu toate acestea, sateliii GPS sunt mult mai departe dec但t cei artai 樽n aceast imagine. Dac msurai limea (diametrul) Pm但ntului din imagine, sateliii GPS orbiteaz la aproximativ o dat i jumtate fa de acea distan de la Pm但nt. Cei 24 de satelii GPS cltoresc pe ase orbite circulare diferite (patru satelii care au aceeai orbit), 樽nclinai la 55 de grade fa de ecuator. Astfel, 樽n orice moment, orice loc de pe pm但nt sau din spaiu poate fi 樽n linia direct a sitului a cel puin ase satelii GPS din apropiere. Triangularea poate fi realizat at但ta timp c但t locaia 樽n cauz poate trasa o linie dreapt neobstrucionat ctre cel puin patru satelii GPS. Pahar # Distanap但nlascaun(cm) A B C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Publicat iniial 樽n The Technology Teacher, Martie 2001, de International Technology Education Association Traducere, editare i adaptare de Nicolae Sfetcu, www.telework.ro, nicolae@sfetcu.com, 0745526896
- 5. 5 Fiecare satelit orbiteaz la o altitudine de cca 17.700 km. Aceast altitudine a fost aleas astfel 樽nc但t fiecare satelit s orbiteze o dat la 12 ore, sau de dou ori pe zi. GPS-ul este format din trei pri: 1. Sateliii. 2. Staiile de control la sol. 3. Receptoare GPS pentru utilizatorul final. IMPORTANT 1. Douzeci i patru de satelii GPS pe orbita medie a Pm但ntului au fiecare ceasuri atomice la bord pentru o precizie mai bun. 2. Staiile terestreurmresc locaiile exacte ale fiecrui satelit GPS i pstreaz ceasurileatomice sincronizate 樽ntre ele. 3. Fiecare satelit GPS transmite o poziie precis i un semnal de timp. Receptoarele GPS de pe ali satelii, cum ar fi Jason-1, nu numai c primesc informaii despre poziie i timp de la semnal, dar iau 樽n considerare i efectul Doppler asupra semnalului 樽n sine. Adic, atunci c但nd doi satelii (de exemplu, un satelit GPS i Jason-1) se apropie unul de cellalt, semnalul radio de la satelitul de recepie apare puin contractat. Dac cei doi satelii se 樽ndeprteaz unul de altul, semnalul radio primit apare puin lrgit. Satelitul receptor tie cum ar trebui s arate semnalul (adic lungimea de und c但nd a fost transmis), astfel 樽nc但t efectul Doppler spune c但tde repede i 樽n ce direcie se mic relativ cei doisatelii unul fade cellalt. Receptorul (precum cel de pe Jason-1) msoar 樽nt但rzierea semnalului care ajunge la el (precum i efectul Doppler). Aceast 樽nt但rziere este msura direct a distanei p但n la satelit. Msurtorile colectate simultan de la patru (sau mai muli) satelii sunt procesate pentru a rezolva cele trei dimensiuni ale poziiei, vitezei i timpului. CE ALTCEVA MAI POATE FACE GPS? Putei accesa site-ul internet http:// gpshome.ssc.nasa.gov i putei afla cum se utilizeaz GPS 樽n 樽ntreaga lume. ncercai s scriei o list cu 5 p但n la 10 utilizri diferite. mprii-le 樽n urmtoarele categorii i descriei-le: Locaie: Determinarea unei poziii de baz Navigare: Din o locaie 樽n alta Urmrire: Monitorizarea deplasrii oamenilor i lucrurilor Mapare: Crearea hrilor globale. Timp: Sincronizare precis la nivel global. De asemenea, putei gsi tutoriale interactive foarte bune despre GPS pe Internet. La acest articol a contribuit de Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, reflect但nd cercetrile efectuate 樽n baza unui contract cu National Aeronautics and Space Administration. A fost scris de Enoch Kwok i Diane Fisher. Domnul Kwok este profesor i consultant la liceu. Dna Fisher este o scriitoare de tiin i tehnologie i proiectant la The Space Place, un site web cu activiti distractive i educaionale legate de spaiu la http://spaceplace.jpl.nasa.gov Pentru mai multe despre oceane i El Ni単o, accesai http://spaceplace.jpl.nasa.gov/topex_make1.htm Pentru mai multe informaii despre misiunea Jason-1, consultai http://topex-www.jpl.nasa.gov/jason1/. Traducere, editare i adaptare de Nicolae Sfetcu, www.setthings.com PDF: https://www.setthings.com/ro/e-books/studiul-vremii- prin-maparea-oceanelor-cu-gps/ Publicat iniial 樽n The Technology Teacher, Martie 2001, de International Technology Education Association Traducere, editare i adaptare de Nicolae Sfetcu, www.telework.ro, nicolae@sfetcu.com, 0745526896