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GPS só existe por causa de duas pessoas: Albert Einstein e Gladys West

A Dra. Gladys West é introduzida no Hall da Fama dos Pioneiros do Espaço e Mísseis da Força Aérea durante uma cerimônia em sua homenagem no Pentágono em Washington, DC em 2018. West era uma figura desconhecida, mas vital, cujas contribuições permitiram a existência da rede GPS atual . (SECRETARIADO DE ASSUNTOS PÚBLICOS DA FORÇA AÉREA)

Uma mulher negra que a maioria nunca ouviu falar tornou o GPS possível.

Ao longo de uma única vida, o mundo mudou de maneiras que seriam praticamente inimagináveis ​​na primeira metade do século 20. Dois grandes avanços que ocorreram na física – relatividade e física quântica – de repente tornaram possíveis uma série de empreendimentos anteriormente impensáveis. De eletrônicos modernos a computadores, smartphones, internet, imagens cerebrais e muito mais, a vida cotidiana em 2021 é muito diferente do que era quando muitos de nós nascemos.

Uma dessas tecnologias que tem sido revolucionária para nossa sociedade é o GPS: o Sistema de Posicionamento Global. De qualquer lugar do mundo, os sinais podem ser transmitidos por uma rede de satélites de órbita média da Terra para onde quer que esteja sua localização, identificando sua posição para uma precisão melhor do que 1 metro (3 pés) mais de 95% do tempo. Dispositivos com os receptores mais recentes (L5), lançados em 2018, são capazes de determinar sua localização de forma confiável em até 30 centímetros (12 polegadas).

Sem o conhecimento da maioria das pessoas, no entanto, a ciência subjacente a essa tecnologia foi desenvolvida principalmente por duas pessoas: Albert Einstein, cujas teorias da relatividade especial e geral desempenham um papel importante, e Gladys West , uma mulher negra ainda viva e em grande parte desconhecida, cujas contribuições científicas nos permitiram entender a geodésia e a forma da Terra bem o suficiente para tornar a tecnologia GPS possível. Aqui está a ciência por trás do motivo pelo qual essa figura oculta do GPS é inestimável.

Os satélites GPS voam em órbita terrestre média (MEO) a uma altitude de aproximadamente 20.200 km (12.550 milhas). Cada satélite circula a Terra duas vezes por dia. Essa configuração garante que pelo menos 4 satélites estejam sempre dentro do alcance de qualquer ponto da Terra, continuamente. (ESCRITÓRIO NACIONAL DE COORDENAÇÃO PARA POSICIONAMENTO BASEADO NO ESPAÇO, NAVEGAÇÃO E CRONOGRAMA)

Aqui na Terra, o GPS é realmente uma tecnologia que só foi possível desde o início da era espacial. Em sua essência, o GPS é ativado por uma rede de satélites que carregam um registro preciso de sua posição no espaço e da passagem do tempo a bordo, sendo o último ativado por relógios atômicos: um a bordo de cada satélite. Esses satélites transmitem continuamente seus dados de posição e tempo através de um sinal de rádio para receptores localizados em qualquer lugar da Terra.

Como a velocidade dessas ondas de rádio - a velocidade da luz - é constante, qualquer pessoa que receba um sinal de quatro satélites GPS de uma só vez, com carimbos de data e posição conhecidos, pode determinar sua posição tridimensional no espaço e sua posição no espaço. hora (ou seja, o desvio do seu relógio da hora a bordo dos satélites).

A uma altura orbital de 21.180 quilômetros (12.540 milhas), um pouco mais de três vezes o raio da Terra, apenas 24 satélites são necessários para fornecer cobertura total a toda a Terra de uma só vez; o sistema GPS dos Estados Unidos, composto por 31 satélites operacionais atualmente, atende o mundo inteiro.

Este diagrama conceitual de triangulação de satélites ilustra como as redes de satélites podem enviar dados para qualquer ponto da Terra, desde que a cobertura contínua seja mantida e órbitas suficientes em várias inclinações sejam usadas. Para satélites GPS, apenas 24 são necessários para cobrir toda a Terra com 4 satélites separados a qualquer momento. (Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images)

Fisicamente, no entanto, você precisa saber três coisas muito importantes para traduzir esses sinais recebidos - as ondas de rádio que chegam dos vários satélites GPS - em uma posição e tempo precisos e precisos. Essas coisas são:

1. movimento , que inclui o movimento dos satélites através do espaço e o movimento de você, o receptor, na superfície da Terra, uma vez que os objetos em movimento experimentam dilatação do tempo e contração do comprimento sob as leis da Relatividade Especial,
2. espaço curvo , que inclui o desvio gravitacional para o azul e a dilatação gravitacional do tempo da luz à medida que se move de uma região de menor curvatura espacial (no espaço) para uma região de maior curvatura espacial (na superfície da Terra), seguindo as regras da Relatividade Geral,
3. e os efeitos da gravidade da Terra , que variam em quantidades pequenas, mas substanciais sobre a superfície da Terra, devido a efeitos como montanhas e vales, a espessura variável da crosta terrestre e até mesmo a quantidade de água subterrânea presente em vários locais do solo.

Quando um quantum de radiação deixa um campo gravitacional, sua frequência deve ser desviada para o vermelho para conservar energia; quando ele cai, ele deve ser deslocado para o azul. Somente se a própria gravitação estiver ligada não apenas à massa, mas também à energia, isso fará sentido. O redshift gravitacional é uma das principais previsões da Relatividade Geral de Einstein. (VLAD2I E MAPOS / WIKIPÉDIA INGLESA)

Você tem que lembrar por que a relatividade – tanto a versão especial quanto a geral – são tão importantes. No espaço, esses satélites orbitam a Terra em velocidades significativas: 13.900 quilômetros por hora (8.600 mph). Enquanto isso, qualquer pessoa na superfície da Terra está experimentando os efeitos da rotação da Terra, que variam de cerca de 1.670 km/h (1.040 mph) no equador até zero nos pólos norte ou sul. Mesmo que essas velocidades relativas sejam muito lentas em comparação com a velocidade da luz, mesmo uma pequena omissão, como um erro de cálculo no tempo de chegada do sinal de um microssegundo, pode levar a um erro na sua posição calculada pelo tamanho de um estádio de futebol!

Da mesma forma, a curvatura do próprio espaço é menor quanto mais longe você se afasta de uma grande massa, e estar a mais de 20.000 quilômetros acima do solo o coloca em um campo gravitacional significativamente mais fraco do que alguém na superfície da Terra. O tempo passa a taxas diferentes em campos gravitacionais mais fortes ou mais fracos, e a quantidade dessa diferença de tempo precisa ser levada em consideração. Sem essas correções devido à Relatividade Geral, cada medição GPS de sua posição estaria fora de cerca de 30 metros (100 pés), de forma inconsistente, pois os vários satélites GPS continuaram a orbitar a Terra.

Felizmente, as regras da relatividade, apresentadas por Einstein no início do século 20, são completamente suficientes para cuidar desses efeitos.

Esta imagem mostra nosso frágil planeta Terra, com nuvens, oceano, massas de terra e a fronteira entre a atmosfera e o espaço visível. A Terra não é, de fato, uma esfera perfeitamente uniforme, mas possui importantes variações de superfície e subsuperfície que levam a um campo gravitacional altamente não uniforme sobre sua superfície. (AGÊNCIA ESPACIAL RUSSA / ELEKTRO-L)

Mas há outra informação que precisamos incluir na equação: o fato de que a Terra não é uma esfera uniforme e perfeita, com as mesmas propriedades gravitacionais exatas em todos os lugares. Na verdade, quando você chega a precisões suficientemente precisas, a aceleração gravitacional na superfície da Terra - mesmo que sempre aponte na mesma direção (em direção ao centro da Terra) - pode diferir em valores próximos a uma porcentagem completa, o que é relativamente enorme diferença!

Sim, você pode aproximar que a aceleração gravitacional de cada ponto na superfície da Terra é de 9,8 m/s² (32 pés/s²), mas há muitos fatores que levam a desvios.

• A Terra é achatada nos pólos e saliente no equador, devido à rotação do nosso planeta em torno de seu eixo.
• A Terra tem montanhas, vales, oceanos profundos e trincheiras, fazendo com que a crosta varie em espessura de apenas 5 km no fundo do oceano até 45 km abaixo das cadeias de montanhas mais pesadas.
• E há mudanças que ocorrem continuamente devido a características como formação e derretimento de gelo, retenção de água no solo e até mesmo eventos climáticos.

Ao todo, a aceleração real na Terra pode ser tão pequena quanto 9,764 m/s² e tão grande quanto 9,834 m/s²: uma diferença de 0,7%.

A crosta terrestre é mais fina sobre o oceano e mais espessa sobre montanhas e planaltos, como dita o princípio da flutuabilidade e como confirmam os experimentos gravitacionais. Assim como um balão submerso na água irá acelerar para longe do centro da Terra, uma região com densidade de energia abaixo da média irá acelerar para longe de uma região superdensa, pois as regiões de densidade média serão atraídas mais preferencialmente para a região superdensa do que a subdensa. região vai. (USGS)

Se precisarmos conhecer com precisão as propriedades gravitacionais de qualquer lugar que um receptor possa estar que queira determinar com precisão sua localização com GPS, precisamos mapear – continuamente e em tempo real – o campo gravitacional da Terra em sua superfície. A maneira como podemos fazer isso, novamente, apenas possível desde o início da era espacial, é com geodésia por satélite .

Desde que os primeiros satélites artificiais foram lançados, os pequenos desvios que ocorreram em sua velocidade, posição e quantidade de tempo para completar uma revolução em torno da Terra nos deram informações sobre o afastamento da Terra de ser uma esfera perfeita e uniforme.

Os primeiros satélites nas décadas de 1950 e 1960 nos ensinaram o quanto a Terra era achatada devido à sua rotação; hoje temos redes geodésicas permanentes e medições precisas não apenas do campo gravitacional da Terra em todos os pontos, mas como esse campo gravitacional muda em escalas de tempo tão curtas quanto alguns dias. Quando ocorrem secas, inundações ou incêndios florestais, as mudanças no campo gravitacional devido à perda ou aumento de massa podem realmente ser medidas.

A cada 10 dias, o Jason-1 mede a altura de mais de 90% do oceano livre de gelo do mundo com seu altímetro de radar e completa 127 revoluções, ou órbitas, ao redor da Terra. Satélites como esse são fundamentais para entender o campo gravitacional em todos os pontos da superfície da Terra. (NASA/JPL)

Para fazer essas medições com precisão, precisamos ter uma compreensão muito boa da altimetria, que inclui tanto a altura do solo acima do nível do mar quanto a altura de qualquer satélite em órbita acima da superfície da Terra. Devido ao fato de que os oceanos da Terra são tão massivos, e também porque a altura do oceano muda com o tempo devido às marés e outros efeitos transitórios - novamente incluindo o derretimento do gelo, temperaturas oceânicas (a água é mais densa a 4°C e ocupa mais volume a temperaturas mais altas ou mais baixas) — o sensoriamento remoto dos oceanos da Terra também é vital para esse esforço.

Hoje, temos muitos satélites e várias técnicas trabalhando juntas para fazer medições sem precedentes da Terra e de suas propriedades gravitacionais. Nossos sistemas globais de navegação por satélite, com o GPS sendo o mais proeminente entre eles, confiam absolutamente em nosso conhecimento dessas propriedades em toda a Terra. Com um mapa global completo das propriedades gravitacionais do nosso planeta, podemos construir algo conhecido como geóide : a forma que os oceanos teriam se se estendessem pelos continentes e se as marés e os ventos estivessem ausentes, dando um mapa puramente gravitacional do nosso planeta através de uma superfície irregular.

O campo gravitacional da Terra varia ao longo de sua superfície, como mostra este mapa, que ilustra as anomalias do campo gravitacional do nosso planeta sobre sua superfície. Esta é uma visualização do geóide do nosso planeta, e nosso conhecimento do geóide é indispensável para aplicações como sistemas GPS. (NASA / EXPERIMENTO DE RECUPERAÇÃO DE GRAVIDADE E CLIMA (GRACE))

Mas para viabilizar tudo isso, uma série de avanços precisavam ocorrer. Tivemos que construir modelos matemáticos da forma da Terra, permitindo-nos entender como vários pontos do nosso planeta experimentaram a gravidade de forma diferente uns dos outros. Tivemos que desenvolver métodos para medir a altitude e traduzir essas medidas em valores reais e precisos para a distância. Tivemos que realizar altimetria de radar para detectar remotamente os oceanos da Terra e, novamente, traduzir esses dados em valores precisos de altitude e distância.

E foi apenas com o advento de poder computacional suficiente que pudemos fornecer modelos cada vez mais precisos do geóide da Terra, finalmente permitindo um sistema global de satélites de navegação que poderia determinar com precisão sua posição em qualquer lugar da Terra. Embora tenha sido necessária uma grande equipe de muitas pessoas para conseguir isso, talvez a única pessoa mais instrumental para trazer tudo isso à fruição foi Gladys West: a segunda mulher negra já contratada (em 1956) no Naval Proving Ground na Virgínia.

Uma foto de Gladys West no Naval Surface Warfare Center em Dahlgren, VA, onde trabalhou durante toda a sua carreira de 42 anos. (CENTRO DE GUERRA DE SUPERFÍCIE NAVAL)

Originalmente um programador de computador, West especializou-se em sistemas de computador de grande escala e sistemas de processamento de dados para a análise de informações obtidas de satélites. Ela foi a primeira pessoa a montar modelos de altímetro da forma da Terra com precisão significativa na década de 1960, e atuou como gerente de projeto para Mares : o primeiro satélite a realizar o sensoriamento remoto dos oceanos da Terra. Ela foi recomendada para um elogio por seu trabalho, pois trabalhava horas extras para otimizar os algoritmos de processamento de sua equipe; como resultado do que ela fez, ela reduziu pela metade o tempo de processamento desses aplicativos de sensoriamento remoto .

Mas talvez seu trabalho mais revolucionário tenha ocorrido há cerca de 40 anos, quando ela mesma programou o computador que calculou o geóide da Terra com precisão suficiente para permitir a existência do GPS. Isso não é pouca coisa; para conseguir isso, é preciso levar em conta as variações em todas as forças e efeitos que podem distorcer a forma da Terra. Ela literalmente escreveu o guia para a próxima geração de satélites de radar altímetro , ensinando outros como aumentar a precisão da geodésia por satélite a partir de tecnologia aprimorada. Depois de se aposentar do Naval Surface Warfare Center (no qual o Naval Proving Ground evoluiu) em 1998, ela voltou para a escola e completou um doutorado. Ela foi introduzida no Hall da Fama dos Pioneiros do Espaço e Mísseis da Força Aérea em 2018.

O vice-comandante do Comando Espacial da Força Aérea, o tenente-general DT Thompson, entrega os presentes à Dra. Gladys West com um prêmio ao ser empossada no Hall da Fama dos Pioneiros do Espaço e Mísseis da Força Aérea. (SECRETARIADO DE ASSUNTOS PÚBLICOS DA FORÇA AÉREA)

É muito raro ser capaz de mencionar o nome de outra pessoa ao mesmo tempo que Albert Einstein sem ironia, mas quando se trata da ciência do GPS, não há ninguém mais significativo do que Gladys West. Quando ela foi introduzida no Hall da Fama da Força Aérea, o Comando Espacial da Força Aérea a reconheceu como uma das Figuras Ocultas que realizou cálculos vitais para os militares dos Estados Unidos antes da era dos sistemas eletrônicos. Elogiando seu trabalho, o comandante capitão Godfrey Weekes a elogiou da seguinte forma:

Ela subiu na hierarquia, trabalhou na geodésia de satélite e contribuiu para a precisão do GPS e a medição de dados de satélite. Quando Gladys West começou sua carreira como matemática em Dahlgren em 1956, ela provavelmente não tinha ideia de que seu trabalho impactaria o mundo nas próximas décadas.

Apesar da onipresença do GPS e seu papel em desenvolvê-lo, West ainda prefere usar um mapa de papel quando viaja . Para quem está acostumado a confiar em seus próprios cálculos, alguns velhos hábitos nunca morrem.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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