KlimatNaturaŚrodowisko

Radiowe sygnały słoneczne mogą być wykorzystywane do monitorowania topniejących pokryw lodowych


Konfiguracja eksperymentalna i miejsce testowe w Store Glacier na Grenlandii. Badacze opracowali koncepcję odbiornika zasilanego bateryjnie z anteną umieszczoną na lodzie, która może mierzyć grubość lodu za pomocą słonecznych fal radiowych. Źródło obrazu: Sean Peters

Słońce jest zniechęcającym źródłem elektromagnetycznego nieładu – chaotyczna, losowa energia emitowana przez masywną kulę gazu dociera na Ziemię w szerokim spektrum częstotliwości radiowych.

Ale w tej przypadkowości naukowcy ze Stanford odkryli zadatki na potężne narzędzie do monitorowania zmian lodu i polaryzacji na Ziemi i w całym Układzie Słonecznym.

W nowym badaniu zespół glacjologów i inżynierów elektryków pokazuje, w jaki sposób sygnały radiowe naturalnie emitowane przez słońce można przekształcić w pasywny system radarowy do pomiaru głębokości pokryw lodowych i przetestować go z powodzeniem na lodowcu w Grenlandii.

Zdaniem naukowców technika, opisana szczegółowo w czasopiśmie Geophysical Research Letters, może doprowadzić do tańszej, mniejszej mocy i bardziej wszechobecnej alternatywy dla obecnych metod gromadzenia danych.

Postęp może zapewnić długotrwały wgląd na dużą skalę w topniejące pokrywy lodowe i lodowce, które są jedną z głównych przyczyn podnoszenia się poziomu morza, zagrażającego społecznościom przybrzeżnym na całym świecie.

Niebo pełne sygnałów

Pokładowy radar penetrujący lód – podstawowy środek gromadzenia szerokich informacji o podpowierzchni polarnej – obejmuje latające samoloty wyposażone w system dużej mocy, który przesyła swój własny „aktywny” sygnał radarowy w dół przez pokrywę lodową. Przedsięwzięcie jest jednak zasobożerne i dostarcza tylko informacji o warunkach w czasie lotu.

Z kolei weryfikacja koncepcji naukowców wykorzystuje zasilany bateryjnie odbiornik z anteną umieszczoną na lodzie do wykrywania słonecznych fal radiowych podczas ich wędrówki w dół na Ziemię, przez pokrywę lodową i do podpowierzchni.

Innymi słowy, zamiast nadawać własny sygnał, system wykorzystuje naturalnie występujące fale radiowe, które już wędrują ze Słońca, czyli nadajnik zasilany energią jądrową na niebie.

Naukowcy twierdzą, że gdyby tego typu system został w pełni zminiaturyzowany i rozmieszczony w rozległych sieciach czujników, zapewniłby bezprecedensowe spojrzenie na podpowierzchniową ewolucję szybko zmieniających się warunków polarnych na Ziemi.

„Naszym celem jest wytyczenie kursu rozwoju sieci czujników o niskich zasobach, które mogą monitorować warunki podpowierzchniowe na naprawdę szeroką skalę” – powiedział główny autor badania Sean Peters, który prowadził badania w ramach badania jako doktorant na Uniwersytecie Stanforda, a obecnie pracuje w Laboratorium MIT Lincoln. „To może być trudne w przypadku aktywnych czujników, ale ta pasywna technika daje nam możliwość naprawdę skorzystania z wdrożeń o niskich zasobach”.

Losowa przewaga

Oprócz światła widzialnego i innych rodzajów, słońce stale emituje fale radiowe o szerokim, losowym spektrum częstotliwości. Naukowcy wykorzystali ten chaos na swoją korzyść: nagrali fragment promieniotwórczości słonecznej, który przypomina niekończącą się piosenkę, która nigdy się nie powtarza, a następnie nasłuchiwali tej unikalnej sygnatury echa, która powstaje, gdy słoneczne fale radiowe odbijają się od dna pokrywa śnieżna. Pomiar opóźnienia między oryginalnym zapisem a echem pozwala obliczyć odległość między odbiornikiem powierzchniowym a dnem lądolodu, a tym samym jego grubość.

W teście na Store Glacier w zachodniej Grenlandii naukowcy obliczyli opóźnienie echa wynoszące około 11 mikrosekund, które odwzorowuje grubość lodu około 3000 stóp – liczba, która pasuje do pomiarów tego samego miejsca zarejestrowanych zarówno z ziemi, jak i z powietrza. radar.

„To jedna rzecz, aby zrobić mnóstwo matematyki i fizyki i przekonać siebie, że coś powinno być możliwe – to naprawdę coś innego, aby zobaczyć rzeczywiste echo z dna pokrywy lodowej za pomocą słońca” – powiedział starszy autor Dustin Schroeder, adiunkt geofizyki w Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).

Od Jowisza do Słońca

Pomysł wykorzystania pasywnych fal radiowych do zbierania geofizycznych pomiarów grubości lodu został początkowo zaproponowany przez współautora badań Andrew Romero-Wolf, badacza z NASA Jet Propulsion Laboratory, jako sposób na zbadanie lodowych księżyców Jowisza.

Gdy Schroeder i Romero-Wolf współpracowali z innymi podczas misji, stało się jasne, że fale radiowe generowane przez samego Jowisza będą zakłócać ich aktywne systemy radarowe penetrujące lód.

W pewnym momencie Romero-Wolf zdał sobie sprawę, że niekonsekwentne emisje radiowe Jowisza mogą w rzeczywistości być mocną stroną Jowisza, jeśli można je przekształcić w źródło do badania podpowierzchni księżyców.

„Zaczęliśmy o tym dyskutować w kontekście księżyca Jowisza w Europie, ale potem zdaliśmy sobie sprawę, że powinno działać również w przypadku obserwacji pokryw lodowych Ziemi, jeśli zastąpimy Jowisza Słońcem” – powiedział Schroeder.

Stamtąd zespół badawczy podjął się zadania odizolowania promieniowania radiowego otoczenia Słońca, aby sprawdzić, czy można go wykorzystać do pomiaru grubości lodu.

Metoda polegała na przeniesieniu podzbioru słonecznego pasma częstotliwości radiowych od 200 do 400 megaherców ponad szum innych ciał niebieskich, przetworzeniu ogromnych ilości danych i wyeliminowaniu sztucznych źródeł elektromagnetyzmu, takich jak stacje telewizyjne, radio FM i sprzęt elektroniczny.

Chociaż system działa tylko wtedy, gdy słońce znajduje się nad horyzontem, weryfikacja koncepcji otwiera możliwość dostosowania się w przyszłości do innych naturalnie występujących i stworzonych przez człowieka źródeł radiowych.

Współautorzy nadal realizują również swój pierwotny pomysł zastosowania tej techniki w misjach kosmicznych, wykorzystując energię otoczenia emitowaną przez inne źródła astronomiczne, takie jak gazowy gigant Jowisz.

„Przesuwanie granic technologii wykrywania w badaniach planetarnych umożliwiło nam przesunięcie granic technologii wykrywania zmian klimatu” – powiedział Schroeder. „Monitorowanie pokrywy lodowej w warunkach zmiany klimatu i badanie lodowych księżyców na planetach zewnętrznych to środowiska o wyjątkowo niskich zasobach, w których naprawdę trzeba zaprojektować eleganckie czujniki, które nie wymagają dużej mocy”.

Z opisanych przez naukowców badań możemy się zatem dowiedzieć, w jaki sposób zaprojektowana przez nich metoda mogłaby stanowić tańszą i skuteczniejszą alternatywę dla obecnie stosowanych technik.

irme.pl

Źródło: TECHNOLOGY. ORG