太阳能无线电信号可用于监测融化的冰盖

太阳提供了令人生畏的电磁混乱来源——巨大的气体球发出的混乱、随机的能量以广泛的无线电频率到达地球。但在这种随机性中，斯坦福大学的研究人员发现了一种强大的工具，用于监测地球和整个太阳系的冰和极地变化。

在一项新研究中，一个由冰川学家和电气工程师组成的团队展示了如何将太阳自然发出的无线电信号转化为无源雷达系统，用于测量冰盖的深度，并在格陵兰的冰川上成功进行了测试。研究人员表示，这项技术在 7 月 14 日发表在《地球物理研究快报》杂志上的详细信息可能会导致更便宜、功耗更低、更普遍的替代目前收集数据的方法。这一进展可能会提供对融化的冰盖和冰川的大规模、长期的洞察，这是海平面上升威胁世界各地沿海社区的主要原因之一。

充满信号的天空

机载穿冰雷达——目前收集有关极地地下广泛信息的主要手段——涉及飞行的飞机，其中包含一个高功率系统，该系统将自己的“有源”雷达信号向下传输到冰盖。然而，这项工作是资源密集型的，并且只提供有关飞行时的条件的信息。

相比之下，研究人员的概念验证使用电池供电的接收器和放置在冰上的天线来检测太阳的无线电波，因为它们向下传播到地球，穿过冰盖并到达地下。换句话说，该系统不是发射自己的信号，而是使用自然发生的无线电波，这些无线电波已经从太阳(天空中的核动力发射器)向下传播。研究人员表示，如果这种类型的系统完全小型化并部署在广泛的传感器网络中，它将为地球快速变化的极地条件的地下演化提供前所未有的视角。

“我们的目标是为低资源传感器网络的发展制定一个课程，该网络可以在非常广泛的范围内监测地下条件，”主要研究作者肖恩彼得斯说，他作为斯坦福大学的研究生进行了这项研究的研究，现在在麻省理工学院林肯实验室工作。“这对于有源传感器来说可能具有挑战性，但这种无源技术让我们有机会真正利用低资源实施。”

随机优势

除了可见光和其他种类的光外，太阳还不断地在宽广的随机频谱范围内发射无线电波。研究人员利用这种混乱的优势：他们记录了太阳放射性的片段，就像一首永不重复的无休止的歌曲，然后在太阳无线电波从底部反弹时产生的回声中聆听了独特的特征。冰盖。测量原始记录和回波之间的延迟使他们能够计算表面接收器和冰盖底部之间的距离，从而计算其厚度。

在西格陵兰 Store Glacier 的测试中，研究人员计算了大约 11 微秒的回声延迟时间，这映射到大约 3,000 英尺的冰层厚度——这个数字与从地面和空中记录的同一地点的测量结果相匹配雷达。

资深作者、助理教授达斯汀施罗德说：“做一堆数学和物理并说服自己应该有可能是一回事——利用太阳看到冰盖底部的实际回声真的是另一回事。”斯坦福地球、能源与环境科学学院(斯坦福地球)地球物理学博士。

从木星到太阳

使用无源无线电波收集冰厚度地球物理测量值的想法最初是由研究合著者、宇航局喷气推进实验室的研究员安德鲁·罗梅罗-沃尔夫提出的，作为研究木星冰冷卫星的一种方式。当施罗德和罗梅罗-沃尔夫与其他人一起执行任务时，很明显木星本身产生的无线电波会干扰他们的有源透冰雷达系统。有一次，罗梅罗-沃尔夫意识到，木星不稳定的无线电发射可能不是弱点，而是一种力量，如果它们可以变成探测卫星地下的来源。

“我们开始在木星的卫星欧罗巴的背景下讨论它，但后来我们意识到，如果我们用太阳代替木星，它也应该适用于观察地球的冰盖，”施罗德说。

从那里，研究小组承担了隔离太阳环境无线电辐射的任务，看看它是否可以用来测量冰的厚度。该方法包括将太阳 200 至 400 兆赫无线电频段的子集置于其他天体的噪声之上，处理大量数据并消除人造电磁源，如电视台、调频收音机和电子设备。

虽然该系统仅在太阳高出地平线时工作，但概念验证开启了未来适应其他自然发生和人造无线电源的可能性。合著者还在追求他们最初的想法，即通过利用其他天文来源(如气态巨行星木星)发出的环境能量，将这种技术应用于太空任务。

“推动行星研究传感技术的前沿使我们能够推动气候变化传感技术的前沿，”施罗德说。“在气候变化下监测冰盖和探索外行星冰冷的卫星都是资源极其匮乏的环境，在这些环境中，您确实需要设计不需要大量功率的优雅传感器。”

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