De zon is een ontmoedigende bron van elektromagnetische wanorde:chaotische, willekeurige energie die wordt uitgezonden door de enorme gasbal komt op aarde aan in een breed spectrum van radiofrequenties. Maar in die willekeur, Stanford-onderzoekers hebben de ingrediënten ontdekt van een krachtig hulpmiddel voor het volgen van ijs- en polaire veranderingen op aarde en in het hele zonnestelsel.

In een nieuwe studie, een team van glaciologen en elektrotechnici laat zien hoe radiosignalen die van nature door de zon worden uitgezonden, kunnen worden omgezet in een passief radarsysteem voor het meten van de diepte van ijskappen en dit met succes getest op een gletsjer in Groenland. De techniek, gedetailleerd in het journaal Geofysische onderzoeksbrieven op 14 juli, kan leiden tot een goedkopere lager vermogen en meer doordringend alternatief voor de huidige methoden voor het verzamelen van gegevens, volgens de onderzoekers. Het voorschot kan grootschalige, langdurig inzicht in smeltende ijskappen en gletsjers, die behoren tot de belangrijkste oorzaken van de stijging van de zeespiegel die kustgemeenschappen over de hele wereld bedreigt.

Een hemel vol signalen

IJsdoordringende radar in de lucht - het belangrijkste stroommiddel voor het verzamelen van wijdverbreide informatie over de polaire ondergrond - omvat vliegende vliegtuigen die een krachtig systeem bevatten dat zijn eigen 'actieve' radarsignaal door de ijskap zendt. De onderneming is arbeidsintensief, echter, en geeft alleen informatie over de omstandigheden op het moment van de vlucht.

Daarentegen, het proof of concept van de onderzoekers maakt gebruik van een batterijgevoede ontvanger met een antenne die op het ijs is geplaatst om de radiogolven van de zon te detecteren terwijl ze naar de aarde reizen, door de ijskap en naar de ondergrond. Met andere woorden, in plaats van zijn eigen signaal uit te zenden, het systeem maakt gebruik van natuurlijk voorkomende radiogolven die al vanaf de zon naar beneden reizen, een nucleair aangedreven zender in de lucht. Als dit type systeem volledig zou worden geminiaturiseerd en geïmplementeerd in uitgebreide sensornetwerken, het zou een ongekende kijk bieden op de ondergrondse evolutie van de snel veranderende poolomstandigheden van de aarde, zeggen de onderzoekers.

"Ons doel is om een ​​koers uit te stippelen voor de ontwikkeling van low-resource sensornetwerken die ondergrondse omstandigheden op een echt brede schaal kunnen monitoren, " zei hoofdonderzoeksauteur Sean Peters, die onderzoek deed voor de studie als een afgestudeerde student aan Stanford en nu werkt bij het MIT Lincoln Laboratory. "Dat kan een uitdaging zijn met actieve sensoren, maar deze passieve techniek geeft ons de mogelijkheid om echt te profiteren van implementaties met weinig middelen."

Een willekeurig voordeel

Naast zichtbaar en ander licht, de zon zendt voortdurend radiogolven uit over een brede, willekeurig frequentiespectrum. De onderzoekers gebruikten deze chaos in hun voordeel:ze namen een fragment op van de radioactiviteit van de zon, dat is als een eindeloos lied dat zich nooit herhaalt, luisterde toen naar die unieke signatuur in de echo die wordt gecreëerd wanneer de zonne-radiogolven weerkaatsen op de bodem van een ijskap. Door de vertraging tussen de originele opname en de echo te meten, kunnen ze de afstand berekenen tussen de oppervlakteontvanger en de bodem van de ijskap, en daarmee de dikte.

In hun test op Store Glacier in West-Groenland, de onderzoekers berekenden een echovertragingstijd van ongeveer 11 microseconden, die overeenkomt met een ijsdikte van ongeveer 3, 000 voet - een cijfer dat overeenkomt met metingen van dezelfde locatie die zijn geregistreerd met zowel grondradar als luchtradar.

"Het is één ding om een ​​hoop wiskunde en natuurkunde te doen en jezelf ervan te overtuigen dat iets mogelijk moet zijn - het is echt iets anders om een ​​echte echo van de bodem van een ijskap te zien met behulp van de zon, " zei senior auteur Dustin Schroeder, een assistent-professor geofysica aan de Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth).

Van Jupiter naar de zon

Het idee om passieve radiogolven te gebruiken om geofysische metingen van ijsdikte te verzamelen, werd aanvankelijk voorgesteld door co-auteur van het onderzoek, Andrew Romero-Wolf, een onderzoeker bij NASA's Jet Propulsion Laboratory, als een manier om de ijzige manen van Jupiter te onderzoeken. Terwijl Schroeder en Romero-Wolf samen met anderen aan een missie werkten, het werd duidelijk dat radiogolven die door Jupiter zelf worden gegenereerd, interfereren met hun actieve ijsdoordringende radarsystemen. Op een bepaald moment, Romero-Wolf realiseerde zich dat in plaats van een zwakte, De grillige radio-emissies van Jupiter kunnen een kracht zijn, als ze konden worden omgezet in een bron voor het onderzoeken van de ondergrond van de manen.

"We begonnen erover te praten in de context van Jupiters maan Europa, maar toen realiseerden we ons dat het ook zou moeten werken voor het observeren van de ijskappen van de aarde als we Jupiter vervangen door de zon, ' zei Schröder.

Vanaf daar, het onderzoeksteam nam de taak op zich om de radiostraling van de zon te isoleren om te zien of het kon worden gebruikt om de ijsdikte te meten. De methode omvatte het brengen van een subset van de 200- tot 400-megahertz-radiofrequentieband van de zon boven het geluid van andere hemellichamen, het verwerken van enorme hoeveelheden gegevens en het elimineren van door de mens gemaakte bronnen van elektromagnetisme zoals tv-stations, FM-radio en elektronische apparatuur.

Hoewel het systeem alleen werkt als de zon boven de horizon staat, de proof-of-concept opent de mogelijkheid om zich in de toekomst aan te passen aan andere natuurlijk voorkomende en door de mens gemaakte radiobronnen. De co-auteurs werken ook nog steeds aan hun oorspronkelijke idee om deze techniek toe te passen op ruimtemissies door gebruik te maken van de omgevingsenergie die wordt uitgestraald door andere astronomische bronnen zoals de gasreus Jupiter.

"Door de grenzen van detectietechnologie voor planetair onderzoek te verleggen, hebben we de grenzen van detectietechnologie voor klimaatverandering kunnen verleggen, "Zei Schroeder. "Het bewaken van ijskappen onder klimaatverandering en het verkennen van ijzige manen op de buitenste planeten zijn beide extreem weinig hulpbronnen waar je echt elegante sensoren moet ontwerpen die niet veel stroom nodig hebben."