НАСА отслеживает антарктические и арктические льды с 2009 года в рамках воздушной миссии Operation IceBridge. Хотя основная цель состоит в том, чтобы продолжить регистрацию данных об изменениях высоты поверхности ледяного покрова со спутника НАСА для измерения высоты льда, облаков и суши, или ICESat, который прекратил работу в 2009 году, IceBridge также собирает данные о других аспектах полярного льда из снега на его поверхности. к коренной породе внизу.
Один из радиолокационных приборов во время этих полетов, который в настоящее время направляется в Антарктиду для проведения еще одного года наблюдений, дает представление о коренных породах, скрытых под ледяным покровом.IceBridge имеет набор радарных приборов, спроектированных, построенных и эксплуатируемых учеными, инженерами и студентами университетов совместно с Центром дистанционного зондирования ледяного покрова (CReSIS), финансируемым Национальным научным фондом центром, базирующимся в Канзасском университете.Этот радар для картирования коренных пород известен как Многоканальный когерентный радарный эхолот или MCoRDS. MCoRDS измеряет толщину льда и наносит на карту подледниковые породы, посылая радиолокационные волны вниз через толстый полярный лед.
Этот радар для проникающих в ледяной покров является результатом усилий, начатых 20 лет назад в сотрудничестве НАСА и Национального научного фонда.В начале 1980-х исследователи начали проявлять интерес к использованию радаров для измерения толщины льда и картирования подледных горных пород. Среди заинтересованных было Управление полярных программ NSF, которое предоставило первоначальное финансирование для прибора для измерения толщины. «Нам дали год, чтобы доказать, что это сработает», — сказал Прасад Гогинени, ученый CReSIS. Исследователи CReSIS использовали это финансирование для создания своего первого радиолокационного эхолота, который начал полеты на борту самолетов НАСА в 1993 году.
За прошедшие годы CReSIS построила ряд инструментов, каждый из которых был более продвинутым, чем предыдущий, что привело к созданию радара, на который опирается IceBridge. Cегодня.
Сквозь ледОдно из самых больших препятствий, с которыми сталкивается при создании инструмента для проникновения льда, такого как MCoRDS, — это природа самого радара.
Радар работает, посылая радиоволны и рассчитывая время, необходимое для их отражения. Радиоволны распространяются по воздуху практически беспрепятственно, но такие материалы, как металл, камень и вода, действуют почти как зеркала.Лед, с другой стороны, реагирует по-разному в зависимости от частоты радара. Он отражает высокочастотные радиоволны, но, несмотря на то, что он прочный, низкочастотный радар в некоторой степени может проходить сквозь лед.
Вот почему MCoRDS использует относительно низкую частоту — от 120 до 240 МГц. Это позволяет прибору обнаруживать поверхность льда, внутренние слои льда и нижележащую породу. «Чтобы исследовать дно льда, вам нужно использовать более низкую частоту», — сказал Джон Паден, ученый CReSIS. «Слишком высокая частота, и сигнал будет потерян во льду».
Эти радиоволны излучаются быстрыми импульсами через массив направленных вниз антенн, установленных под самолетом. Этот массив из нескольких антенн, до 15 на P-3 НАСА, позволяет исследователям исследовать большую территорию и записывать несколько сигналов одновременно, чтобы получить более четкое изображение.Группа из 15 элементов является самой большой из когда-либо использовавшихся на P-3 и была создана в рамках совместных усилий НАСА, Канзасского университета и частной промышленности.
На проектирование и строительство этого массива, большая часть которого была сделана студентами и аспирантами Канзасского университета, потребовалось около шести месяцев.Импульсы радара проходят вниз к поверхности, через лед к коренным породам ниже и обратно через лед к массиву MCoRDS, где они направляются в приемник прибора и записываются на твердотельные накопители на борту самолета.
Каждый этап опроса дает большой объем данных, часто до двух терабайт, которые затем необходимо загрузить, заархивировать и создать резервную копию. Вычислительная инфраструктура, необходимая для обработки этих данных, управляется людьми из Университета Индианы, который также является партнерской организацией в CReSIS. Во время каждой кампании сотрудники Университета Индианы поддерживают миссию, не спая всю ночь, чтобы гарантировать, что данные, собранные каждый день, успешно сохраняются и создаются резервные копии.
Обработка изображенийВернувшись из кампании IceBridge, исследователи CReSIS тратят месяцы на обработку архивных данных, чтобы построить подробный обзор ледяных щитов и коренных пород. Во-первых, исследователи выявляют ответные сигналы от поверхности льда и дна. Поскольку толстый лед ослабляет или ослабляет радар, исследователям необходимо фильтровать данные, чтобы выделить слабый отраженный сигнал от дна, который в противном случае был бы заглушен гораздо более сильным отражением с поверхности и любым шумом в данных.
Обнаружив ледяную поверхность и коренные породы, исследователи используют так называемую радиолокационную обработку с синтезированной апертурой. Это объединяет множество показаний антенны радара, когда она движется над поверхностью, и исследователи могут создать большую имитационную решетку. «Вы можете сделать отверстие длиной в один километр, переместив радар на один километр», — сказал Паден. Как и в случае с объективами фотоаппаратов, чем больше, тем лучше, а больший массив позволяет исследователям видеть больше деталей.Такая обработка дает подробную, но узкую полосу льда и подледной местности для каждой антенны.
Построение более широкого обзора сложнее, чем просто комбинирование этих отдельных сигналов. Хотя MCoRDS записывает сигналы, возвращающиеся слева и справа от траектории полета самолета, он не может определить, с какой стороны исходят сигналы. Чтобы преодолеть это, исследователи CReSIS используют то, что известно как томография, метод, который использует специализированное компьютерное программное обеспечение для расчета положения и расстояния сигналов, возвращаемых от коренной породы. Как только исследователи смогут определить, где элементы ландшафта расположены относительно массива, они могут объединить несколько каналов, чтобы построить ряд данных о ландшафте, полезных для создания трехмерных представлений коренных пород.
Дорога впередиЭти данные о местности помогают ученым лучше понять, что находится под ледяным покровом. В прошлом году исследователи составили новые карты коренных пород Гренландии и Антарктиды и обнаружили большой и ранее не обнаруженный каньон под ледяным покровом Гренландии.
Более точная информация о подледной местности поможет исследователям разработать модели ледяного покрова следующего поколения, необходимые для прогнозирования будущих изменений ледников, и лучше понять поток воды у оснований ледникового покрова.По мере того как IceBridge продолжает пополнять список измерений подледной местности посредством своих съемок над Гренландией и Антарктикой, ученые, инженеры и студенты CReSIS будут продолжать совершенствоваться. Такие усовершенствования, как более крупные антенные решетки и улучшенные методы обработки данных, обещают сделать радиолокационное зондирование глубины еще более эффективным. А в будущем необитаемые летательные аппараты, такие как Global Hawk от НАСА, могут значительно увеличить площадь местности, которую можно будет покрыть с воздуха.
Что именно ждет в будущем, еще предстоит увидеть, но исследователи добились больших успехов в исследовании полярных льдов благодаря решению, принятому одним человеком, бывшим менеджером программы НАСА Бобом Томасом, который предоставил Гогинени и его команде возможность доказать, что их инструмент работает. и финансирование по инициативе НАСА PARCA. «Без этого у нас не было бы программы эхолотов и тепловизоров в KU», — сказал Гогинени. «Потребовались оба агентства, чтобы дойти до той стадии, на которой мы являемся сегодня».