O sol fornece uma fonte assustadora de desordem eletromagnética - caótica, a energia aleatória emitida pela enorme bola de gás chega à Terra em um amplo espectro de frequências de rádio. Mas nessa aleatoriedade, Os pesquisadores de Stanford descobriram os ingredientes de uma ferramenta poderosa para monitorar o gelo e as mudanças polares na Terra e em todo o sistema solar.

Em um novo estudo, uma equipe de glaciologistas e engenheiros elétricos mostra como os sinais de rádio emitidos naturalmente pelo sol podem ser transformados em um sistema de radar passivo para medir a profundidade das camadas de gelo e testá-lo com sucesso em uma geleira na Groenlândia. A tecnica, detalhado no jornal Cartas de pesquisa geofísica em 14 de julho, poderia levar a um mais barato, menor potência e alternativa mais abrangente aos métodos atuais de coleta de dados, de acordo com os pesquisadores. O avanço pode oferecer em larga escala, visão prolongada sobre o derretimento de mantos de gelo e geleiras, que estão entre as causas dominantes do aumento do nível do mar que ameaça as comunidades costeiras em todo o mundo.

Um céu cheio de sinais

Radar de penetração no gelo aerotransportado - o principal meio atual para coletar informações generalizadas sobre a subsuperfície polar - envolve o vôo de aviões contendo um sistema de alta potência que transmite seu próprio sinal de radar "ativo" através da camada de gelo. O empreendimento consome muitos recursos, Contudo, e fornece apenas informações sobre as condições no momento do voo.

Por contraste, a prova de conceito dos pesquisadores usa um receptor alimentado por bateria com uma antena colocada no gelo para detectar as ondas de rádio do sol enquanto viajam para a Terra, através do manto de gelo e para a subsuperfície. Em outras palavras, em vez de transmitir seu próprio sinal, o sistema usa ondas de rádio que ocorrem naturalmente que já estão vindo do sol, um transmissor com energia nuclear no céu. Se este tipo de sistema fosse totalmente miniaturizado e implantado em extensas redes de sensores, ofereceria uma visão sem precedentes da evolução do subsolo das condições polares em rápida mudança da Terra, dizem os pesquisadores.

"Nosso objetivo é traçar um curso para o desenvolvimento de redes de sensores de poucos recursos que podem monitorar as condições do subsolo em uma escala realmente ampla, "disse o principal autor do estudo, Sean Peters, que conduziu pesquisas para o estudo como estudante de graduação em Stanford e agora trabalha no MIT Lincoln Laboratory. "Isso pode ser um desafio com sensores ativos, mas essa técnica passiva nos dá a oportunidade de realmente tirar proveito das implementações de poucos recursos. "

Uma vantagem aleatória

Além de luz visível e outros tipos de luz, o sol está constantemente emitindo ondas de rádio em uma ampla, espectro aleatório de frequências. Os pesquisadores usaram esse caos a seu favor:eles registraram um fragmento da radioatividade do sol, que é como uma música sem fim que nunca se repete, em seguida, procurou aquela assinatura única no eco que é criado quando as ondas de rádio solar ricocheteiam no fundo de uma camada de gelo. Medir o atraso entre a gravação original e o eco permite que eles calculem a distância entre o receptor de superfície e o piso da placa de gelo, e, portanto, sua espessura.

Em seu teste no Store Glacier no oeste da Groenlândia, os pesquisadores calcularam um tempo de retardo de eco de cerca de 11 microssegundos, que mapeia para uma espessura de gelo de cerca de 3, 000 pés - um número que corresponde às medições do mesmo local registradas por radar terrestre e aerotransportado.

"Uma coisa é fazer um monte de matemática e física e se convencer de que algo deve ser possível - é realmente outra coisa ver um eco real da parte inferior de uma camada de gelo usando o sol, "disse o autor sênior Dustin Schroeder, professor assistente de geofísica na Escola da Terra de Stanford, Energia e Ciências Ambientais (Stanford Earth).

De Júpiter ao sol

A ideia de usar ondas de rádio passivas para coletar medições geofísicas da espessura do gelo foi inicialmente proposta pelo co-autor do estudo Andrew Romero-Wolf, um pesquisador do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, como forma de investigar as luas geladas de Júpiter. Como Schroeder e Romero-Wolf trabalharam juntos com outros em uma missão, ficou claro que as ondas de rádio geradas pelo próprio Júpiter interfeririam com seus sistemas de radar de penetração de gelo ativos. Em um ponto, Romero-Wolf percebeu que, em vez de uma fraqueza, As emissões erráticas de rádio de Júpiter podem realmente ser um ponto forte, se eles pudessem ser transformados em uma fonte para sondar a subsuperfície das luas.

"Começamos a discutir isso no contexto da lua de Júpiter, Europa, mas então percebemos que deveria funcionar para observar as camadas de gelo da Terra também se substituirmos Júpiter pelo sol, "Schroeder disse.

De lá, a equipe de pesquisa assumiu a tarefa de isolar as emissões de rádio do sol no ambiente para ver se ele poderia ser usado para medir a espessura do gelo. O método envolvia trazer um subconjunto da banda de frequência de rádio de 200 a 400 megahertz do sol acima do ruído de outros corpos celestes, processamento de grandes quantidades de dados e eliminação de fontes humanas de eletromagnetismo, como estações de TV, Rádio FM e equipamentos eletrônicos.

Embora o sistema só funcione quando o sol está acima do horizonte, a prova de conceito abre a possibilidade de adaptação a outras fontes de rádio naturais e artificiais no futuro. Os co-autores ainda estão perseguindo sua ideia original de aplicar essa técnica a missões espaciais, aproveitando a energia ambiente emitida por outras fontes astronômicas, como o gigante gasoso Júpiter.

"Ampliar as fronteiras da tecnologia de detecção para a pesquisa planetária nos permitiu expandir as fronteiras da tecnologia de detecção para as mudanças climáticas, "Schroeder disse." Monitorar mantos de gelo sob a mudança climática e explorar luas geladas nos planetas externos são ambos ambientes de recursos extremamente baixos onde você realmente precisa projetar sensores elegantes que não requerem muita energia. "