Le soleil est une source redoutable de désordre électromagnétique :chaotique, l'énergie aléatoire émise par la boule de gaz massive arrive sur Terre dans un large spectre de fréquences radio. Mais dans ce hasard, Des chercheurs de Stanford ont découvert les ingrédients d'un outil puissant pour surveiller la glace et les changements polaires sur Terre et à travers le système solaire.

Dans une nouvelle étude, une équipe de glaciologues et d'ingénieurs électriciens montre comment les signaux radio émis naturellement par le soleil peuvent être transformés en un système radar passif pour mesurer la profondeur des calottes glaciaires et l'a testé avec succès sur un glacier du Groenland. La technique, détaillé dans le journal Lettres de recherche géophysique le 14 juillet, pourrait conduire à un prix moins cher, une puissance plus faible et une alternative plus répandue aux méthodes actuelles de collecte de données, selon les chercheurs. L'avance peut offrir à grande échelle, aperçu prolongé de la fonte des calottes glaciaires et des glaciers, qui sont parmi les causes dominantes de l'élévation du niveau de la mer menaçant les communautés côtières du monde entier.

Un ciel plein de signaux

Le radar aéroporté à pénétration de glace - le principal moyen actuel de collecter des informations généralisées sur le sous-sol polaire - implique des avions volants contenant un système puissant qui transmet son propre signal radar «actif» à travers la calotte glaciaire. L'entreprise est gourmande en ressources, cependant, et ne fournit que des informations sur les conditions au moment du vol.

Par contre, la preuve de concept des chercheurs utilise un récepteur alimenté par batterie avec une antenne placée sur la glace pour détecter les ondes radio du soleil lorsqu'elles descendent vers la Terre, à travers la calotte glaciaire et jusqu'au sous-sol. En d'autres termes, au lieu de transmettre son propre signal, le système utilise des ondes radio naturelles qui descendent déjà du soleil, un émetteur à propulsion nucléaire dans le ciel. Si ce type de système était entièrement miniaturisé et déployé dans de vastes réseaux de capteurs, il offrirait un regard sans précédent sur l'évolution souterraine des conditions polaires changeantes de la Terre, disent les chercheurs.

"Notre objectif est de tracer une voie pour le développement de réseaux de capteurs à faibles ressources capables de surveiller les conditions du sous-sol à très grande échelle, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Sean Peters, qui a mené des recherches pour l'étude en tant qu'étudiant diplômé à Stanford et travaille maintenant au MIT Lincoln Laboratory. « Cela pourrait être difficile avec des capteurs actifs, mais cette technique passive nous donne l'opportunité de vraiment profiter des implémentations à faibles ressources."

Un avantage aléatoire

En plus de la lumière visible et d'autres types de lumière, le soleil émet constamment des ondes radio sur un large, spectre aléatoire de fréquences. Les chercheurs ont utilisé ce chaos à leur avantage :ils ont enregistré un extrait de la radioactivité du soleil, qui est comme une chanson sans fin qui ne se répète jamais, puis écouté cette signature unique dans l'écho qui est créé lorsque les ondes radio solaires rebondissent au fond d'une calotte glaciaire. La mesure du délai entre l'enregistrement original et l'écho leur permet de calculer la distance entre le récepteur de surface et le sol de la calotte glaciaire, et donc son épaisseur.

Dans leur test sur Store Glacier dans l'ouest du Groenland, les chercheurs ont calculé un délai d'écho d'environ 11 microsecondes, qui correspond à une épaisseur de glace d'environ 3, 000 pieds—un chiffre qui correspond aux mesures du même site enregistrées à la fois par des radars au sol et aéroportés.

"C'est une chose de faire un tas de maths et de physique et de se convaincre que quelque chose devrait être possible - c'est vraiment autre chose de voir un véritable écho du fond d'une calotte glaciaire en utilisant le soleil, " a déclaré l'auteur principal Dustin Schroeder, professeur adjoint de géophysique à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth).

De Jupiter au soleil

L'idée d'utiliser des ondes radio passives pour collecter des mesures géophysiques de l'épaisseur de la glace a été initialement proposée par le co-auteur de l'étude Andrew Romero-Wolf, chercheur au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, comme moyen d'enquêter sur les lunes glacées de Jupiter. Comme Schroeder et Romero-Wolf travaillaient avec d'autres sur une mission, il est devenu clair que les ondes radio générées par Jupiter lui-même interféreraient avec leurs systèmes radar actifs à pénétration de glace. À un moment donné, Romero-Wolf s'est rendu compte qu'au lieu d'une faiblesse, Les émissions radio erratiques de Jupiter pourraient en fait être une force, s'ils pouvaient être transformés en une source pour sonder le sous-sol des lunes.

"Nous avons commencé à en discuter dans le contexte de la lune Europe de Jupiter, mais ensuite nous avons réalisé que cela devrait fonctionner aussi pour observer les calottes glaciaires de la Terre si nous remplaçons Jupiter par le soleil, " a déclaré Schroeder.

De là, l'équipe de recherche a entrepris d'isoler les émissions radio ambiantes du soleil pour voir si elles pouvaient être utilisées pour mesurer l'épaisseur de la glace. La méthode consistait à amener un sous-ensemble de la bande de fréquence radio 200 à 400 mégahertz du soleil au-dessus du bruit d'autres corps célestes, traiter des quantités massives de données et éliminer les sources artificielles d'électromagnétisme comme les chaînes de télévision, Radio FM et équipement électronique.

Alors que le système ne fonctionne que lorsque le soleil est au-dessus de l'horizon, la preuve de concept ouvre la possibilité de s'adapter à d'autres sources radio naturelles et artificielles à l'avenir. Les co-auteurs poursuivent également leur idée originale d'appliquer cette technique aux missions spatiales en exploitant l'énergie ambiante émise par d'autres sources astronomiques comme la géante gazeuse Jupiter.

« Repousser les frontières de la technologie de détection pour la recherche planétaire nous a permis de repousser les frontières de la technologie de détection pour le changement climatique, " Schroeder a déclaré. "La surveillance des calottes glaciaires sous le changement climatique et l'exploration des lunes glacées sur les planètes extérieures sont deux environnements extrêmement pauvres en ressources où vous devez vraiment concevoir des capteurs élégants qui ne nécessitent pas beaucoup d'énergie. "