Sandia National Laboratories geofysiker Danny Bowman, vänster, och Sarah Albert visar en infraljudssensor och lådan som används för att skydda sensorerna från de extrema temperaturer som uppstår av ballonger som tar sensorerna dubbelt så högt som kommersiella jetflyg. Upphovsman:Randy Montoya
Plastskivor liknande de som används för sopsäckar, packtejp, någon sträng, lite kolstoft och en vit låda i skokartong är mer än odds och slut. Det här är förnödenheterna Danny Bowman, en geofysiker från Sandia National Laboratories, behöver bygga en soldriven luftballong för att upptäcka infraljud.
Infraljud är ljud av mycket låga frekvenser, under 20 hertz, som är lägre än människor kan höra. Afrikanska elefanter producerar infraljud för fjärrkommunikation vid cirka 15 hertz. För jämförelse, en humles surr är vanligtvis 150 hertz och människor hör i intervallet 20 till 20, 000 hertz.
Förra juli, en flotta med fem soldrivna ballonger nådde en höjd av 13 till 15 miles, dubbelt så högt som kommersiella jetplan, och upptäckte infraljudet från en testexplosion. Detta experiment finansierades av Sandia's Laboratory Directed Research and Development -program. Bowman presenterade resultaten på American Geophysical Union -konferensen i december. Resultaten publiceras snart.
Infraljud är viktigt eftersom det är en av verifieringsteknikerna som USA och det internationella samfundet använder för att övervaka explosioner, inklusive de som orsakas av kärnvapenprov. Traditionellt, infraljud detekteras av markbaserade sensoruppsättningar, som inte täcker det öppna havet och kan förvirras av andra ljud, som vinden. Bowman sa att luftkonditioneringsapparater också är en vanlig källa till infraljud.
"Stratosfären är mycket mindre bullrig så att du kan upptäcka händelser av intresse för vetenskap och nationell säkerhet från större avstånd, "sa Bowman. Stratosfären är det atmosfäriska lagret från cirka 5 miles till 31 miles ovanför marken.
Billiga varmluftsballonger flyger hela dagen
En soldriven luftballong tar tre timmar för Bowman och medgeofysikern Sarah Albert att göra, och använder material till ett värde av $ 50, inklusive inte återanvändbar infraljudssensor eller GPS -tracker. Koldammet hjälper till att värma upp luften inuti ballongen, tillhandahåller hiss, utan att kräva heliumgas, en icke -förnybar resurs.
Ballongerna kan till och med skjutas upp på molniga dagar, sa Albert. De stannar uppe i stratosfären hela dagen och kommer ner efter att solen gått ner. Denna "garanterade uppsägningsmekanism" är både en fördel och ett nackdel, sa Bowman.
Det är ett idiotsäkert sätt att få ner ballongerna, sensorerna och data de har samlat in. Å andra sidan, längre flyg skulle vara användbart. Under den arktiska sommaren, ballongerna kunde flyga i veckor, men laget arbetar också med ballonger som kan stanna uppe på natten.
För framtida experiment, Bowman är intresserad av en ballongdesign med en isolator på ballongens övre yta och absorberare på botten, så det absorberar värme från jorden så att den kan fortsätta flyga på natten.
En Sandia National Laboratories soldriven varmluftsballong som tar flygbjörnsensorer inklusive en GPS-tracker och återanvändbar infraljudssensor. Upphovsman:Sandia National Laboratories
Flera sensorer bestämmer platsen
Den viktigaste aspekten av detta experiment är att de fem ballongerna bildade en 3D-uppsättning sensorer, sa Albert. En sensor kan höra ett ljud, men kan inte ge någon platsinformation. Albert sa, "Min mamma är döv på ett öra så det är svårt för henne att säga varifrån ett ljud kommer." Med två öron kan djuren bestämma ljudkällan.
Fem mikrofoner i en array, som i detta experiment eller markbaserade sensoruppsättningar, ge samma information - från vilken riktning ljudvågen kommer. Forskare samordnar informationen från flera matriser för att triangulera ljudkällan.
Att beräkna varifrån ljudvågen kommer kan vara en utmaning när varje sensor i gruppen rör sig i förhållande till varandra och källan, sa Bowman. Många beräkningsalgoritmer antar stationära sensorer, så teamet behövde anpassa dem för att inkludera GPS -information.
Framtida användning vid övervakning av fördrag och undersökning av solsystem
Bowman har föreslagit flygande ballongburna infraljudssensorer som en del av nästa serie av National Nuclear Security Administration's Source Physics Experiment-projekt. Detta projekt utvecklar nya och förbättrade, fysikbaserade metoder för övervakning av underjordiska kärnkraftsexplosioner.
Förutom potentiell övervakning av avtal och användningar av nationell säkerhet, Bowman och Albert hoppas kunna flyga luftballonger i icke-markbundna experiment.
Bowman bistår ett NASA Jet Propulsion Laboratory-projekt för att undersöka möjligheten att använda ballongburna infraljudssensorer på Venus för att lyssna på Venus-skalv. Venus liknar jorden i massa, men är geologiskt mycket annorlunda utan uppenbar platttektonik.
En annan möjlighet teamet utforskar är att flyga infraljudssensorer på Jupiter. Jupiter är en gasjätt med öppna vetenskapliga frågor om dess inre struktur och geologi som infraljud kan hjälpa till att svara på. "Vi är fortfarande decennier borta från ett verkligt uppdrag, "sade Bowman." Men jag är spänd på att se hur långt det kommer att gå. "
Resultaten från Bowmans tidigare forskningstest med individuella infraljudssensorer på ballonger publicerades i Geofysiska forskningsbrev och mer nyligen i Journal of Geophysical Research:Atmospheres .
Bowman sa, "Detta är ett riktigt spännande nytt forskningsområde. Ballongburna infraljudssensorer kommer aldrig att ersätta markbaserade akustiska matriser, men jag tror att det kan öka dem. Och det mest spännande är att flyga i atmosfären på andra planeter och vad vi kan lära av dem. "
