Solen utgör en skrämmande källa till elektromagnetisk oordning – kaotisk, slumpmässig energi som sänds ut av den massiva gaskulan anländer till jorden i ett brett spektrum av radiofrekvenser. Men i den slumpen, Stanford-forskare har upptäckt skapandet av ett kraftfullt verktyg för att övervaka is och polära förändringar på jorden och över solsystemet.

I en ny studie, ett team av glaciologer och elektroingenjörer visar hur radiosignaler som naturligt sänds ut av solen kan omvandlas till ett passivt radarsystem för att mäta djupet på inlandsisar och framgångsrikt testa det på en glaciär på Grönland. Tekniken, detaljerat i journalen Geofysiska forskningsbrev den 14 juli, kan leda till en billigare, lägre kraft och mer genomgripande alternativ till nuvarande metoder för att samla in data, enligt forskarna. Förskottet kan erbjuda storskaliga, långvarig insikt i smältande inlandsisar och glaciärer, som är en av de dominerande orsakerna till höjning av havsnivån som hotar kustsamhällen runt om i världen.

En himmel full av signaler

Luftburen isgenomträngande radar – det primära strömmedlet för att samla in utbredd information om den polära underytan – involverar flygande flygplan som innehåller ett kraftfullt system som sänder sin egen "aktiva" radarsignal ner genom inlandsisen. Verksamheten är resurskrävande, dock, och ger endast information om förhållanden vid tidpunkten för flygningen.

Däremot forskarnas proof of concept använder en batteridriven mottagare med en antenn placerad på isen för att upptäcka solens radiovågor när de färdas ner till jorden, genom inlandsisen och till underytan. Med andra ord, istället för att sända sin egen signal, systemet använder naturligt förekommande radiovågor som redan färdas ner från solen, en kärnkraftsdriven sändare i himlen. Om den här typen av system var helt miniatyriserade och distribuerade i omfattande sensornätverk, det skulle erbjuda en aldrig tidigare skådad titt på utvecklingen under ytan av jordens snabbt föränderliga polära förhållanden, säger forskarna.

"Vårt mål är att kartlägga en kurs för utveckling av resurssnåla sensornätverk som kan övervaka förhållanden under ytan i en riktigt stor skala, " sade huvudstudieförfattaren Sean Peters, som genomförde forskning för studien som doktorand vid Stanford och arbetar nu vid MIT Lincoln Laboratory. "Det kan vara utmanande med aktiva sensorer, men denna passiva teknik ger oss möjligheten att verkligen dra nytta av implementeringar med låga resurser."

En slumpmässig fördel

Förutom synligt och annat ljus, solen sänder ständigt ut radiovågor över ett brett, slumpmässigt spektrum av frekvenser. Forskarna använde detta kaos till sin fördel:De spelade in en bit av solens radioaktivitet, som är som en oändlig sång som aldrig upprepas, lyssnade sedan efter den unika signaturen i ekot som skapas när solradiovågorna studsar från botten av ett inlandsis. Genom att mäta fördröjningen mellan originalinspelningen och ekot kan de beräkna avståndet mellan ytmottagaren och inlandsisens golv, och därmed dess tjocklek.

I deras test på Store Glacier på Västgrönland, forskarna beräknade en ekofördröjningstid på cirka 11 mikrosekunder, som kartläggs till en istjocklek på cirka 3, 000 fot – en siffra som matchar mätningar av samma plats som registrerats från både markbaserad och luftburen radar.

"Det är en sak att göra en massa matematik och fysik och övertyga dig själv om att något borde vara möjligt - det är verkligen något annat att se ett verkligt eko från botten av ett inlandsis med solen, " sa seniorförfattaren Dustin Schroeder, en biträdande professor i geofysik vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskaper (Stanford Earth).

Från Jupiter till solen

Idén att använda passiva radiovågor för att samla in geofysiska mätningar av isens tjocklek föreslogs ursprungligen av studiens medförfattare Andrew Romero-Wolf, en forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, som ett sätt att undersöka Jupiters isiga månar. När Schroeder och Romero-Wolf arbetade tillsammans med andra på ett uppdrag, det blev klart att radiovågor som genererades av Jupiter själv skulle störa deras aktiva isgenomträngande radarsystem. Vid en punkt, Romero-Wolf insåg att istället för en svaghet, Jupiters oberäkneliga radioutsläpp kan faktiskt vara en styrka, om de kunde förvandlas till en källa för att undersöka månarnas underyta.

"Vi började diskutera det i samband med Jupiters måne Europa, men sedan insåg vi att det borde fungera för att observera jordens inlandsisar också om vi ersätter Jupiter med solen, " sa Schröder.

Därifrån, forskargruppen åtog sig uppgiften att isolera solens omgivande radioutsläpp för att se om den kunde användas för att mäta istjockleken. Metoden innebar att en delmängd av solens 200- till 400-megahertz radiofrekvensband fördes över bruset från andra himlakroppar, bearbeta enorma mängder data och eliminera konstgjorda källor till elektromagnetism som TV-stationer, FM-radio och elektronisk utrustning.

Medan systemet bara fungerar när solen är ovanför horisonten, proof-of-concept öppnar möjligheten att i framtiden anpassa sig till andra naturligt förekommande och konstgjorda radiokällor. Medförfattarna fullföljer också fortfarande sin ursprungliga idé att tillämpa denna teknik på rymduppdrag genom att utnyttja den omgivande energin som emitteras av andra astronomiska källor som gasjätten Jupiter.

"Att tänja på gränserna för avkänningsteknologi för planetarisk forskning har gjort det möjligt för oss att tänja på gränserna för avkänningsteknik för klimatförändringar, "Att övervaka inlandsisar under klimatförändringar och att utforska isiga månar på de yttre planeterna är båda extremt resurssnåla miljöer där du verkligen behöver designa eleganta sensorer som inte kräver mycket ström."