Как мравките вдъхновиха нов начин за измерване на снега с космически лазери

Как мравките вдъхновиха нов начин за измерване на снега с космически лазери

Мравките са създания на навика. Биолозите, които са прекарали много време, наблюдавайки поведението на цели колонии, могат да предскажат средното време, през което една мравка се скита под земята, преди да се появи отново на повърхността. Това накара физикът от НАСА Йоншиан Ху да се запита дали същата предсказуемост може да е вярна за фотоните – частици светлина, пътуващи през снежната покривка. Ако е така, това ще позволи на учените да използват лазер, насочван от орбитален спътник, за да измерят дълбочината на снега – потенциално мощен нов начин за наблюдение на водните запаси и състоянието на морския лед в Арктика.

Сателитът ICESat-2 на НАСА е оборудван с лидар – разновидност на лазерна система. Този изключително чувствителен инструмент изстрелва трилиони фотони към Земята, след което анализира какво се връща обратно към спътника. Тъй като учените знаят скоростта на светлината, те могат да използват лидар, за да определят надморската височина: на фотон, който отскача от върха на планина, ще отнеме малко по-малко време, за да достигне ICESat-2, отколкото на фотон, който отскача от дъното на долината.

Същото се случва, когато стреляте с лидар в снежна маса. „Можем да измерим това разстояние на всеки отделен фотон, пътуващ в снега“, казва Ху. Някои фотони може да влязат десетки или дори сто фута дълбоко в снежната покривка, преди да излязат на повърхността и да се насочат обратно към спътника. Това забавяне разкрива дълбочината на снега. (Фотоните проникват в снега като лъч, вместо да се разпръскват странично. По начина, по който лазер, изстрелян през облак дим, изглежда като една линия.) Пътят на фотона не винаги е прост. Точно както мравка се скита около своята подземна колония, фотоните, изстреляни от космически лазер, поемат произволен маршрут през снега. Няколко от тях ще пътуват чак до почвата и ще се отразят от нея, преди да се върнат над земята. Някои отскачат по средата, след като са ударили частици сняг. „Повечето от тях отиват на сантиметри в снега и се връщат“, казва Ху. „Но има много, които минават дълбоко, много дълги разстояния, хванати в капан в снега – подскачат напред-назад, напред-назад.” Цялото това рикоширане наоколо създава объркани данни.

Но в него има модел, точно както има в начина, по който групите мравки, в съвкупност, се движат около колонията си. Докато всеки фотон поема непостоянен път, учените могат математически да представят средното разстояние, което изминава. Екипът изчислява, че средно един фотон пътува два пъти по-далеч от дълбочината на снега, през който се движи.

След като е получил тази формула, екипът може да оцени дълбочината на снега по цялата планета, използвайки глобални данни от лидар от ICESat. След това те сравняват тези оценки с измерванията на дълбочината на снега на същите области, взети от самолети с помощта на радар. Третият метод е поставянето на специални прътове в снега. „Резултатите съвпадат много добре“, казва Ху за методите.

Това е наистина смело приложение на теорията в реалните измервания“, казва глациологът от Вашингтонския университет Бен Смит. „Първоначалната ми реакция беше: Няма как това да работи. Но изглежда, че има доста голям шанс наистина да направите това с реални данни.“

Тази сателитна техника има предимства: тя е глобална и по-евтина от измерването на дълбочината на снега със самолети, което изисква гориво, поддръжка, обучени пилоти.

Измерванията на снежната покривка ще бъдат все по-важни, тъй като изменението на климата заплашва водните системи. „Снежната покривка осигурява огромна част от водните ресурси за доста райони по света, и непрекъснато намалява“, казва Ху.

Изследователите могат да използват новата техника, за да анализират дебелината на морския лед, за да разберат по-добре как се променя Арктика, тъй като се затопля четири пъти по-бързо от останалата част от планетата. Това може да стане и със сателит, като измерите колко високо се простира парче лед над морското равнище. Но ако отгоре има куп сняг… Теоретично лидарът на ICESat-2 може да измери дебелината на този снежен слой, след което да го извади, за да получи дебелината на ледът отдолу. Този процес може да се обърка, ако снегът е смесен с тънки пластове лед, което би отхвърлило сигнала. „Това е следващото нещо, за което да помислим“, казва Смит. „Но смятам, че цялата концепция е наистина много перспективна.“




Имате възможност да подкрепите качествените анализи, коментари и новини в "Икономически живот"