ฉันต้องใช้พลังงานมากแค่ไหนในการส่งสัญญาณวิทยุผ่านเปลือกน้ำแข็งที่หนา 100 กิโลเมตร

ลองนึกภาพฉันวางโพรบลอยในมหาสมุทร subglacial ของ Encelado หรือ Europa: วิทยุของฉันจะต้องสามารถสื่อสารจากพื้นผิวภายนอกกับโพรบได้หรือไม่ หรือในคำต่าง ๆ การลดทอนของน้ำแข็งแข็ง 100 กิโลเมตรทำให้เกิดสัญญาณวิทยุที่ความถี่วิทยุที่ความถี่เท่าไร?

ฉันไม่สามารถตอบได้โดยตรง แต่นาซ่ากำลังตรวจสอบแผ่นน้ำแข็งของกรีนแลนด์พร้อมเรดาร์ตรวจอากาศเพื่อค้นหาความลึกของหิน นี่คือสิ่งที่พวกเขาพูดเกี่ยวกับน้ำแข็งและคลื่นวิทยุ: -

น้ำแข็งในทางกลับกันปฏิกิริยาจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความถี่ของเรดาร์ มันสะท้อนคลื่นวิทยุความถี่สูง แต่แม้จะเป็นเรดาร์เรดาร์ความถี่ต่ำสามารถผ่านน้ำแข็งได้ในระดับหนึ่ง นี่คือเหตุผลที่ MCoRDS ใช้ความถี่ค่อนข้างต่ำ - ระหว่าง 120 และ 240 MHz เครื่องมือนี้ช่วยให้ตรวจจับพื้นผิวน้ำแข็งชั้นในของน้ำแข็งและหินด้านล่าง “ เพื่อให้ได้ก้นน้ำแข็งคุณต้องใช้ความถี่ที่ต่ำกว่า” John Paden นักวิทยาศาสตร์ CReSIS กล่าว "ความถี่และสัญญาณสูงเกินไปจะหายไปในน้ำแข็ง"

สิ่งนี้มาจากที่นี่และมันน่าสนใจที่จะทราบว่านี่คือเรดาร์และต้องมีการสะท้อนกลับจากพื้นหินเพื่อส่งผ่านน้ำแข็งไปยังเครื่องบินที่รับ ฉันนึกภาพว่าพลังงานที่สะท้อนนั้นเป็นเพียงเศษเสี้ยวของพลังงานตกกระทบถึงหินดังนั้นบางทีคุณอาจได้ 10 เท่าของระยะทางนี้ผ่านแผ่นน้ำแข็งที่มีการส่งทางเดียว

นี่คือภาพที่พวกเขาได้รับ: -

สำหรับผมแล้ว +3km เป็นไปได้ด้วยเรดาร์ ฉันไม่รู้ว่ามุมลำแสงเรดาร์คืออะไรดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะคำนวณว่าพลังงานตกกระทบที่พื้นผิวของน้ำแข็งคืออะไร - การส่งสัญญาณจากเครื่องบินอาจเป็นเรดาร์พัลซิ่ง 1MW ที่มีมุมลำแสงแคบมาก พื้นผิวด้านบนของน้ำแข็งหลายร้อยวัตต์ นอกจากนี้การสะท้อนจากชั้นหินจะไม่เป็นลำแสงที่แน่นหนา - นี่หมายถึงพลังงานที่สะท้อนกลับจะกระจายออกไปเล็กน้อยเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น (ดูสมการFriis ) พลังงานที่ได้รับจากเครื่องบินจะเล็กกว่าการเปล่งออกมาจากพื้นผิวของน้ำแข็ง - ดูสมการ Friis อีกครั้ง

ภาคผนวก

ฉันคิดถึงการสูญเสียลิงค์สำหรับแอปพลิเคชันเรดาร์: -

• ลิงก์สูญเสียจากเครื่องบินสู่ดิน จานเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 ม. จะได้รับ = 3.35 หรือประมาณ 10.5 เดซิเบล หากเครื่องบินอยู่เหนือน้ำแข็ง 1km การสูญเสียลิงค์ไปยังจานเดียวกัน (บนน้ำแข็ง) จะเป็น -21 (กำไรจากเสาอากาศ) +32.5 + 20log (MHz) + 20log (กม.) = 11.5 + 46 + 20 = 78dB ลิงก์ การสูญเสีย หากกำลังส่งสัญญาณเรดาร์เป็น 1 MW (90 dBm) สัญญาณที่ได้รับที่พื้น / icecap จะเป็น 12 dBm (16 mW)$\frac{\pi^2 D^2}{\lambda^2}\cdot 0.6$
• มันเป็นปัญหาเดียวกันสำหรับสัญญาณสะท้อนกลับ ที่พื้นผิวนั้นมันจะมีการลดทอนแบบเดียวกันกับเครื่องบิน (78dB) ที่สูงกว่า 1 กม.

การสูญเสียเหล่านี้จะไม่เกิดขึ้นจากการส่งผ่านน้ำแข็งอย่างง่ายผ่านการส่งและรับเสาอากาศจะถูกจัดวางในน้ำแข็งหรือบนพื้นผิว ทั้งหมดนี้เป็นลางดีสำหรับความสามารถในการส่งในทิศทางเดียวผ่านน้ำแข็งขนาดใหญ่ระยะทาง

สมมติว่ามันจะทำงานคล้ายกับน้ำแข็งบนโลกมีการวัดทำบางอย่างของการลดทอน RF ของรอสส์หิ้งน้ำแข็งในทวีปแอนตาร์กติกา ความยาวของการลดทอนพบว่าอยู่ที่ 300-500m สำหรับความถี่จาก 75MHz ถึง 1.25GHz

(ความยาวลดทอนเป็นระยะทางสำหรับสัญญาณที่จะลดลงถึง 1 / e ~ = 0.368 ~ = -4.3dB ค่อนข้างคล้ายกับเวลาคงที่)

นั่นจะเป็นปริมาณที่ลดทอนที่ค่อนข้างน่ากลัวสำหรับความหนา 100 กม. (บางอย่างเช่น -950dB) จะไม่เกิดขึ้น

อำนาจจะแน่นอนขึ้นอยู่กับแบนด์วิดธ์ของสัญญาณที่จะต้องส่ง

หากต้องการนำไปใช้ในมุมมองนั้นการบันทึกสำหรับการสื่อสารที่ตีกลับพระจันทร์นั้นเป็นอะไรที่เหมือนกับกำลังส่งกำลังของ 3MW (~ -300dB การลดทอน) หากเรามี 1GW นั่นจะเป็นอีก 115dB แต่ก็ยังไม่เพียงพอสำหรับสิ่งที่ต้องการ

ขณะนี้ฉันทำงานเป็นวิศวกรเรดาร์สำหรับ British Antarctic Survey ดังนั้นฉันคิดว่าฉันสามารถช่วยได้

ความถี่เป็นสิ่งสำคัญน้ำแข็งคือ (นอกเหนือจากช่องว่างเฉพาะบางอย่าง) ไม่มีการบล็อกที่ความถี่ MF แต่ที่น้ำแข็ง HF และ UHF และน้ำมีความคล้ายคลึงกันมาก

ถ้าคุณทำให้คุณความถี่ต่ำพอ (ต่ำกว่า 2.4Mhz) กว่าที่ฉันคิดว่า (สมมติว่าน้ำแข็งที่คุณกำลังพูดถึงเป็นน้ำตาม) จะมีปัญหาเล็กน้อยกับน้ำแข็ง ... คุณยังคงส่งสัญญาณไปยังพื้นที่และสัญญาณ MF ค่อนข้างแย่ สำหรับสาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากการรบกวนของชั้นบรรยากาศบนโลก ฉันรู้ว่าสนามแม่เหล็กโลกนั้นทรงพลังมากดังนั้นบางทีในบางศพที่คุณสามารถหนีไปได้

ด้วยวิธีใดฉันคิดว่าปัญหาหลักของคุณอาจค้นหาความถี่เดียวซึ่งคุณสามารถผ่านน้ำแข็งและรบกวนบรรยากาศใด ๆ แน่นอนว่าจะเป็นปัญหาบนโลก