Foto: Roderik van de Wal

Kan satellitter gennemskue indlandsisen?

fredag 29 nov 13
|
af Morten Andersen

Kontakt

Jørgen Dall
Professor
DTU Space
45 25 38 42
DTU har udviklet en radar, som kan ’se’ de skjulte strukturer i flere kilometer tykke lag af is. Radarens målinger indgår bl.a. i klimaforskningen til at forudsige, hvor hurtigt isen smelter – og hvor hurtigt den vil smelte i fremtiden.

På vegne af den europæiske rumfartsorganisation ESA har DTU Space udviklet en radar, der danner billeder af de skjulte strukturer i flere kilometer tykke lag af is. Det særlige ved teknologien er, at den kan fungere om bord på en satellit. Det åbner for systematiske målinger, som har stor værdi i en tid præget af klimaforandringer. 

Det varmere klima forandrer klodens ismasser dramatisk. De stadige forandringer og den enorme udstrækning af de isdækkede områder i Grønland og Antarktis betyder, at satellitter er det bedste redskab til at kortlægge tilstanden. Men det koster dyrt i udviklingstid og penge at sende satellitter op. Derfor skal den teknologi, som satellitterne benytter sig af, være testet grundigt på forhånd. 

Derfor har DTU Space udviklet radaren POLARIS (Polarimetric Airborne Radar Ice Sounder), der kan måle isens egenskaber fra fly ved hjælp af radiobølger. Man kan ikke direkte anbringe instrumentet i en satellit, men de vellykkede forsøg fra fly giver grund til at formode, at teknologien også vil fungere fra rummet. 

”Forskere har længe drømt om at kunne se ting, som ligger dybt under Jordens overflade, fra en satellit. Det er vi kommet tættere på,” siger Chung- Chi Lin, projektforsker i ESA’s program for jordobservation. 

Ser en million år tilbage i tiden 

I sig selv er det ikke epokegørende at kunne måle dybden af indlandsisen ved hjælp af radiobølger. Faktisk var forskere ved DTU pionerer på feltet, som i fagsproget kaldes ’ice sounding’, helt tilbage i 1960’erne og 1970’erne. Det er heller ikke nyt at kunne skabe radarbilleder af skjulte strukturer i isen. Men traditionelt har det været nødvendigt at placere instrumenterne direkte på isens overflade eller om bord på lavtgående fly. 

”Det vil sige, at forskerne ofte har været henvist til at rejse til fjerntliggende steder med deres udstyr og med alt det besvær og de omkostninger, der er forbundet med indsamlingen af data. POLARIS kan bane vej for satellitbaseret måling af, hvor dybt grundfjeldet under ismasserne befinder sig, og også afsløre de lag af is, der er dannet for en million år siden,” uddyber Chung-Chi Lin. 

Forstyrrer radiokommunikation 

De danske pionerer brugte radiobølger med lave frekvenser – helt ned til 60 MHz. Lav frekvens betyder lang bølgelængde. Lange bølger er ideelle til at trænge ned gennem indlandsisen, som er op til fire kilometer tyk, men de bruges også til almindelig radiokommunikation. Det skaber risiko for, at de to anvendelser forstyrrer hinanden. Hvis man brugte så lave frekvenser til observation af Jorden fra satellit, ville det skabe store problemer, fordi en satellit ’dækker’ et stort område på jordoverfladen. 

Gode billeder fra tre kilometers dybde 

Med andre ord er de frekvenser, som egentlig er ideelle til at måle på tykke lag af is, tabu for rumfarten. Men i 2003 tildelte World Radiocommunication Conference en frekvens ved 435 MHz til radarer i rummet. Frekvensen, der i fagsproget er kendt som P-båndet, er væsentligt lavere end de frekvenser, som satellitter normalt bruger til observation af Jorden. 

”Frigivelsen af P-båndet åbnede nye muligheder for os, der arbejder med observation af Jorden fra satellit,” siger ESA’s Chung-Chi Lin. 

”Ingen havde hidtil anvendt P-båndet fra fly. POLARIS blev derfor skabt som et værktøj til at teste grænserne for, hvor langt radaren kan trænge ned i isen ved så høj frekvens. ESA overlod udviklingen af instrumentet til DTU efter en udbudsrunde, hvor mange bød ind. To af ESA’s programmer, nemlig vores program for teknologiudvikling og programmet for jordobservation, har forenet kræfterne for at gøre udviklingen mulig.” 

”Takket være den høje kvalitet af DTU’s tekniske indsats var resultaterne forbløffende gode. Vi var i stand til at få billeder af grundfjeldet i 3.000 meters dybde under indlandsisen i Grønland, hvilket overgik vores forventninger.” 

Gletsjerne har sat farten op 

En yderligere finesse ved POLARIS er, at instrumentet efter omstændighederne kan bruges på to måder. Man kan enten måle isens tykkelse ved hjælp af radiobølger – altså ’ice sounding’ – eller man kan bruge instrumentet som en såkaldt SAR-radar (syntetisk apertur-radar). En SAR sender radioeller mikrobølger skråt ned mod jorden fra et fly eller en satellit. 

SAR-målinger kan blandt andet bruges til at finde ud af, hvor hurtigt gletsjerne bevæger sig mod oceanerne. Vi ved, at global opvarmning har sat hastigheden op, men hvor meget? Desuden er der store lokale forskelle mellem de forskellige gletsjere. 

Tanken er, at når man overflyver det samme område igen efter et stykke tid, kan man se, hvor langt isen har bevæget sig siden sidst. Den mest nøjagtige metode til at sammenholde de to sæt af målinger kaldes differentiel interferometri. Isens forskydning betyder, at radarbølgerne fra de to målinger blander sig med hinanden – de interfererer – og danner et mønster, som sladrer om selv små is-bevægelser. 

Bedst at måle nede i isen 

Interferometri er en etableret teknik inden for en lang række videnskabelige områder lige fra astronomi til biokemi, og siden 1990’erne er metoden også blevet brugt til måling af is-hastigheder fra satellitter. Interferometri forudsætter dog, at isen kun ændrer sig ganske lidt under sin bevægelse. Vind, snefald og andre fænomener betyder imidlertid, at overfladen hele tiden forandrer sig, og det er ofte nok til, at interferometriske teknikker fejler. Derfor har glaciologerne hidtil foretrukket at udføre deres målinger om vinteren, hvor overfladeforholdene er mest stabile. Men det udgør i sig selv en fejlkilde, for man kan bestemt ikke regne med, at ishastigheden om vinteren er repræsentativ for hele året. 

”Denne fejlkilde kan man muligvis komme uden om ved at bruge en lavere frekvens, som trænger nogle meter ned i isen, hvor forholdene er mere stabile. Dermed kan man håbe på, at is-hastigheder kan måles året rundt og over en større del af indlandsisen. Det skal vi undersøge for ESA i et nyt projekt, IceSAR-studiet,” forklarer lektor Jørgen Dall, DTU Space. 

Metoden udnytter, at isen under overfladen ikke er ensartet. For eksempel forekommer det jævnligt, at sne på overfladen smelter, hvorefter vandet trænger et stykke ned, indtil det fryser på ny. På den måde dannes klumper af hård is et stykke nede. Disse klumper kan man se med en SAR. Igen har forskerne store forhåbninger til det frekvensområde omkring frekvensen 435 MHz, P-båndet. 

Åbner for internationalt samarbejde 

Fra Kangerlussuaq (da. Søndre Strømfjord) på Grønlands vestkyst strækker der sig et 150 kilometer langt bælte af GPS-målestationer mod øst ind over indlandsisen. Stationerne står på overfladen og bevæger sig derved sammen med isen. Det giver et godt grundlag at sammenligne med, når man skal teste udstyr om bord på fly eller satellitter, der skal måle isens hastighed. Ved målekampagner i april, maj og juni 2012 matchede POLARIS-radaren GPS-stationernes målinger fuldt ud tilfredsstillende. 

”Under alle omstændigheder har vi vist, at det kan lade sig gøre at udnytte P-båndet til ice sounding fra fly, og sammen med en række internationale samarbejdspartnere bruger vi nu POLARIS’ data fra Antarktis til at vurdere, om det også er muligt fra en satellit,” siger Jørgen Dall. 

Kontrakterne med ESA har åbnet for nye typer af samarbejde. Blandt andet har DTU Space samarbejdet med EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) i Schweiz om P-båndsantenneudvikling, med Noveltis i Frankrig om elektromagnetisk modellering af is, med Politecnico di Milano om SAR-tomografi og endelig med Universiteit Utrecht samt British Antarctic Survey om glaciologi

Relaterede Videoer  

Vis flere