斯坦福大學(xué)無線電冰川學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用無線電波來了解快速變化的冰蓋及其同伴全球海平面上升的貢獻(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)揭示了格陵蘭島地下的地下水，極端融化的長(zhǎng)期影響，一個(gè)可能加速南極洲冰蓋質(zhì)量損失的過程，一個(gè)可能使海平面上升10英尺的冰蓋的潛在不穩(wěn)定性，以及更多。

現(xiàn)在，該小組的博士生已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)開源工具，其他人可以用它來制作冰穿透雷達(dá)系統(tǒng)，這是冰河學(xué)領(lǐng)域的核心儀器。開放雷達(dá)代碼架構(gòu)（ORCA）為科學(xué)家們提供了一種更便宜、更簡(jiǎn)單、更有效的方法來構(gòu)建機(jī)載和地面雷達(dá)，即使他們?nèi)狈夹g(shù)工程背景。破冰雷達(dá)的價(jià)格可能高達(dá)數(shù)萬或數(shù)十萬美元，而該團(tuán)隊(duì)的開源雷達(dá)的最低成本僅為1500美元。

博士生托馬斯·泰斯伯格（Thomas Teisberg）與24屆博士安娜·布魯姆（Anna Broome）一起開發(fā)了該系統(tǒng)，他說：“我們使團(tuán)隊(duì)能夠?yàn)樗麄兿胍龅氖虑榻⑼耆_的儀器。”

以前的雷達(dá)系統(tǒng)是用特定的硬件組件為每個(gè)用例專門構(gòu)建的，而新型號(hào)的硬件是通用的，更容易根據(jù)手頭的任務(wù)重新配置。布魯姆將這種設(shè)計(jì)比作廚房攪拌器，根據(jù)你打算做什么，有各種各樣的附件。通過標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)的基本組成部分，Broome和Teisberg還創(chuàng)建了一種統(tǒng)一的格式來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這樣冰川學(xué)家就可以有效地重用彼此的數(shù)據(jù)。

斯坦福大學(xué)杜爾可持續(xù)發(fā)展學(xué)院地球物理學(xué)副教授、首席研究員達(dá)斯汀·施羅德（Dustin Schroeder）說：“我認(rèn)為，我們將看到一些真正令人興奮的、史無前例的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)是由這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的?！盩eisberg和Broome最近與Schroeder在IEEE地球科學(xué)與遙感學(xué)報(bào)上共同撰寫了一項(xiàng)研究，為構(gòu)建該工具提供了藍(lán)圖。

透過冰看到外面

格陵蘭島和南極洲的冰蓋和冰川至關(guān)重要，它們?yōu)橐吧鷦?dòng)物提供了棲息地，儲(chǔ)存了地球上一半以上的淡水，并對(duì)氣候的演變做出了貢獻(xiàn)。它們是海平面上升的主要原因，威脅著生活在低洼沿海地區(qū)的6.8億人——然而預(yù)測(cè)的不確定性可能低估了這種威脅。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的模型，地球冰蓋對(duì)2100年平均海平面上升的不確定性貢獻(xiàn)最大。

為了掌握當(dāng)前的冰損失并對(duì)未來做出預(yù)測(cè)，科學(xué)家需要了解冰下的土地以及它如何影響流量和穩(wěn)定性?！叭绻阆肓私獗侨绾稳诨妥兓?，你需要知道冰蓋的底部是什么樣子的，”泰斯伯格說。

構(gòu)建工具包

目前，科學(xué)家們使用各種雷達(dá)儀器收集數(shù)據(jù)，隨后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，以了解冰川和冰蓋是如何工作的。對(duì)于試圖進(jìn)入該領(lǐng)域的科學(xué)家，或者對(duì)于那些沒有工程背景的人來說，找出最適合預(yù)期用例的雷達(dá)系統(tǒng)可能具有挑戰(zhàn)性。ORCA平臺(tái)由軟件定義無線電（一種可使用軟件重新配置的硬件）構(gòu)建而成，使設(shè)計(jì)定制儀器的能力民主化。

“如果社區(qū)接受這個(gè)新工具，我想我們會(huì)看到更多的科學(xué)家收集他們自己的雷達(dá)數(shù)據(jù)，并重新使用這些雷達(dá)系統(tǒng)的內(nèi)部來研究冰蓋的不同部分，目前你需要多種不同類型的雷達(dá)來觀察，”布魯姆說，他現(xiàn)在是桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)電氣工程師。

穿透冰雷達(dá)是冰川學(xué)家的基礎(chǔ)工具，但到目前為止，大多數(shù)系統(tǒng)都是由電氣工程師建造的，而不是冰川學(xué)家，達(dá)特茅斯學(xué)院的物理冰川學(xué)家和地球科學(xué)教授羅伯特霍利解釋說，他的研究小組使用穿透冰雷達(dá)并為地球系統(tǒng)的冰凍部分建造儀器。他說，制造硬件的學(xué)習(xí)曲線非常陡峭。“通過將他們的工作作為開源軟件發(fā)布，托馬斯和安娜使新一代的研究人員能夠訪問和建造穿冰雷達(dá)，這將刺激這類研究的復(fù)蘇?！边@使得提出科學(xué)問題的科學(xué)家能夠以一種以前不可能的方式參與進(jìn)來。”

收集更好的數(shù)據(jù)

當(dāng)Broome和Teisberg分別開發(fā)用于繪制冰蓋下陸地地圖的雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，開源平臺(tái)的想法就產(chǎn)生了。

“在某個(gè)時(shí)候，我們意識(shí)到，等一下，我們可以在一個(gè)共同的核心上組建團(tuán)隊(duì)，根據(jù)我們的需要進(jìn)行調(diào)整，這樣可以節(jié)省很多工作，”泰斯伯格說。

破冰雷達(dá)的工作原理和其他雷達(dá)一樣：它發(fā)射電磁波，并記錄電磁波反射的時(shí)間，以確定物體的距離。穿冰雷達(dá)使用比大多數(shù)其他雷達(dá)系統(tǒng)更低的頻率，并將這些波直接向下穿透冰，并提供冰表面以及冰下基巖或沉積物的反射。

雖然這個(gè)工具很簡(jiǎn)單，但在格陵蘭島駕駛一架有人駕駛的飛機(jī)可不是一件容易的事——它要花很多錢，還需要一套復(fù)雜的后勤保障?！拔覀兿Ｍㄟ^標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)的核心，我們?nèi)匀豢梢栽试S人們建立他們的定制，我們可以讓人們更容易地重用收集到的數(shù)據(jù)。通過這樣做，我們可以從收集到的每一條數(shù)據(jù)中提取更多的價(jià)值，”Teisberg說。

這項(xiàng)新研究包括建造兩種特定儀器的藍(lán)圖，這兩種儀器是布魯姆和泰斯伯格為自己的博士研究設(shè)計(jì)的。泰斯伯格是第一個(gè)承認(rèn)他們沒有制造新儀器的人。“我們站在許多人的肩膀上，他們之前在這個(gè)領(lǐng)域做了很多令人難以置信的工作。我們只是讓一種現(xiàn)有的儀器更容易使用?！?/p>

為了測(cè)試他們的原型，布魯姆和泰斯伯格去了冰島、斯瓦爾巴群島，最近又去了位于格陵蘭冰蓋頂端的國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science foundation）運(yùn)營(yíng)的研究站“頂峰站”（Summit Station）。他們通過將結(jié)果與先前從這些區(qū)域獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確認(rèn)了它們的功能——他們希望他們的研究?jī)H僅是個(gè)開始。施羅德說，這個(gè)開源工具就像送給冰川學(xué)社區(qū)的禮物。

施羅德說：“如果ORCA在我還是學(xué)生的時(shí)候就存在，我會(huì)很高興的?！薄拔艺娴暮芘d奮，它為我自己小組的學(xué)生和世界各地的冰川學(xué)學(xué)生提供了機(jī)會(huì)?！?/p>