Badania przestrzeni kosmicznej bliskiej Ziemi wkraczają na nowy poziom dzięki arktycznym radarom z szykiem fazowanym
EISCAT3D stanowi nową, potężną infrastrukturę badawczą wykorzystującą obserwacje radarowe, aby badać oddziaływania atmosfery ziemskiej z przestrzenią kosmiczną otaczającą planetę oraz skuteczniej wspierać rozwój nauk zajmujących się Układem Słonecznym i radioastronomii. Wykorzystując wszechstronną technologię komputerową, system ten przyspieszy też rozwój nowych dziedzin badań, takich jak pomiary mikrometeorów czy obrazowanie asteroid. Podczas ukończonej niedawno fazy wdrożeniowej pod egidą projektu EISCAT3D_PfP ustanowiono niezbędne podejście umożliwiające systemowi EISCAT3D wykonywanie szczegółowych, trójwymiarowych pomiarów zjonizowanej, górnej warstwy atmosfery. Radary o niespotykanym zasięgu Narzędzie EISCAT3D zostało umiejscowione pod obszarem, w którym oddziaływania pomiędzy atmosferą a przestrzenią kosmiczną mają najbardziej bezpośredni i dynamiczny charakter: strefie występowania nocy polarnej nad arktyczną częścią Półwyspu Fennoskandzkiego. Jak wyjaśnia koordynator projektu, dr Craig Heinselman: „Gdy obserwujemy zorzę polarną lub dokonujemy jej pomiarów za pomocą przyrządów optycznych, widzimy rezultat ruchu elektrycznie naładowanych cząsteczek wywoływanego po części przez pole magnetyczne Ziemi. Przenoszą one duże ilości energii i pędu do górnej, obojętnej warstwy atmosfery. Sam widok jest niezwykle imponujący, jednak stanowi jedynie część całego zjawiska, ponieważ wspomniana energia odpowiada również za jonizację atmosfery”. EISCAT3D pozwoli naukowcom przyglądać się skutkom jonizacji atmosferycznej, a także wykorzystywać jony i elektrony w funkcji znaczników wskazujących procesy za nią odpowiedzialne, takie jak pola elektryczne. Uczeni mają nadzieję, że badanie przebiegu tego zjawiska pozwoli lepiej zrozumieć, co dzieje się ze wspomnianą energią, jak oddziałuje ona na większy system oraz jakie są skutki tych oddziaływań. Projekt opiera się na technologii radarów z szykiem fazowanym. Przekształcenie elektronicznych układów radarów, tak aby zdolne były zarówno do transmisji, jak i odbioru danych, sprawiło, że bardzo szybko zmieniają on swój kierunek. Jeśli zaistnieje taka potrzeba, radary mogą monitorować obszar w innym kierunku co jedną tysięczną sekundy. Koncepcja ta różni się zasadniczo od standardowych radarów wyglądem przypominających dyski, które muszą obracać się, wykorzystując masywne silniki elektryczne o dużej mocy zdolne do przemieszczania ciężkiej instalacji antenowej. Dodatkowo dwie anteny systemu EISCAT3D odpowiadają wyłącznie za odbiór sygnałów, co oznacza, że oprócz śledzenia szybko poruszającej się wiązki nadajnika będą jednocześnie zdolne do monitorowania przestrzeni w 100 różnych kierunkach. Pozwoli im to w tym samym czasie wykrywać sygnały transmitowane na całej wysokości, a nie w wybranym zakresie, jak ma to miejsce w przypadku niektórych systemów działających obecnie. Ku innowacjom w badaniach przestrzeni kosmicznej bliskiej Ziemi Jedną z głównych przeszkód, które pokonał zespół inicjatywy EISCAT3D_PfP, było opracowanie systemu o wystarczającej mocy obliczeniowej, aby spełnić wymogi projektowe. Jak wspomina dr Heinselman: „W czasie prac projektowych równoczesne dostarczenie 100 wąskich wiązek w trybie odbioru przekraczało zakładany budżet, więc początkowy projekt obejmował jedynie siedem. Na szczęście postępy technologiczne, szczególnie te w dziedzinie technologii bezpośrednio programowalnej macierzy bramek (FPGA), sprawiły, że 100 wiązek to nie tylko praktyczne, lecz także opłacalne rozwiązanie”. W kontekście wymaganej dokładności pomiarów kolejnym wyzwaniem była budowa systemu, którego wewnętrzne zegary komputerowe nie generowałyby hałasu mogącego zagłuszyć odbierane sygnały. Było to niezwykle trudne zadanie, biorąc pod uwagę fakt, że sygnały odbierane przez radar są łącznie około 20 razy słabsze (0,000000000000000001%) od sygnału transmitowanego. Realizacja założeń inicjatywy wymagała więc od jej uczestników nie tylko wykonania bardzo precyzyjnego projektu, lecz także przeprowadzenia szeroko zakrojonych testów. Zespół projektu EISCAT3D_PfP dowiódł możliwości realizacji celów wyznaczonych dla instalacji EISCAT3D i rozpoczął fazę jej wdrażania. Uczeni spodziewają się, że systemy EISCAT3D zostaną udostępnione środowisku naukowemu przed końcem 2021 roku. Zapytany o przyszłość, dr Heinselman zauważa, że „ponieważ EISCAT3D jest instrumentem naukowym służącym do badań, trudno jest określić ostateczny kierunek jego rozwoju, jednak jednym z bardziej obiecujących zastosowań systemu jest prognozowanie oddziaływania pogody kosmicznej. Wspomniane zjawiska wywierają, i z pewnością dalej będą wywierać rosnący wpływ na społeczeństwo w coraz większym stopniu zależne od technologii kosmicznych”.
Słowa kluczowe
EISCAT3D_PfP, radar, bliski Ziemi, przestrzeń kosmiczna, atmosfera, pogoda, sygnały, wiązka, anteny, jonizacja, jony, elektrony, transmisja, odbiór