Di quanta energia ho bisogno per trasmettere un segnale radio attraverso una solida crosta di ghiaccio spessa 100 km?

Immagina di mettere una sonda galleggiante nell'oceano subglaciale di Encelado o Europa: quanta energia dovrebbe avere la mia radio per comunicare dalla superficie esterna con la sonda? O, in altre parole, quanta attenuazione causano 100 km di ghiaccio solido a un segnale radio, per esempio, alla frequenza UHF?

Non posso rispondere direttamente, ma la Nasa sta sondando le calotte glaciali della Groenlandia con il radar dell'aereo per trovare la profondità della roccia fresca. Ecco cosa dicono delle onde di ghiaccio e radio: -

Il ghiaccio, d'altra parte, reagisce in modo diverso a seconda della frequenza del radar. Riflette le onde radio ad alta frequenza, ma nonostante sia solido, il radar a bassa frequenza può attraversare il ghiaccio in una certa misura. Questo è il motivo per cui MCoRDS utilizza una frequenza relativamente bassa, tra 120 e 240 MHz. Ciò consente allo strumento di rilevare la superficie del ghiaccio, gli strati interni del ghiaccio e il substrato roccioso sottostante. "Per sondare il fondo del ghiaccio è necessario utilizzare una frequenza inferiore", ha dichiarato John Paden, scienziato CReSIS. "Una frequenza e un segnale troppo alti andranno persi nel ghiaccio."

Questo è venuto da qui ed è interessante notare che questo è un radar e richiede un riflesso della roccia fresca per tornare indietro attraverso il ghiaccio all'aereo ricevente. Immagino che la potenza riflessa sia una frazione della potenza incidente che raggiunge la roccia, quindi forse potresti ottenere 10 volte questa distanza attraverso una solida lastra di ghiaccio con una trasmissione a senso unico.

Ecco il tipo di immagine che stanno ottenendo: -

Mi sembra che + 3km sia possibile con il radar. Non so quale sia l'angolo del raggio radar, quindi è impossibile calcolare quale sia la potenza incidente sulla superficie del ghiaccio - la trasmissione dall'aereo potrebbe essere un radar pulsato da 1 MW con un angolo del fascio molto stretto che produce una potenza incidente a la superficie superiore del ghiaccio di centinaia di watt. Inoltre, il riflesso del substrato roccioso non sarà un raggio stretto - questo significa che la potenza riflessa all'indietro si diffonderà sottilmente all'aumentare della distanza (vedi equazioni di Friis ). Anche la potenza ricevuta sull'aereo sarà molto più piccola di quella emessa dalla superficie del ghiaccio - vedi di nuovo le equazioni di Friis.

appendice

Ho pensato alla perdita di collegamento per l'applicazione radar: -

• $\frac{\pi^2 D^2}{\lambda^2}\cdot 0.6$
• È lo stesso problema per il segnale di riflessione. In superficie, è soggetto alla stessa attenuazione fino al velivolo (78dB) che è 1km più alto.

Queste perdite non saranno rilevate da una semplice trasmissione attraverso il ghiaccio: le antenne di trasmissione e ricezione sono situate nel ghiaccio o sulla sua superficie. Tutto ciò fa ben sperare per essere in grado di trasmettere in una sola direzione attraverso grandi distanze di ghiaccio.

Supponendo che si comporti in modo simile al ghiaccio d'acqua sulla Terra, sono state effettuate alcune misurazioni dell'attenuazione RF della piattaforma per il ghiaccio di Ross in Antartide . La lunghezza dell'attenuazione è risultata essere di 300-500 m per frequenze da 75 MHz a 1,25 GHz.

(La lunghezza dell'attenuazione è la distanza per cui il segnale scende a 1 / e ~ = 0,368 ~ = -4,3 dB, in qualche modo analogo alla costante di tempo)

Questa sarà una quantità di attenuazione piuttosto intimidatoria per uno spessore di 100 km (qualcosa come -950dB). Non succederà.

La potenza , ovviamente, dipenderà dalla larghezza di banda dei segnali che devono essere trasmessi.

Per dirla in prospettiva, il record per la comunicazione di rimbalzo lunare è qualcosa come la potenza di trasmissione di 3mW (attenuazione di ~ -300dB). Se avessimo 1 GW, sarebbero altri 115 dB, ma comunque ben al di sotto di quanto richiesto.

Attualmente opero come ingegnere radar per il British Antarctic Survey, quindi penso di poter aiutare.

La frequenza è importante Il ghiaccio (a parte alcune lacune specifiche) non blocca alle frequenze MF ma a HF e UHF il ghiaccio e l'acqua sono molto simili, quasi impenetrabili.

Se hai mantenuto la tua frequenza abbastanza bassa (inferiore a 2,4 Mhz) di quanto io pensi che (supponendo che il ghiaccio di cui stai parlando sia a base d'acqua) avrà pochi problemi con il ghiaccio ... la tua trasmissione ancora nello spazio e i segnali MF sono abbastanza scarsi per quello principalmente a causa di interferenze ionosferiche sulla terra. So che il campo magnetico terrestre è molto potente, quindi forse su alcuni corpi potresti farcela.

Ad ogni modo, penso che il tuo problema principale potrebbe essere trovare un'unica frequenza per la quale puoi passare attraverso il ghiaccio e qualsiasi disturbo atmosferico. quello sarebbe certamente il problema sulla terra