Les chercheurs du laboratoire de radioglaciologie de Stanford utilisent les ondes radio pour comprendre l’évolution rapide des calottes glaciaires et leur contribution à l’élévation mondiale du niveau de la mer. Cette technique a révélé les eaux souterraines sous le Groenland, les impacts à long terme d’une fonte extrême, un processus qui pourrait accélérer la perte de masse de la calotte glaciaire en Antarctique, l’instabilité potentielle d’une calotte glaciaire qui pourrait élever le niveau de la mer de 10 pieds, et plus encore.
Maintenant, doctorat. les étudiants du groupe ont créé un outil open source que d’autres peuvent utiliser pour fabriquer des systèmes radar de pénétration des glaces, instruments essentiels dans le domaine de la glaciologie. L’Open Radar Code Architecture (ORCA) offre aux scientifiques un moyen moins coûteux, plus simple et plus efficace de construire des radars aéroportés et au sol, même s’ils n’ont pas de formation en ingénierie technique.
Les radars pénétrant dans la glace peuvent coûter des dizaines ou des centaines de milliers de dollars, tandis que la version la moins chère du radar open source de l’équipe ne coûte que 1 500 dollars.
« Nous permettons aux groupes de créer exactement l’instrument adapté à ce qu’ils essaient de faire », a déclaré le docteur. étudiant Thomas Teisberg, qui a développé le système avec Anna Broome, Ph.D. ’24.
Alors que les systèmes radar précédents étaient construits avec des composants matériels spécifiques spécialisés pour chaque cas d’utilisation, le matériel du nouveau modèle est générique et plus facilement reconfigurable en fonction de la tâche à accomplir. Broome compare le design à un mixeur de cuisine, avec une variété d’accessoires disponibles en fonction de ce que vous envisagez de réaliser.
En standardisant les éléments de base de ce à quoi ressemble ce radar, Broome et Teisberg ont également créé un format uniforme pour stocker les données afin que les glaciologues puissent réutiliser efficacement les données de chacun.
« Je pense que nous allons assister à des expériences vraiment passionnantes et inédites grâce à ce système », a déclaré le chercheur principal Dustin Schroeder, professeur agrégé de géophysique à la Stanford Doerr School of Sustainability.
Teisberg et Broome ont récemment co-écrit un étude avec Schroeder dans Transactions IEEE sur les géosciences et la télédétection qui offre un plan de construction de l’outil.
Voir au-delà de la glace
Les calottes glaciaires et les glaciers au sommet du Groenland et de l’Antarctique sont d’une importance cruciale, fournissant des habitats à la faune, stockant plus de la moitié de l’eau douce de la planète et contribuant à l’évolution du climat. Ils contribuent largement à l’élévation du niveau de la mer qui menace les 680 millions de personnes vivant dans les zones côtières de basse altitude. Pourtant, l’incertitude des projections sous-estime peut-être cette menace.
Les calottes glaciaires de la Terre représentent la plus grande contribution à l’incertitude quant à l’élévation moyenne du niveau de la mer d’ici 2100, selon Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC).
Afin de comprendre la perte de glace actuelle et de faire des projections dans le futur, les scientifiques doivent comprendre les terres situées sous la glace et son impact sur les flux et la stabilité. « Si vous voulez comprendre comment la glace va fondre et changer, vous devez savoir à quoi ressemble le fond de la calotte glaciaire », a déclaré Teisberg.
Construire une boîte à outils
Actuellement, les scientifiques utilisent une large gamme d’instruments radar pour recueillir des données qui sont ensuite analysées et interprétées afin de comprendre le fonctionnement des glaciers et des calottes glaciaires. Pour un scientifique qui tente de se lancer dans le domaine, ou pour ceux qui n’ont pas de formation en ingénierie, il peut être difficile de déterminer quel système radar est le mieux adapté à un cas d’utilisation prévu.
La plate-forme ORCA est construite à partir de radio définie par logiciel, un type de matériel reconfigurable à l’aide d’un logiciel, démocratisant ainsi la capacité de concevoir des instruments personnalisés.
« Si la communauté adopte ce nouvel outil, je pense que nous verrons beaucoup plus de scientifiques collecter leurs propres données radar et réutiliser les entrailles de ces systèmes radar pour étudier des parties très variées de la calotte glaciaire dont il faudrait actuellement plusieurs types différents. types de radars à observer », a déclaré Broome, qui est maintenant ingénieur électricien R&D aux Sandia National Laboratories.
Le radar à pénétration de glace est un outil fondamental pour les glaciologues, mais jusqu’à présent, la plupart des systèmes ont été construits par des ingénieurs électriciens et non par des glaciologues, a expliqué Robert Hawley, glaciologue physique et professeur de sciences de la Terre au Dartmouth College, dont le groupe de recherche utilise un radar à pénétration de glace. et construit des instruments pour les composants gelés du système terrestre.
La courbe d’apprentissage pour construire du matériel est très abrupte, a-t-il déclaré. « En publiant leurs travaux sous forme de logiciel open source, Thomas et Anna ont permis à une nouvelle génération de chercheurs d’accéder et de construire des radars pénétrant dans les glaces, ce qui stimulera une résurgence de ce type de recherche. Cela permet aux scientifiques, en posant les questions scientifiques , de s’impliquer d’une manière qui n’était pas possible auparavant. »
Collecter de meilleures données
L’idée de la plate-forme open source est née lorsque Broome et Teisberg développaient séparément des plans pour des systèmes radar cartographiant les terres situées sous les calottes glaciaires.
« À un moment donné, nous avons réalisé, attendez une minute, que nous pouvions faire équipe et construire les instruments sur un noyau commun, les adapter à nos besoins et ainsi économiser beaucoup de travail », a déclaré Teisberg.
Le radar pénétrant dans la glace agit comme les autres radars : il envoie des ondes électromagnétiques et enregistre le moment de leurs réflexions pour déterminer la distance d’un objet. Le radar pénétrant dans la glace utilise des fréquences plus basses que la plupart des autres systèmes radar et dirige ces ondes directement vers le bas pour pénétrer à travers la glace et fournir des réflexions sur la surface de la glace, ainsi que sur le substrat rocheux ou les sédiments situés sous la glace.
Bien que l’outil soit simple, piloter un avion avec équipage au Groenland n’est pas une mince affaire : cela coûte très cher et nécessite un ensemble logistique complexe.
« Nous espérons qu’en standardisant le cœur du radar, nous pourrons toujours permettre aux utilisateurs de créer leurs personnalisations et que nous pourrons faciliter la réutilisation des données collectées. Ce faisant, nous pouvons extraire beaucoup plus de valeur. » de chaque élément de données collecté », a déclaré Teisberg.
La nouvelle étude comprend des plans pour construire les deux instruments spécifiques que Broome et Teisberg ont conçus pour leur propre doctorat. recherche. Teisberg est le premier à admettre qu’ils n’ont pas construit de nouvel instrument. « Nous nous appuyons sur les épaules de très nombreuses personnes qui ont déjà accompli un travail incroyable dans ce domaine. Nous rendons simplement un type d’instrument existant beaucoup plus accessible. »
Pour tester leurs prototypes, Broome et Teisberg se sont rendus en Islande, au Svalbard et, plus récemment, à Summit Station, la station de recherche gérée par la National Science Foundation, située au sommet de la calotte glaciaire du Groenland. Ils ont confirmé leur fonctionnalité en comparant les résultats avec les données précédemment acquises dans ces domaines et ils espèrent que leurs recherches ne sont qu’un début. Schroeder a déclaré que l’outil open source est comme un cadeau pour la communauté glaciologique.
« J’aurais adoré qu’ORCA ait été là quand j’étais étudiant », a déclaré Schroeder. « Je suis vraiment enthousiasmé par les opportunités que cela présente pour les étudiants de mon propre groupe et pour les étudiants en glaciologie du monde entier. »
Plus d’informations :
Thomas O. Teisberg et al, Open Radar Code Architecture (ORCA): A Platform for Software-Defined Coherent Chirped Radar Systems, Transactions IEEE sur les géosciences et la télédétection (2024). DOI : 10.1109/TGRS.2024.3446368