3D-radar mot nordlyset

Høyt over oss er atmosfæren elektrisk. Forskerne vil gjerne se strømmene av partikler som lager nordlyset – i 3D.
12.3 2012 05:00


Når det nye nordiske radarnettverket er bygget ut med tusenvis av antenner som til sammen gir muligheten til lynraske radarsveip over ionosfæren, vil anlegget trolig se omtrent slik ut.

- Med den nye nordiske romradaren, EISCAT 3D, vil vi ikke bare se hvilken retning de elektrisk ladede partiklene beveger seg i. Vi kan også lage et 3D-kart, et volum av luftrommet høyt over oss, som viser hvor partiklene er, sier professor César La Hoz fra Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Tromsø.

Han leder arbeidet fra norsk side med å utvikle den nye radaren. Den vil gi forskerne enda bedre forståelse av prosessene som forstyrrer radiokommunikasjon og GPS-navigasjon.

Det skal trolig bygges minst tre slike radaranlegg i Norden.

Overvåker ionosfæren

Hvis vi skal forstå den nye 3D-radaren, må vi først skjønne hva dagens EISCAT-radar gjør. Ett av disse anleggene ligger bare ti kilometer i luftlinje øst for Tromsø, i et vakkert dalføre bak Tromsdalstind.

Det består av store skålantenner, som parabolene vi bruker til å ta imot TV-signaler fra satellitt, bare mye større.

- EISCAT overvåker atmosfæren 70 - 1000 kilometer over oss, forteller La Hoz.


Eiscat-anlegget på Ramfjordmoen 10 kilometer øst for Tromsø er ett av fire som har vært i drift i rundt 30 år. De tre andre ligger ved Longyearbyen på Svalbard, Kiruna i Sverige og Sodankylä i Nord-Finland.

Som et radiospeil

Så høyt oppe blir den tynne atmosfæren elektrisk ladet av stråling fra blant annet sola. De ladede partiklene er elektroner og atomkjerner, kalt ioner. Derfor heter dette tynne atmosfærelaget ionosfæren.

Ionosfæren virker ikke bare forstyrrende. Den reflekterer også radiostråler, som et speil. Derfor kan vi blant annet høre kortbølge- og mellombølgestasjoner som ligger langt under horisonten, men som speiles ned til oss fra ionosfæren. EISCAT utnytter også denne speileffekten.

- EISCAT sender radarpulser opp i ionosfæren. Elektronene begynner å svinge i takt med radarbølgene, og sender strålingen tilbake, bare mye svakere. Derfor må vi ha de store antennene, sier La Hoz.

Måler ekko

Akkurat som du kan måle avstanden til en fjellvegg ved å ta tiden før ekkoet kommer tilbake, slik kan forskerne måle avstanden til radarekkoet. Forskjellen er bare at radarstrålene kommer mye raskere tilbake enn lyden.

Det er snakk om en ventetid på bare et tusendels sekund fra en avstand på 150 kilometer.

Ekkoet fra ionene sier også noe om hvilken vei de beveger seg. Beveger de seg mot radaren, altså nedover mot jorda, så vil svingetakten bli litt raskere.

Dette kalles Doppler-effekten, og er det samme som når vi hører sirenen på en passerende ambulanse: Den har en litt lysere tone når den kommer mot oss enn når den kjører vekk fra oss.

Endelig sier signalet noe om hvor tett det er mellom elektronene og ionene der oppe, og hvilke temperaturer de har.

Så langt, så godt. Vi har avstanden, temperaturen og farten til de ladede partiklene, målt langs en linje fra ionosfæren ned til radarstasjonen.


For å finne både hastighet og retning på skyene av de elektrisk ladede partiklene i ionosfæren høyt oppe, må flere store antenner registrere radarekkoet samtidig. Her er antennen ved Longyearbyen på Svalbard.

Flere radarer

Men hva om ionene ikke beveger seg rett mot eller rett vekk fra radarstasjonen? Da må vi ha flere slike anlegg, og måle farten langs forskjellige linjer. Sammenligner vi disse målingene, kan vi regne oss fram til både fart og retning på ionene.

- Fire EISCAT-anlegg er bygget, ett ved Tromsø, ett ved Longyearbyen på Svalbard, ett i Kiruna i Sverige og ett ved Sodankylä nord i Finland, forteller La Hoz.

For trege

Men anleggene har en stor svakhet. De kan bare måle avstand og hastighet til ionene i ett lite felt om gangen.

- Hvis vi skal kartlegge et større område i tre dimensjoner, må vi vri på antennene. Det tar i beste fall flere minutter, forteller La Hoz.

Flere minutter er lang tid. Det kan alle som har sett nordlys bekrefte. Flammene slikker raskt over himmelen. Den elektriske vinden høyt der oppe i ionosfæren kaster seg raskt rundt.

Mange små

Forskerne trenger en radar som kan kaste seg like raskt rundt. Som kan flytte fokus på millisekunder. De trenger en helt ny teknologi.

Det vil si, teknologien er ikke helt ny. Tvert imot, den har vært brukt i andre sammenhenger, både satellitter og bakkeanlegg, blant annet på radioobservatoriet Jicamarca øst for Lima i Peru, hjemlandet til César La Hoz.

- Jeg har arbeidet der, forteller han. – Jimarca består av 19 000 små antenner istedenfor en stor.


Jicamarca-radioobservatoriet nær Lima i Peru bruker omtrent samme teknologi som EISCAT 3D vil få, for å studere ionosfæren i områdene rundt ekvator.

Små og raske

Hva er det tusenvis av små antenner kan gjøre, som én mye større antenne ikke klarer? Svar: Kaste seg rundt på brøkdelen av et sekund.

Det vil si: Antennene kaster seg ikke rundt, rent fysisk. Det som skjer, er at de sender ut radarsignalene til litt forskjellig tid. Alle de enkelte små radarsignalene er som bølger som møtes i ett bestemt punkt. Og dette punktet kan flyttes lynraskt ved å variere tida de sendes ut.

Usikre planer

- Planleggingen av 3D-radaren har vært i gang siden 2008, forteller La Hoz. Da ble prosjektet valgt ut av EU-organisasjonen European Strategy Forum for Research Infrastructure (ESFRI) som en del av programmet “Roadmap 2008 for Large-Scale European Research Infrastructures for the next 20-30 years.”

Mye er ennå usikkert rundt det nye radarprosjektet. Størrelsen er avhengig av bevilgningene som det fellesnordiske prosjektet etter hvert vil få fra medlemslandene og trolig også EU.

Skarpere bilde


César La Hoz

- Flaten med opp til 30 000 antenner skal dekke minimum 100 x 100 meter, sier La Hoz.

En slik størrelse vil gi en ni ganger bedre konsentrasjon av strålen, altså ni ganger skarpere oppløsning av hvert punkt i bildet som bygges opp, linje for linje, etter hvert som radaren lynraskt skanner luftrommet høyt over seg.

Skibotn står sterkt

Og akkurat som for dagens EISCAT, så skal minst tre slike anlegg bygges for å kunne bestemme retningen som ionene beveger seg. Hvor de skal ligge, blir både et resultat av faglige vurderinger og politisk tautrekking de nordiske landene imellom.

- Foreløpig er Skibotn i Troms en sterk kandidat til å få hovedanlegget, sier La Hoz.

Finnene og svenskenehar egne kandidater. Kilpisyärvi og Esrange-oppskytningssenteret ved Kiruna er to av dem.

I hovedanlegget skal det også bygges en såkalt varmesender. Den virker som en gigantisk mikrobølgeovn høyt oppe i atmosfæren: De elektrisk ladede partiklene settes i vibrasjoner, slik at temperaturen midlertidig blir høyere.

Ved å regulere temperaturen og se hvordan den faller igjen, kan forskerne få mer kunnskap om hvordan ionene oppfører seg.

- Når hovedanlegget er bestemt, kan plasseringen av de andre anleggene også avgjøres, sier La Hoz.

En rapport som kan bidra til å avklare dette viktige spørsmålet, blir trolig ferdig seinere i vår. Går alt som forskerne håper, kan spaden stikkes i jorda en gang i 2015.

Lenker

EISCAT 3D, offisielt nettsted

EISCAT, offisielt nettsted

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.