Πώς να μετρήσετε έναν παγετώνα
Ένα αεροπλάνο που πετά χαμηλά βουίζει κατά μήκος της ακτής της Γροιλανδίας, αιωρείται πάνω από έναν παγετώνα. Η κοιλιά του αεροπλάνου κρατά ένα λέιζερ που αναπηδά το φως από το πρόσωπο του παγετώνα. Καθώς η δέσμη φωτός επιστρέφει στο αεροπλάνο, μπαίνει σε ένα μαύρο κουτί που το επιβραδύνει σε ανίχνευση, μετατρέποντάς το σε μια στιγμή προς στιγμή αναφορά για την ταχύτητα του παγετώνα. Κάθε πτήση, κάθε παγετώνας που μετριέται, επιτρέπει στους ερευνητές να χαρτογραφήσουν τη μείωση του πάγου της Γροιλανδίας. Παρόμοια αεροπλάνα πλαισιώνουν την Ανταρκτική και την ακτή της Αλάσκας, αποτυπώνοντας τη ζημιά στο κάλυμμα του πάγου.
Αυτά τα αεροπλάνα και ο πειραματικός εξοπλισμός τους δεν υπάρχουν ακόμα. Αλλά η ανάγκη μέτρησης της ροής του παγετώνα σε πραγματικό χρόνο υπάρχει. Η τελευταία έκθεση της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC) προέβλεψε ότι το λιώσιμο των πάγων μπορεί να οδηγήσει σε άνοδο έως και κατά ένα μέτρο της στάθμης της θάλασσας μέχρι το έτος 2100, απειλώντας εκατομμύρια ανθρώπους σε χώρες με χαμηλό υψόμετρο και παράκτιες πόλεις. Η γνώση του πώς λιώνουν οι παγετώνες μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να προβλέψουν το μέλλον. Αλλά οι παγετώνες είναι, λοιπόν, παγετώδεις. Τα περισσότερα από αυτά σέρνονται περίπου δύο έως τρία χιλιόμετρα κάθε χρόνο, καλύπτοντας λιγότερη απόσταση από αυτή που μπορούμε να περπατήσουμε οι περισσότεροι από εμάς σε μια ώρα. Η ταχύτερη ροή πάγου στη Γροιλανδία είναι ο παγετώνας Jakobshavn, ο οποίος κινείται με απίστευτα αργή ταχύτητα περίπου 16 χιλιομέτρων το χρόνο—περίπου 180 εκατοστά την ώρα.
Επί του παρόντος, δεν υπάρχει καλός τρόπος για τους επιστήμονες του πάγου να μετρήσουν τέτοιες αργές ταχύτητες σε μία μέτρηση. Όλες οι διαθέσιμες μέθοδοι απαιτούν δύο λήψεις — οι ερευνητές μετρούν τη θέση της επιφάνειας πάγου σε διαφορετικές χρονικές στιγμές και τις αφαιρούν για να πάρουν τη μέση ταχύτητα. Τα παλιά χρόνια, οι ερευνητές κολλούσαν μανταλάκια στην άκρη του πάγου και επέστρεφαν αργότερα μέσα στο έτος για να δουν πόσο μακριά μετακινήθηκε ο πάγος. Σήμερα, αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να επιτευχθούν με αεροπλάνα που μεταφέρουν ραντάρ που μετρούν τις θέσεις των μετώπων των παγετώνων, αλλά αυτή η μέθοδος απαιτεί επίσης μια επίσκεψη επιστροφής για τον μέσο όρο της ταχύτητας. Ο επιστήμονας του πάγου Twila Moon από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Boulder βασίζεται σε φωτογραφίες που τραβήχτηκαν από διάφορους δορυφόρους, οι οποίοι πετούν πάνω από τη Γροιλανδία και την Ανταρκτική σε καθορισμένους χρόνους, αλλά πρέπει επίσης να κάνουν δύο περάσματα για μία μόνο μέτρηση και τα σύννεφα μπορούν να εμποδίσουν την όρασή τους. «Μερικές φορές μπορείτε να περιμένετε μήνες για να λάβετε αναγνώσεις από μια περιοχή», λέει ο Moon. "Για ορισμένες περιοχές δεν έχουμε καθόλου αναγνώσεις."
Όχι μόνο η τεχνική με δύο λήψεις απαιτεί διπλάσια προσπάθεια, αλλά και οι παγετώνες προχωρούν και υποχωρούν ακανόνιστα, λεπτομέρειες που οι τρέχουσες μέθοδοι παρακολούθησης δεν μπορούν να αποτυπώσουν. «Η κατανόηση της ταχύτητας του φύλλου πάγου είναι κρίσιμη, επειδή η ταχύτητα είναι μια βασική μεταβλητή για να κατανοήσουμε πόσο πάγο χάνουμε», λέει ο Μουν. "Εάν μπορούσαμε να λάβουμε δεδομένα ταχύτητας με μία μόνο ματιά, η ποσότητα και η ακρίβεια των δεδομένων θα αυξανόταν."
Το ερώτημα είναι πώς μετράτε κάτι που κινείται τόσο αργά όσο ένας παγετώνας; Για να λύσουν αυτήν την πρόκληση, ο φυσικός Umberto Bortolozzo από το Πανεπιστήμιο της Νίκαιας Sophia Antipolis και οι συνεργάτες του στράφηκαν σε κάτι πολύ αργό, αλλά σε κάτι πολύ γρήγορο—το φως.
Όταν μια σειρήνα κινείται προς το μέρος μας, τα ηχητικά της κύματα συσσωρεύονται, με αποτέλεσμα υψηλότερη ένταση. Τα πυροβόλα ραντάρ (όπως αυτά που χρησιμοποιούν οι περιπολίες αυτοκινητοδρόμων) εκμεταλλεύονται αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται φαινόμενο Doppler, αναπηδώντας ραδιοκύματα από ένα αυτοκίνητο που κινείται προς το μέρος τους για να μετρήσει την ταχύτητά του. Όσο πιο γρήγορα κινείται το αυτοκίνητο, τόσο περισσότερο συσσωρεύονται τα κύματα που επιστρέφουν, μειώνοντας το μήκος κύματός τους. Ενώ ένα κανονικό πιστόλι ραντάρ δεν μπορεί να μετρήσει πολύ αργές ταχύτητες, ο Bortolozzo και οι συνεργάτες του πειραματίζονται με έναν τύπο ραντάρ που μπορεί.
Ξεκίνησαν χωρίζοντας μια ακτίνα λέιζερ στα δύο. Μια δέσμη αναπηδά από τον βραδέως κινούμενο στόχο του οποίου η ταχύτητα πρέπει να μετρηθεί, για παράδειγμα ένας παγετώνας, μετατοπίζοντας πολύ ελαφρά το μήκος κύματός του μέσω του φαινομένου Doppler. Αυτή η δέσμη με μετατόπιση χρώματος συνδυάζεται στη συνέχεια με τη δεύτερη δέσμη μέσα σε έναν υγρό κρύσταλλο που αποτελείται από μακριά, ελικοειδούς σχήματος μόρια αναμεμειγμένα με μια βαφή. Τα μόρια της χρωστικής αλλάζουν το σχήμα τους όταν αλληλεπιδρούν με το φως, επιβραδύνοντάς το σε ταχύτητα μικρότερη από ένα χιλιοστό ανά δευτερόλεπτο.
Σε πλήρη ταχύτητα, η πολύ μικρή διαφορά μήκους κύματος μεταξύ των δύο ακτίνων φωτός δεν μπορούσε να ανιχνευθεί. Όμως η αργή διέλευση των μικτών ακτίνων μέσω του υγρού κρυστάλλου ενισχύει την αλληλεπίδρασή τους (αυξάνοντας τη λεγόμενη απόσταση οπτικής διαδρομής), επιτρέποντας τη μέτρηση της διαφοράς μήκους κύματος και της ταχύτητας του στόχου.
Στο εργαστήριο, ο Bortolozzo και οι συνεργάτες του κατάφεραν να ανιχνεύσουν ταχύτητες τόσο αργές όσο 20 εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του μέτρου ανά δευτερόλεπτο (20 femtometers ανά δευτερόλεπτο) με μια μέτρηση που διαρκεί μόνο ένα δευτερόλεπτο. Αυτό είναι περισσότερο από αρκετό για τους παγετώνες, οι οποίοι, κατά μέσο όρο, κινούνται της τάξης των μερικών εκατομμυριοστών του μέτρου κάθε δευτερόλεπτο.
Σε αντίθεση με άλλες τεχνικές αργού φωτός, που απαιτούν κρυογονικές θερμοκρασίες, αυτή η μέθοδος επιβράδυνσης φωτός μετατρέπεται ευκολότερα σε πρακτική χρήση, επειδή μπορεί να γίνει σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε τεχνολογία προέρχεται από αυτές τις μεθόδους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο πεδίο χωρίς την ανάγκη μεταφοράς υγρού ηλίου και ογκωδών μονάδων ψύξης. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτός ο εξοπλισμός μπορεί μια μέρα να φορτωθεί σε ένα αεροπλάνο που θα κάνει κύκλους γύρω από τους παγετώνες της Γροιλανδίας.
Ο Moon ελπίζει ότι αυτή η μέρα θα φτάσει αρκετά σύντομα. «Αν μπορούν να δημιουργήσουν ένα όργανο που λειτουργεί έτσι και μπορώ να το βάλω στο αεροπλάνο ή σε ένα μη επανδρωμένο ιπτάμενο όχημα ή σε έναν δορυφόρο, αυτό θα ήταν υπέροχο για το πεδίο μας», λέει ο Μουν. "Η κατοχή τέτοιων οργάνων θα βοηθούσε στη μείωση της αβεβαιότητας σχετικά με την άνοδο της στάθμης της θάλασσας που πρόκειται να δούμε και πόσο γρήγορα θα συμβεί."
Ο Μάθιου Φράνσις είναι φυσικός, συγγραφέας επιστημών, δημόσιος ομιλητής, εκπαιδευτικός και συχνά φορώντας καπέλα. Αυτή τη στιγμή γράφει ένα βιβλίο για την κοσμολογία με τίτλο εργασίας Back Roads, Dark Skies:A Cosmological Journey.
