Муравьи вдохновили NASA на новое изобретение

Спутник NASA ICESat-2 оснащен лидаром. Это основной компонент беспилотных автомобилей. Он представляет собой оптический датчик, который измеряет расстояние или скорость объектов при помощи инфракрасного лазера. В результате компьютерная система получает трехмерное изображение окружающего мира и определяет точную дистанцию до препятствий и других транспортных средств, а также информацию о том, движется ли объект. По сути, лидар — это радар, где вместо радиоволн используются световые (что и отражено в названиях устройств), передает rbc.ru

Спутник через лидар отправляет триллионы фотонов на Землю, а затем анализирует то, что отскакивает обратно. Так как ученые знают скорость света, они могут использовать лидар для определения высоты: фотону, отскочившему от вершины горы, потребуется чуть меньше времени, чтобы достичь ICESat-2, чем тому, что возвращается от низин долины.

Фотоны в снегу

Аналогичным образом ученые пытались использовать лидары для измерения глубины снежных покрытий. Ху Юнцянь, исследователь из Исследовательского центра NASA в Лэнгли, объясняет: «Мы можем измерить расстояние, которое проходит каждый отдельный фотон внутри снега. Некоторые из них способны погрузиться на глубину в десятки метров, прежде чем выйти на поверхность и вернуться на спутник». Соответственно, эта задержка раскрывает глубину снега. Тем не менее измерения часто оказывались неточными из-за поведения фотонов.

Путаница с данными

Путь фотонов через снег не всегда прост и часто случаен. Некоторые доходят до самой почвы и отражаются от нее, прежде чем вернуться на поверхность. Некоторые отскакивают назад на полпути, ударившись о снежные крупинки. По словам Юнцяня, «большинство из них двигаются на несколько сантиметров и возвращаются обратно, однако некоторые уходят очень глубоко, на очень большие расстояния, застревая в снегу и отскакивая туда-сюда». Все это создает неточности в итоговых данных.

Муравьи спешат на помощь

Ху Юнцянь узнал, что с похожим уже сталкивались биологи: хотя путь отдельного муравья нельзя определить точно, ученые могут предсказать среднее время, в течение которого он будет двигаться под землей, перенося груз, прежде чем выйти на поверхность. В поведении фотонов тоже есть своя закономерность. Хотя частицы движутся по случайному пути, ученые могут математически представить среднее расстояние, которое проходит каждая из них. Команда вычислила, что в среднем фотон проходит вдвое большее расстояние, чем глубина снега, через который он движется. Данные сравнили с результатами измерений глубины снежного покрова в тех же районах, сделанными с использованием самолетного радара. Все сошлось.

Преимущества нового метода

Бен Смит, гляциолог (исследователь ледников) Вашингтонского университета, который не принимал участия в исследовании, удивляется: «Это действительно смелое применение теории к реальным измерениям. Моя первоначальная реакция была такой: «Не может быть, чтобы это работало». Но у них, похоже, получилось». Исследователи смогут использовать новый метод для анализа толщины морского льда, чтобы лучше понять, как меняется Арктика: из-за изменения климата она нагревается в четыре раза быстрее, чем остальная планета. Анализ через космический лидар намного экологичнее и дешевле использования самолетов. Спутник также помогает проникнуть в самые труднодоступные места Земли.