Сколько энергии мне нужно для передачи радиосигнала через твердую ледяную корку толщиной 100 км?

Представьте, что я поместил плавающий зонд в подледниковый океан Энселадо или Европы: сколько энергии должно иметь мое радио для связи с внешней поверхностью с зондом? Или, другими словами, насколько ослабление радиосигнала вызывает 100 км твердого льда, скажем, на частоте УВЧ?

Я не могу ответить прямо, но НАСА исследует ледяные щиты Гренландии самолетным радаром, чтобы определить глубину коренной породы. Вот что они говорят о льду и радиоволнах:

Лед, с другой стороны, реагирует по-разному в зависимости от частоты радара. Он отражает высокочастотные радиоволны, но, несмотря на твердость, низкочастотный радар может в некоторой степени проходить через лед. Вот почему MCoRDS использует относительно низкую частоту - между 120 и 240 МГц. Это позволяет прибору обнаруживать поверхность льда, внутренние слои льда и коренные породы внизу. «Чтобы озвучивать дно льда, нужно использовать более низкую частоту», - сказал Джон Паден, ученый CReSIS. «Слишком высокая частота и сигнал будут потеряны во льду».

Это пришло отсюда, и интересно отметить, что это радар, для отражения которого от коренной породы требуется прохождение обратно через лед к принимающему самолету. Я полагаю, что отраженная мощность - это часть падающей силы, достигающей скалы, так что, возможно, вы могли бы получить 10-кратное расстояние через твердый ледяной покров с односторонней передачей.

Вот вид изображения, которое они получают:

Мне кажется, что + 3км возможно с радаром. Я не знаю, каков угол луча радара, поэтому невозможно рассчитать, какова мощность падающего излучения на поверхности льда - передача с самолета может быть импульсным радаром мощностью 1 МВт с очень узким углом луча, создающим падающую мощность при верхняя поверхность льда сотни ватт. Кроме того, отражение от коренной породы не будет плотным пучком - это означает, что отраженная мощность будет тонко распределяться при увеличении расстояния (см. Уравнения Фриза ). Кроме того, мощность, получаемая на самолете, будет намного меньше, чем мощность, исходящая от поверхности льда - снова см. Уравнения Фриза.

добавление

Я думал о потере связи для приложения радара: -

• Потеря связи с самолета на землю. Блюдо диаметром 2 метра будет иметь усиление = 3.35 или около 10.5 дБ. Если воздушное судно находится на 1 км над льдом, потери в линии связи для идентичной антенны (на льду) составят -21 (усиление антенны) +32,5 + 20log (МГц) + 20log (км) = 11,5 + 46 + 20 = 78 дБ потеря. Если выходная мощность радара составляет 1 МВт (90 дБм), принятый сигнал на поверхности земли / ледяной шапки составит 12 дБм (16 мВт).$\frac{\pi^2 D^2}{\lambda^2}\cdot 0.6$
• Это та же проблема для сигнала отражения. На поверхности он подвержен такому же затуханию вплоть до самолета (78 дБ), которое на 1 км выше.

Эти потери не возникнут при простой передаче через лед - передающая и приемная антенны расположены либо во льду, либо на его поверхности. Все это предвещает возможность передачи в одном направлении через большие расстояния льда.

Предполагая, что он ведет себя аналогично водяному льду на Земле, были сделаны некоторые измерения ослабления ВЧ шельфа Росса в Антарктиде . Было установлено, что длина затухания составляет 300-500 м для частот от 75 МГц до 1,25 ГГц.

(Длина затухания - это расстояние, на которое сигнал падает до 1 / e ~ = 0,368 ~ = -4,3 дБ, несколько аналогично постоянной времени)

Это будет довольно пугающее количество затухания для толщины 100 км (что-то вроде -950 дБ). Не случится

Сила будет, конечно, зависеть от полосы пропускания сигналов , которые должны быть переданы.

Если говорить в перспективе, то рекорд для передачи сигналов отскока Луны - что-то вроде мощности передачи 3 мВт (затухание ~ -300 дБ). Если бы у нас была 1 ГВт, это было бы еще 115 дБ, но все равно намного меньше того, что требуется.

В настоящее время я работаю радарным инженером в Британской антарктической службе, поэтому думаю, что смогу помочь.

Частота важна. Лед (кроме некоторых специфических промежутков) не блокируется на частотах СЧ, но на ВЧ и УВЧ лед и вода очень похожи, почти непроницаемы.

Если вы сохраняете частоту достаточно низкую (ниже 2,4 МГц), то я думаю, что (предполагая, что лед, о котором вы говорите, основан на воде) будет иметь мало проблем со льдом ... ваша передача в космос и сигналы СЧ довольно слабые в основном из-за ионосферных помех на Земле. Я знаю, что магнитное поле Земли очень мощное, так что, возможно, на некоторых телах это может сойти с рук.

В любом случае, я думаю, что вашей основной проблемой может быть поиск единой частоты, для которой вы можете проходить через лед и любые атмосферные помехи. это, безусловно, будет проблемой на земле