¿Cuánta potencia necesito para transmitir una señal de radio a través de una corteza de hielo sólido de 100 km de espesor?

Imagine que coloco una sonda flotante dentro del océano subglacial de Encelado o Europa: ¿cuánta potencia debería tener mi radio para poder comunicarse desde la superficie externa con la sonda? O, en otras palabras, ¿cuánta atenuación causan 100 km de hielo sólido a una señal de radio a, por ejemplo, la frecuencia UHF?

No puedo responder eso directamente, pero la NASA está investigando las capas de hielo de Groenlandia con el radar de un avión para encontrar la profundidad de la roca madre. Esto es lo que dicen sobre el hielo y las ondas de radio:

El hielo, por otro lado, reacciona de manera diferente dependiendo de la frecuencia del radar. Refleja ondas de radio de alta frecuencia, pero a pesar de ser sólido, el radar de baja frecuencia puede pasar a través del hielo hasta cierto punto. Es por eso que MCoRDS utiliza una frecuencia relativamente baja, entre 120 y 240 MHz. Esto permite que el instrumento detecte la superficie del hielo, las capas internas del hielo y la roca madre debajo. "Para hacer sonar el fondo del hielo hay que usar una frecuencia más baja", dijo John Paden, científico de CReSIS. "Una frecuencia y señal demasiado altas se perderán en el hielo".

Esto vino de aquí y es interesante notar que esto es radar y requiere un reflejo de la roca madre para pasar de regreso a través del hielo al avión receptor. Me imagino que la potencia reflejada es una fracción de la potencia incidente que llega a la roca, por lo que tal vez puedas obtener 10 veces esta distancia a través de una capa de hielo sólida con una transmisión unidireccional.

Aquí está el tipo de imagen que están obteniendo:

Me parece que + 3 km es posible con el radar. No sé cuál es el ángulo del haz del radar, por lo que es imposible calcular cuál es la potencia incidente en la superficie del hielo: la transmisión desde el avión podría ser un radar pulsado de 1MW con un ángulo de haz muy estrecho que produce una potencia incidente en La superficie superior del hielo de cientos de vatios. Además, la reflexión desde el lecho de roca no será un haz apretado, esto significa que la potencia reflejada se extenderá ligeramente a medida que aumenta la distancia (ver ecuaciones de Friis ). Además, la potencia recibida en el avión será mucho más pequeña que la que emite desde la superficie del hielo. Vuelva a ver las ecuaciones de Friis.

Apéndice

Pensé en la pérdida de enlace para la aplicación de radar:

• $\frac{\pi^2 D^2}{\lambda^2}\cdot 0.6$
• Es el mismo problema para la señal de reflexión. En la superficie, está sujeto a la misma atenuación hasta el avión (78dB) que es 1 km más alto.

Estas pérdidas no se encontrarán con una simple transmisión a través del hielo: las antenas de transmisión y recepción están ubicadas en el hielo o en su superficie. Todo esto es un buen augurio para poder transmitir en una sola dirección a través de grandes distancias de hielo.

Suponiendo que se comporta de manera similar al hielo de agua en la Tierra, se realizaron algunas mediciones de la atenuación de RF de la plataforma de hielo Ross en la Antártida . Se encontró que la longitud de atenuación era de 300-500m para frecuencias de 75MHz a 1.25GHz.

(La longitud de atenuación es la distancia para que la señal caiga a 1 / e ~ = 0.368 ~ = -4.3dB, algo análogo a la constante de tiempo)

Esa será una cantidad de atenuación bastante intimidante para un espesor de 100 km (algo así como -950dB). No va a suceder

La potencia , por supuesto, dependerá del ancho de banda de las señales que deben transmitirse.

Para ponerlo en perspectiva, el registro de la comunicación de rebote lunar es algo así como una potencia de transmisión de 3 mW (~ -300dB de atenuación). Si tuviéramos 1GW, eso sería otros 115dB, pero aún muy por debajo de lo que se requiere.

Actualmente estoy trabajando como ingeniero de radar para el British Antarctic Survey, así que creo que puedo ayudar.

La frecuencia es importante El hielo (aparte de algunos espacios específicos) no se bloquea en las frecuencias de ondas hectométricas, pero en HF y UHF, el hielo y el agua son muy similares, casi lo suficientemente impenetrables.

Si mantuvo su frecuencia lo suficientemente baja (por debajo de 2.4Mhz) de lo que creo que (suponiendo que el hielo del que está hablando es a base de agua) tendrá pocos problemas con el hielo ... aún transmite al espacio y las señales de MF son bastante pobres para eso principalmente debido a la interferencia ionosférica en la tierra. Sé que el campo magnético de la Tierra es muy poderoso, así que tal vez en algunos cuerpos podrías salirte con la tuya.

De cualquier manera, creo que su problema principal podría ser encontrar una frecuencia única por la cual pueda pasar a través del hielo y cualquier perturbación atmosférica. ese ciertamente sería el problema en la tierra