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斯坦福大学无线电冰川学实验室的研究人员利用无线电波来了解快速变化的冰盖及其同伴全球海平面上升的贡献。这项技术揭示了格陵兰岛地下的地下水，极端融化的长期影响，一个可能加速南极洲冰盖质量损失的过程，一个可能使海平面上升10英尺的冰盖的潜在不稳定性，以及更多。

现在，该小组的博士生已经创建了一个开源工具，其他人可以用它来制作冰穿透雷达系统，这是冰河学领域的核心仪器。开放雷达代码架构（ORCA）为科学家们提供了一种更便宜、更简单、更有效的方法来构建机载和地面雷达，即使他们缺乏技术工程背景。破冰雷达的价格可能高达数万或数十万美元，而该团队的开源雷达的最低成本仅为1500美元。

博士生托马斯·泰斯伯格（Thomas Teisberg）与24届博士安娜·布鲁姆（Anna Broome）一起开发了该系统，他说：“我们使团队能够为他们想要做的事情建立完全正确的仪器。”

以前的雷达系统是用特定的硬件组件为每个用例专门构建的，而新型号的硬件是通用的，更容易根据手头的任务重新配置。布鲁姆将这种设计比作厨房搅拌器，根据你打算做什么，有各种各样的附件。通过标准化雷达的基本组成部分，Broome和Teisberg还创建了一种统一的格式来存储数据，这样冰川学家就可以有效地重用彼此的数据。

斯坦福大学杜尔可持续发展学院地球物理学副教授、首席研究员达斯汀·施罗德（Dustin Schroeder）说：“我认为，我们将看到一些真正令人兴奋的、史无前例的实验，这些实验是由这个系统实现的。”Teisberg和Broome最近与Schroeder在IEEE地球科学与遥感学报上共同撰写了一项研究，为构建该工具提供了蓝图。

透过冰看到外面

格陵兰岛和南极洲的冰盖和冰川至关重要，它们为野生动物提供了栖息地，储存了地球上一半以上的淡水，并对气候的演变做出了贡献。它们是海平面上升的主要原因，威胁着生活在低洼沿海地区的6.8亿人——然而预测的不确定性可能低估了这种威胁。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的模型，地球冰盖对2100年平均海平面上升的不确定性贡献最大。

为了掌握当前的冰损失并对未来做出预测，科学家需要了解冰下的土地以及它如何影响流量和稳定性。“如果你想了解冰是如何融化和变化的，你需要知道冰盖的底部是什么样子的，”泰斯伯格说。

构建工具包

目前，科学家们使用各种雷达仪器收集数据，随后对这些数据进行分析和解释，以了解冰川和冰盖是如何工作的。对于试图进入该领域的科学家，或者对于那些没有工程背景的人来说，找出最适合预期用例的雷达系统可能具有挑战性。ORCA平台由软件定义无线电（一种可使用软件重新配置的硬件）构建而成，使设计定制仪器的能力民主化。

“如果社区接受这个新工具，我想我们会看到更多的科学家收集他们自己的雷达数据，并重新使用这些雷达系统的内部来研究冰盖的不同部分，目前你需要多种不同类型的雷达来观察，”布鲁姆说，他现在是桑迪亚国家实验室的研发电气工程师。

穿透冰雷达是冰川学家的基础工具，但到目前为止，大多数系统都是由电气工程师建造的，而不是冰川学家，达特茅斯学院的物理冰川学家和地球科学教授罗伯特霍利解释说，他的研究小组使用穿透冰雷达并为地球系统的冰冻部分建造仪器。他说，制造硬件的学习曲线非常陡峭。“通过将他们的工作作为开源软件发布，托马斯和安娜使新一代的研究人员能够访问和建造穿冰雷达，这将刺激这类研究的复苏。”这使得提出科学问题的科学家能够以一种以前不可能的方式参与进来。”

收集更好的数据

当Broome和Teisberg分别开发用于绘制冰盖下陆地地图的雷达系统时，开源平台的想法就产生了。

“在某个时候，我们意识到，等一下，我们可以在一个共同的核心上组建团队，根据我们的需要进行调整，这样可以节省很多工作，”泰斯伯格说。

破冰雷达的工作原理和其他雷达一样：它发射电磁波，并记录电磁波反射的时间，以确定物体的距离。穿冰雷达使用比大多数其他雷达系统更低的频率，并将这些波直接向下穿透冰，并提供冰表面以及冰下基岩或沉积物的反射。

虽然这个工具很简单，但在格陵兰岛驾驶一架有人驾驶的飞机可不是一件容易的事——它要花很多钱，还需要一套复杂的后勤保障。“我们希望通过标准化雷达的核心，我们仍然可以允许人们建立他们的定制，我们可以让人们更容易地重用收集到的数据。通过这样做，我们可以从收集到的每一条数据中提取更多的价值，”Teisberg说。

这项新研究包括建造两种特定仪器的蓝图，这两种仪器是布鲁姆和泰斯伯格为自己的博士研究设计的。泰斯伯格是第一个承认他们没有制造新仪器的人。“我们站在许多人的肩膀上，他们之前在这个领域做了很多令人难以置信的工作。我们只是让一种现有的仪器更容易使用。”

为了测试他们的原型，布鲁姆和泰斯伯格去了冰岛、斯瓦尔巴群岛，最近又去了位于格陵兰冰盖顶端的国家科学基金会（National Science foundation）运营的研究站“顶峰站”（Summit Station）。他们通过将结果与先前从这些区域获得的数据进行比较，确认了它们的功能——他们希望他们的研究仅仅是个开始。施罗德说，这个开源工具就像送给冰川学社区的礼物。

施罗德说：“如果ORCA在我还是学生的时候就存在，我会很高兴的。”“我真的很兴奋，它为我自己小组的学生和世界各地的冰川学学生提供了机会。”