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氷河を時計する方法

低空飛行の飛行機がグリーンランドの海岸に沿って、氷河の上をホバリングします。飛行機の胴体にはレーザーが搭載されており、氷河の表面から光を反射します。光ビームが飛行機に戻ると、ブラック ボックスに入り、速度が遅くなり、氷河の速度に関する瞬間的なレポートに変わります。各飛行、各氷河を測定することで、研究者はグリーンランドの氷冠の減少をマッピングできます。同様の飛行機が南極大陸とアラスカの海岸を迂回し、氷域への被害を表しています。

これらの飛行機とその実験装置はまだ存在しません。しかし、氷河の流れをリアルタイムで測定する必要性は存在します。気候変動に関する政府間パネル (IPCC) による最新の報告書は、氷の融解が 2100 年までに最大 1 メートルの海面上昇をもたらし、低地の国や沿岸都市の何百万人もの人々を脅かす可能性があると予測しています。氷河がどのように溶けるかを知ることは、研究者が未来を予測するのに役立ちます。しかし、氷河は氷河です。それらのほとんどは、私たちのほとんどが 1 時間で歩ける距離よりも短い距離を、毎年約 2 ~ 3 km 移動します。グリーンランドで最も速い氷の流れはヤコブスハウン氷河で、年間約 16 キロメートル (時速約 180 センチ) という非常に遅い速度で移動します。

現在、氷の科学者が 1 回の測定でこのような遅い速度を測定する良い方法はありません。利用可能なすべての方法で 2 回のテイクが必要です。研究者は異なる時間に氷面の位置を測定し、それらを差し引いて平均速度を求めます。昔は、研究者は氷の端にペグを突き刺し、年が明けてから戻ってきて、氷がどれだけ移動したかを確認していました。今日、これらの結果は、氷河前線の位置を測定するレーダーを搭載した飛行機によって達成できますが、この方法でも、速度を平均化するために再度訪問する必要があります。コロラド大学ボルダー校の氷科学者である Twila Moon は、グリーンランドと南極上空を一定の時間に飛行するさまざまな衛星が撮影した写真に依存していますが、1 回の測定で 2 回通過する必要があり、雲が視界を遮る可能性があります。 「1 つの領域から測定値を取得するのに数か月かかることもあります」と Moon 氏は言います。 「一部の地域では、測定値がまったく得られません。」

ツーテイク法では 2 倍の労力が必要になるだけでなく、氷河は不規則に前進したり後退したりします。現在の追跡方法では詳細を捉えることができません。 「氷床の速度を理解することは非常に重要です。速度は、失われている氷の量を理解するための重要な変数だからです」と Moon は言います。 「速度データを一目で取得できれば、データの量と精度が向上します。」

問題は、氷河のようにゆっくりと動いているものをどのように測定するかということです。この課題を解決するために、ニース大学ソフィア アンティポリスの物理学者 Umberto Bortolozzo と彼の同僚は、非常に遅いものではなく、非常に速いもの、つまり光に目を向けました。

鳴り響くサイレンがこちらに向かってくると、その音波が集まって音が高くなります。レーダー銃 (ハイウェイ パトロールで使用される種類のようなもの) は、ドップラー効果と呼ばれるこの現象を利用して、レーダーに向かって移動する車から電波を跳ね返して速度を測定します。車が速く動くほど、戻ってくる波がより多く集まり、波長が短くなります。通常のレーダー銃は非常に遅い速度を測定することはできませんが、ボルトロッツォと彼の同僚はできるレーダー タイプを実験しています。

彼らは、レーザービームを 2 つに分割することから始めました。 1 つのビームは、速度を測定する低速で移動するターゲット (氷河など) で跳ね返り、ドップラー効果によって波長がわずかにシフトします。次に、このカラー シフトされたビームは、染料と混合された長いらせん状の分子で構成される液晶内で 2 番目のビームと結合されます。色素分子は、光と相互作用するときに形状を変化させ、速度を 1 秒あたり 1 ミリメートル未満に落とします。

フルスピードでは、2 つの光ビーム間の非常に小さな波長の違いを検出できませんでした。しかし、混合ビームが液晶をゆっくりと通過することで、(いわゆる光路距離を長くすることによって) それらの相互作用が強化され、波長差とターゲットの速度を測定できるようになります。

ラボでは、ボルトロッツォと彼の同僚は、1 秒あたり 10 億分の 1 メートル (20 フェムトメートル) の速度を検出することができました。測定時間はわずか 1 秒です。これは、平均して毎秒数百万分の 1 メートルのオーダーで移動する氷河には十分すぎる量です。

極低温を必要とする他のスローライト法とは異なり、このスローライト法は室温で行えるため、実用化が容易です。つまり、これらの方法から派生した技術は、液体ヘリウムやかさばる冷凍装置を運ぶ必要なく、現場に持ち込むことができます。研究者たちは、いつの日かこの装置がグリーンランドの氷河を周回する飛行機に搭載されることを望んでいます.

ムーンは、その日がかなり早く来ることを望んでいます。 「彼らがそのように機能する機器を作成でき、それを飛行機、無人飛行体、または人工衛星に搭載できれば、それは私たちの分野にとって素晴らしいことです」と Moon は言います。 「このような計測器があれば、海面上昇がどの程度で、どのくらいの速さで起こるかについての不確実性を減らすのに役立ちます。」

Matthew Francis は、物理学者、サイエンス ライター、講演者、教育者であり、おしゃれな帽子を頻繁にかぶっています。彼は現在、仮題で宇宙論に関する本を書いています 裏道、暗い空:宇宙の旅。


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