[論文レビュー] Radar Absorption, Basal Reflection, Thickness, and Polarization Measurements from the Ross Ice Shelf

S. W. Barwick, E.C. Berg+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Cryospheric studies and observations参考文献 25被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、高電圧帯域RFパルス（0.1–0.85 GHz）を用いて、ロス氷棚のムーア湾におけるレーダー吸収率、底面反射、氷厚、偏光特性を測定した。576 ± 8 mの厚さ、周波数依存の減衰長さ⟨L(ν)⟩ = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν m、高い底面反射係数（√R = 0.82 ± 0.07）、および低いクロス偏光散乱（5%未満）が得られ、ARIANNA高エネルギーニュートリノ検出器の設置に適した地点であることが確認された。

ABSTRACT

Radio-glaciological parameters from Moore's Bay, in the Ross Ice Shelf, have been measured. The thickness of the ice shelf in Moore's Bay was measured from reflection times of radio-frequency pulses propagating vertically through the shelf and reflecting from the ocean, and is found to be $576\pm8$ m. Introducing a baseline of 543$\pm$7 m between radio transmitter and receiver allowed the computation of the basal reflection coefficient, $R$, separately from englacial loss. The depth-averaged attenuation length of the ice column, $$ is shown to depend linearly on frequency. The best fit (95% confidence level) is $= (460\pm20)-(180\pm40)ν$ m (20 dB/km), for the frequencies $ν=$[0.100-0.850] GHz, assuming no reflection loss. The mean electric-field reflection coefficient is $\sqrt{R}=0.82\pm0.07$ (-1.7 dB reflection loss) across [0.100-0.850] GHz, and is used to correct the attenuation length. Finally, the reflected power rotated into the orthogonal antenna polarization is less than 5% below 0.400 GHz, compatible with air propagation. The results imply that Moore's Bay serves as an appropriate medium for the ARIANNA high energy neutrino detector.

研究の動機と目的

• 高エネルギーニュートリノ検出に応用するため、ムーア湾におけるロス氷棚の誘電率を測定すること。
• 電波パルスの往復伝搬時間から氷棚の厚さを特定すること。
• 送信機と受信機の間の基準距離を用いて、底面反射損失と内部減衰を分離すること。
• クロス偏光パワー測定を用いて偏光の忠実度と表面粗さを評価すること。
• 低信号損失と高反射性に基づき、ARIANNAニュートリノ検出器の設置に適した地点であるかどうかを検証すること。

提案手法

• 0.1–0.85 GHz帯域の1 ns幅で高電圧のRFパルスを氷棚に送信した。
• 底面反射の時間遅延から往復伝搬時間を測定し、氷厚を推定した。
• 送信機と受信機の間の543 ± 7 mの基準距離を用いて、減衰と底面反射損失を分離した。
• 深さ平均の減衰長さを周波数の線形関数としてフィッティング：⟨L(ν)⟩ = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν m。
• 減衰を補正した電場反射係数√Rをパワー比から計算した。
• 表面粗さと散乱効果を評価するためにクロス偏光パワー比（F_ice）を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ムーア湾におけるロス氷棚の厚さは何か？ また、レーダーエコー音響法を用いてどの程度の精度で測定可能か？
• RQ2 氷柱内における電波周波数の減衰長さは周波数に依存するか？ その関数的依存関係は何か？
• RQ3 氷-海面界面における底面反射係数は何か？ また、周波数に依存してどのように変化するか？
• RQ4 エネルギーが直交偏光にどの程度散乱されるか？ これは表面粗さや散乱効果を示唆するか？
• RQ5 氷の誘電率応答は理論的予想と過去の測定結果と整合しているか？

主な発見

• ムーア湾における氷棚の厚さは、RFパルスの往復伝搬時間から576 ± 8 mと特定された。
• 深さ平均の減衰長さは周波数に線形依存する：⟨L(ν)⟩ = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν mであり、0.100–0.850 GHz範囲で19.3–26.4 dB/kmに対応する。
• 電場反射係数は√R = 0.82 ± 0.07であり、反射損失は-1.7 dBに相当し、高い反射性を示している。
• √Rの周波数依存勾配はフラットミラー近似と整合的であり、滑らかな底面界面を示唆している。
• 0.400 GHz未満でクロス偏光パワー比（F_ice）は5%未満であり、アンテナの制限と整合的で、散乱は最小限である。
• 測定された誘電率特性（ε′′およびν tan δ）は理論的予想と過去のモデルと整合的であり、内在的損失が低く信号の忠実度が高いことが確認された。