[논문 리뷰] Radar Absorption, Basal Reflection, Thickness, and Polarization Measurements from the Ross Ice Shelf

S. W. Barwick, E.C. Berg외 11명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 27.

Cryospheric studies and observations참고 문헌 25인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 고전압, 박층형 RF 펄스(0.1–0.85 GHz)를 사용하여 로스 빙식의 무어 만에서 레이더 흡수, 기저 반사, 얼음 두께 및 편광 성질을 측정한다. 두께는 576 ± 8 m, 주파수 의존성 감쇠 길이는 ⟨L(ν)⟩ = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν m, 기저 반사 계수는 √R = 0.82 ± 0.07로 매우 높고, 교차 편광 산란은 5% 미만으로 나타나, 이곳이 ARIANNA 고에너지 중성자 탐지기용으로 적합함을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 중성자 탐지에 응용하기 위해 무어 만의 로스 빙식의 유전율 성질을 측정하기 위해.
• 라디오펄스의 왕복 전파 시간을 이용해 빙식 두께를 결정하기 위해.
• 발사기와 수신기 사이의 기준 거리를 사용하여 기저 반사 손실과 내빙 감쇠를 분리하기 위해.
• 교차 편광 전력 측정을 통해 편광 유지도와 표면 거칠기를 평가하기 위해.
• 낮은 신호 손실과 높은 반사도를 바탕으로 이곳이 ARIANNA 중성자 탐지기용으로 적합한지 검증하기 위해.

제안 방법

• 0.1–0.85 GHz 대역에서 1 ns 폭의 고전압 RF 펄스를 빙식에 발사하였다.
• 기저 반사의 시간 지연에서 기인한 왕복 전파 시간을 측정하여 빙식 두께를 추정하였다.
• 발사기와 수신기 사이의 543 ± 7 m 기준 거리를 사용하여 기저 반사 손실과 감쇠를 분리하였다.
• 깊이 평균 감쇠 길이를 주파수의 선형 함수로 피팅: ⟨L(ν)⟩ = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν m.
• 감쇠를 보정한 전력 비율에서 전기장 반사 계수 √R을 계산하였다.
• 표면 거칠기와 산란 효과를 평가하기 위해 교차 편광 전력 비율(F_ice)을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무어 만의 로스 빙식 두께는 얼마이며, 레이더 에코 소운을 통해 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 빙하 내부에서 주파수에 따라 라디오펄스 감쇠 길이는 어떻게 변하며, 그 기능적 의존성은 무엇인가?
• RQ3 얼음-해양 인터페이스의 기저 반사 계수는 얼마이며, 주파수에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ4 에너지가 수직 편광으로 산란되는 정도는 얼마나 되며, 이는 표면 거칠기 또는 산란 효과를 나타내는가?
• RQ5 빙의 유전율 반응은 이론적 예측과 이전 측정치와 일치하는가?

주요 결과

• 무어 만의 빙식 두께는 RF 펄스의 왕복 전파 시간에서 유도된 576 ± 8 m이다.
• 깊이 평균 감쇠 길이는 주파수에 대해 선형 의존성을 보이며: ⟨L(ν)⟩ = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν m로, 0.100–0.850 GHz 범위에서 19.3–26.4 dB/km에 해당한다.
• 전기장 반사 계수는 √R = 0.82 ± 0.07이며, 이는 반사 손실 -1.7 dB에 해당하여 높은 반사도를 나타낸다.
• √R의 주파수에 따른 기울기는 평탄한 거울 근사와 일치하여 기저 표면이 매끄럽다는 것을 시사한다.
• 0.400 GHz 이하에서 교차 편광 전력 비율(F_ice)은 5% 미만이며, 안테나 제한과 일치하여 산란이 최소임을 나타낸다.
• 측정된 유전율 성질(ε′′ 및 ν tan δ)은 이론적 예측과 이전 모델과 일치하여 내재 손실이 낮고 신호 품질이 높음을 확인한다.