[論文レビュー] Radio-frequency Attenuation Length, Basal-Reflectivity, Depth, and Polarization Measurements from Moore's Bay in the Ross Ice-Shelf

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

Cryospheric studies and observations被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、モアーズ・ベイにおけるロス氷棚の垂直レーダーパulsesを用いて、高周波数の減衰、底面反射性、氷厚、偏光を測定した。平均氷厚は576 ± 8 mであり、周波数依存の減衰長は〈L(ν)〉 = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν GHz⁻¹、0.1–0.85 GHzの周囲で高い底面反射係数R = 0.82 ± 0.07を示し、これはARIANNA超高エネルギーニュートリノ望遠鏡の設置に適した場所であることを確認した。

ABSTRACT

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. The average depth obtained is 576 ± 8 m. The temperature-averaged attenuation length of the ice column, 〈L〉, is derived from the returned power assuming 100 % reflection. A linear fit to the data yields 〈L(ν) 〉 = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν, for the frequencies ν =[0.100-0.850] GHz, at 95 % confidence. Introducing a baseline of 543±7 m between radio transmitter and receiver allowed the computation of the basal reflection coefficient, R, separately from attenuation. The electric-field reflection coefficient is R = 0.82 ± 0.07 across [0.100-0.850] GHz. Finally, the reflected power rotated into the orthogonal antenna polarization is less than 5 % below 0.400 GHz, compatible with air propagation. These results suggest that Moore’s Bay will serve as an appropriate medium for the ARIANNA high energy neutrino telescope.

研究の動機と目的

• ロス氷棚のモアーズ・ベイにおける高周波数減衰長を特定すること。
• 氷-海面界面における底面反射係数を測定すること。
• 垂直レーダー反射の往復時間から氷棚の厚さを推定すること。
• レーダー反射におけるクロス偏光漏れを評価し、信号の忠実度を検証すること。
• モアーズ・ベイがARIANNA超高エネルギーニュートリノ望遠鏡の設置に適しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 氷棚を垂直に通過する高周波数パulsesを送信し、その戻り時間から底面境界への到達時間を用いて氷厚を計算した。
• 戻り信号の電力から減衰長〈L(ν)〉を導出し、底面で100%反射すると仮定した。
• 送信機と受信機の間の基準距離543 ± 7 mを用いて、減衰効果と底面反射係数Rを分離した。
• 測定された電力と基準距離の幾何構造を用いて、電場反射係数Rを減衰とは独立に計算した。
• 偏光測定により、直交偏光にどれだけの電力が結合しているかを評価し、信号の忠実度を示した。
• 0.100–0.850 GHzの周波数帯域で減衰データに線形回帰を適用し、周波数依存性をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モアーズ・ベイの氷柱における高周波数減衰長は何か。また、周波数に依存するか。
• RQ2 氷-海面界面における底面反射係数は何か。周波数に依存しないか。
• RQ3 垂直レーダー反射の往復時間から、ロス氷棚のモアーズ・ベイにおける厚さはどの程度か。
• RQ4 反射信号におけるクロス偏光漏れはどの程度か。
• RQ5 モアーズ・ベイはARIANNA超高エネルギーニュートリノ望遠鏡の設置に適しているか。

主な発見

• モアーズ・ベイにおける平均氷棚厚さは576 ± 8 mであり、垂直レーダー反射の往復時間から算出した。
• 周波数依存の減衰長は、0.100–0.850 GHz帯域で95%信頼区間内にあり、〈L(ν)〉 = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν GHz⁻¹である。
• 電場の底面反射係数Rは、0.100–0.850 GHzの周波数範囲で0.82 ± 0.07である。
• 0.400 GHz未満ではクロス偏光電力が5%未満であり、偏光の変化が小さく、大気伝搬モデルと整合的である。
• 高い底面反射性、低い減衰、低いクロス偏光漏れの組み合わせにより、モアーズ・ベイはARIANNAニュートリノ望遠鏡の設置に適していることが裏付けられた。
• 本結果は、モアーズ・ベイの氷柱が、電波検出技術による超高エネルギーニュートリノ検出に好適な環境を提供していることを確認した。