Kiến Thức Của Kiến Gợi Ý Một Cách Mới để Đo Lường Lớp Tuyết Bằng Laser Không Gian năm 2025

Kiến, nhóm, là những sinh vật có thói quen. Trong khi con đường của cá thể không chắc chắn, các nhà sinh học đã dành nhiều thời gian để quan sát hành vi của toàn bộ đàn kiến có thể dự đoán thời gian trung bình mà một con kiến có thể lang thang dưới lòng đất trước khi nổi lên. Điều đó khiến nhà vật lý của NASA, Yongxiang Hu, tự hỏi liệu sự dự đoán này có thể đúng đối với photons—những hạt ánh sáng—đang đi qua tuyết. Nếu đúng, điều đó sẽ giúp các nhà khoa học sử dụng laser phát từ một vệ tinh quay quanh để ước lượng độ dày tuyết—có thể là một cách mạnh mẽ mới để theo dõi nguồn nước và sức khỏe của băng biển ở Bắc Cực. 

Vệ tinh ICESat-2 của NASA được trang bị lidar, cùng loại hệ thống laser mà các ô tô tự lái sử dụng để xây dựng bản đồ 3D vùng xung quanh. Công cụ cực kỳ nhạy bén này phát ra hàng nghìn tỷ photons xuống Trái Đất, sau đó phân tích những gì phản xạ lại về vệ tinh. Bởi vì các nhà khoa học biết tốc độ của ánh sáng, họ có thể sử dụng lidar để xác định độ cao: Một photon phản xạ từ đỉnh núi sẽ mất thời gian ít hơn để đến ICESat-2 so với một photon phản xạ từ đáy thung lũng.

Cùng điều xảy ra khi bạn bắn lidar vào một dải tuyết. “Chúng tôi có thể đo khoảng cách của từng photon cá nhân đi trong tuyết,” Hu nói, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Langley của NASA. Một số photons có thể đi sâu vào tuyết đến vài chục thậm chí cả trăm feet trước khi nổi lên và quay trở lại vệ tinh. (Các photons xâm nhập vào tuyết như một tia laser đi qua một đám khói, thay vì phun ra về phía bên.) Sự trễ này bộc lộ độ dày của tuyết, giống như một photon phản xạ từ đáy thung lũng mất một chút thời gian hơn để trở lại công cụ lidar so với một photon phản xạ từ đỉnh núi. 

Con đường của photon không phải lúc nào cũng đơn giản. Giống như một con kiến lang thang quanh tổ dưới lòng đất, một photon phát từ laser không gian đi theo một tuyến đường ngẫu nhiên qua tuyết. Một số sẽ đi đến đất dưới và phản xạ ra khỏi nó trước khi quay trở lại mặt đất. Một số phản xạ lại giữa chừng, sau khi đụng phải hạt tuyết. “Hầu hết chúng đi vài inch trong tuyết và quay trở lại,” Hu nói. “Nhưng rồi cũng có nhiều chúng đi rất sâu, quãng đường rất xa bị kẹt bên trong tuyết—phản xạ lòi lên và rơi xuống, rơi lên và rơi xuống.” Tất cả những phản xạ xung quanh tạo ra dữ liệu nhiễu.

Nhưng bên trong đó, có một mô hình, giống như cách các nhóm kiến, tổng cộng, di chuyển xung quanh một tổ. Trong khi mỗi photon đi một con đường lệch lạc, các nhà khoa học có thể biểu diễn toán học khoảng cách trung bình mà mỗi photon đi. Nhóm tính toán được rằng trung bình một photon đi gấp đôi chiều sâu của tuyết nó đang đi qua. 

Một khi họ có công thức đó, nhóm có thể ước lượng độ dày tuyết trên toàn cầu bằng dữ liệu lidar toàn cầu từ ICESat-2. Sau đó, họ so sánh những ước lượng đó với đo lường độ dày tuyết của cùng khu vực bằng máy bay sử dụng radar. (Một tùy chọn thứ ba là chèn các cột đặc biệt vào tuyết.) “Chúng so sánh rất tốt,” Hu nói về các phương pháp. “Chúng tôi rất hạnh phúc vì lý thuyết đã hoạt động.”

“Đây là một ứng dụng rất táo bạo của lý thuyết vào đo lường thực tế,” nói Ben Smith, nhà nghiên cứu băng học tại Đại học Washington, người không tham gia vào nghiên cứu. “Phản ứng ban đầu của tôi là: Không thể có cách nào nó có thể hoạt động. Nhưng họ đã dường như ghép các mảnh lại để cho thấy có ít nhất một cơ hội tốt rằng bạn thực sự có thể làm điều này với dữ liệu thực tế.”

Phương pháp vệ tinh này có những lợi ích: Nó toàn cầu và tương đối rẻ. Việc đo độ dày tuyết bằng máy bay chỉ mang lại một phần nhỏ của phủ sóng với một giá rất cao—nhiên liệu cộng với bảo trì cộng với phi công đào tạo. 

Đo lường tuyết sẽ trở nên quan trọng hơn khi biến đổi khí hậu đe dọa hệ thống nước. Quản lý nước cần biết, ví dụ, có bao nhiêu tuyết thực sự có sẵn để họ có thể lập kế hoạch phù hợp. (Các nhà khoa học đang thử nghiệm việc gắn cảm biến gia tốc—tương tự như máy theo dõi sức khỏe—lên cây để xác định lượng tuyết có thể bị nắm giữ trong tán lá, giảm cung cấp nước thêm nữa.) “Tuyết là một phần lớn của nguồn nước cho khá nhiều khu vực trên thế giới, và nó đang giảm đi,” Hu nói. 

Nhà nghiên cứu cũng có thể sử dụng kỹ thuật mới để phân tích độ dày của băng biển để hiểu rõ hơn về cách Bắc Cực đang thay đổi khi nó ấm nhanh bốn lần so với phần còn lại của hành tinh. Bạn có thể làm điều này với một vệ tinh, bằng cách đo chiều cao của một khối băng so với mực nước biển. Nhưng có thể có nhiều tuyết đang nằm trên đỉnh. Lý thuyết, lidar của ICESat-2 có thể đo độ dày của tầng tuyết đó, sau đó trừ đi để có độ dày của băng biển bên dưới. Quy trình đó có thể trở nên rối bời nếu tuyết được lớp với các lớp băng mỏng, điều đó sẽ làm mất đi tín hiệu. “Đó sẽ là một điều cần suy nghĩ khác,” Smith nói. “Nhưng tôi nghĩ chỉ cần đưa ra ý tưởng là thật tuyệt vời.”