»Med den nye 3D-radar EISCAT 3D vil vi ikke bare se, hvilken retning de elektrisk ladede partikler bevæger sig i. Vi kan også lave et 3D-kort, et volumen af luftrummet højt over os, som viser, hvor partiklerne er,« siger professor César La Hoz fra Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Tromsø.
Han leder arbejdet fra norsk side med at udvikle en ny 3D-radar. Den vil give forskerne endnu bedre forståelse af de processer, der forstyrrer radiokommunikation og GPS-navigation.
3D-radar overvåger ionosfæren
Hvis vi skal forstå den nye 3D-radar (se animation: Sådan virker ny 3D-radar), må vi først vide, hvad den nuværende EISCAT-radar gør. Et af disse anlæg ligger kun ti kilometer i luftlinje øst for Tromsø, i en smuk dal bag ved Tromsdalstinden.
Den består af store skålantenner, ligesom de paraboler, vi bruger for at modtage TV-signaler fra satellitter, den er bare meget større.
»EISCAT overvåger atmosfæren 70-1000 kilometer over os,« fortæller César La Hoz.
Elektronerne virker som et radiospejl
Så højt oppe bliver den tynde atmosfære elektrisk ladet af stråling fra blandt andet solen. De ladede partikler er elektroner og atomkerner, kaldet ioner. Derfor hedder dette tynde atmosfærelag ionosfæren.
Ionosfæren virker ikke bare forstyrrende. Den reflekterer også radiostråler som et spejl. Derfor kan vi blandt andet høre kortbølge- og mellembølgestationer, som ligger langt under horisonten, men som spejles ned til os fra ionosfæren.
EISCAT udnytter også denne spejleffekt.
»EISCAT sender radarpulser op i ionosfæren. Elektronerne begynder at svinge i takt med radarbølgerne, og sender strålingen tilbage, bare meget svagere. Derfor har vi brug for de store antenner,« siger César La Hoz.
Radarstrålerne måler ekko
Akkurat som du kan måle afstanden til en bjergvæg ved at tage tiden før ekkoet kommer tilbage, så kan forskerne måle afstanden til radarekkoet. Forskellen er bare, at radarstrålerne kommer hurtigere tilbage end lyden.
Der handler om en ventetid på kun et tusinddels sekund fra en afstand af 150 kilometer.
Ekkoet fra ionerne siger også noget om, hvilken vej de bevæger sig. Bevæger de sig mod radaren, altså ned over mod jorden, så vil svingetakten blive lidt hurtigere.
Dette kaldes Doppler-effekten, og er det samme, som når vi hører sirenen fra en forbikørende ambulance: Den har et lidt lysere tone, når den kommer mod os end når den kører væk fra os.
Endelig siger signalet noget om, hvor tæt der er mellem elektronerne og ionerne deroppe, og hvilke temperaturer, de har.
Så langt, så godt. Vi har afstanden, temperaturen og farten på de ladede partikler, målt langs en linje fra ionosfæren ned til radarstationen.
Det er nødvendigt med flere radarer
Men hvad hvis ionerne ikke bevæger sig direkte mod eller direkte væk fra radarstationen?
Så må vi have flere af den slags anlæg, og måle farten langs forskellige linjer. Sammenligner vi disse målinger, kan vi regne os frem til både fart og retning på ionerne.
»Fire EISCAT-anlæg er bygget; et ved Tromsø, et ved Longyearbyen på Svalbard, et i Kiruna i Sverige og et ved Sodankylä i Nordfinland,« fortæller César La Hoz.
Nuværende radarer er for langsomme
Men anlæggende har en stor svaghed. De kan kun måle afstand og hastighed på ionerne i et lille felt ad gangen.
»Hvis vi skal kortlægge et større område i tre dimensioner, må vi dreje antennerne. Det tager i bedste fald flere minutter,« fortæller César La Hoz.
Flere minutter er lang tid. Det kan alle, som har set nordlys, bekræfte. Flammerne slikker hurtigt hen over himlen. Den elektriske vind højt oppe i ionosfæren kaster sig hurtigt rundt.
Mange bække små, gør en stor å
Forskerne har brug for en radar, som kan kaste sig lige så hurtigt rundt. En radar som kan flytte fokus på millisekunder. De har brug for en helt ny teknologi.
Eller, det vil sige – teknologien er ikke helt ny. Tværtimod, den har været brugt i andre sammenhænge, både i satellitter og jordbaserede anlæg, blandet på radioobservatoriet Jicamarca øst for Lima i Peru, César La Hoz’ hjemland.
»Jeg har arbejdet der,« fortæller han.
»Jicamarca består af 19.000 små antenner i stedet for én stor.«
Små og hurtige radarer
Hvad er så det tusindvis af små antenner kan gøre, som én meget større antenne ikke kan?
Svar: Kaste sig rundt på brøkdelen af et sekund.
Det vil sige: Antennerne kaster sig ikke rundt, rent fysisk. Det, der sker, er, at de sender radarsignalerne ud lidt forskudt. Alle de enkelte små radarsignaler er som bølger, der mødes i ét bestemt punkt. Og dette punkt kan flyttes lynhurtigt ved at variere den tid, de sendes ud på.
Planerne om placering af 3D-radar er usikre
»Planlægningen af 3D-radaren har været i gang siden 2008,« fortæller César La Hoz.
Der blev projektet valgt ud af EU-organisationen European Strategy Forum for Research Infrastructure (ESFRI), som en del af programmet "Roadmap 2008 for Large-Scale European Research Infrastructures for the next 20-30 years."
Meget er stadig usikkert angående det nye radarprojekt. Størrelsen er afhængig af bevillingerne, som det fællesnordiske projekt hvert år vil få fra landene, der er med i projektet og formentlig også fra EU.
Skarpere billeder ved koncentration af strålen
»Fladen med op til 30.000 antenner skal dække minimum 100 x 100 meter,« siger César La Hoz.
Sådan en størrelse vil give en ni gange bedre koncentration af strålen, altså ni gange skarpere opløsning af hvert punkt i det billede, der bygges op, linje for linje, efter hver gang radaren lynhurtigt scanner luftrummet højt over sig.
Byen Skibotn står stærkt
Og akkurat som for den nuværende EISCAT, så skal mindst tre af sådanne anlæg bygges for at kunne bestemme den retning, som ionerne bevæger sig i. Hvor de skal ligger, bliver både et resultat af faglige vurderinger og politisk tovtrækning de nordiske lande imellem.
»Foreløbigt er Skibotn i amtet Troms en stærk kandidat til at få hovedanlægget,« siger César La Hoz.
Finnerne og svenskerne har deres egne kandidater. Kilpisyärvi og Esrange-Space Center ved Kiruna er to af dem.
Vil bygge gigantisk mikrobølgeovn
I hovedanlægget skal der også bygges en såkaldt varmesender. Den virker som en gigantisk mikrobølgeovn højt oppe i atmosfæren: De elektrisk ladede partikler sættes i vibrationer, så temperaturen midlertidigt bliver højere. Ved at regulere temperaturen og se, hvordan den falder igen, kan forskerne få mere viden om, hvordan ionerne opfører sig.
»Når hovedanlægget er bestemt, kan placeringen af de andre anlæg også afgøres,« siger César La Hoz.
En rapport, som kan bidrage til at afklare dette vigtige spørgsmål, bliver sandsynligvis færdig senere på foråret.
Går alt, som forskerne håber, kan spaden stikkes i jorden engang i 2015.
© forskning.no Oversættelse: Julie M. Ingemansson
