Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) показало, что атмосфера Земли может служить мощным датчиком, позволяя обнаруживать и моделировать события на Земле и в космосе с невероятной точностью.
По словам Майкла «Орбита» Наяка, руководителя программы «Атмосфера как сенсор» (Atmosphere as a Sensor, AtmoSense) агентства DARPA, новые возможности сенсоров открывают возможность отслеживать энергию от ее зарождения в виде небольших возмущений размером в метр до распространения на гораздо большие расстояния, а в перспективе и по всему миру.
Программа DARPA AtmoSense, запущенная в 2020 году, начиналась с простой цели: понять динамику распространения энергии между поверхностью Земли и ионосферой и выяснить, можно ли использовать ее в качестве сенсорной системы.
За последние несколько лет программа усовершенствовала свои возможности по обнаружению и моделированию энергетических волн — как акустических, так и электромагнитных — движущихся через атмосферу Земли, что открывает путь к новым научным приложениям, а также к приложениям, имеющим отношение к национальной безопасности. Агентство планирует поделиться своими выводами в ближайшие недели во время семинара, который пройдет в конце этого месяца в Дейтона-Бич, штат Флорида, где представители DARPA и исследователи продемонстрируют ключевые достижения программы представителям оборонного и научных сообществ. С самого начала команда программы AtmoSense поставила перед собой задачу определить, может ли распространение атмосферных волн быть полезным для раскрытия важнейших деталей происходящих на Земле событий, включая их источник и масштаб.
"До начала программы моделирование акустических волн с высоким разрешением от поверхности до космоса считалось невозможным, но нам это удалось", — сказал Наяк в своем недавнем заявлении.
По словам Наяка и его команды, благодаря разработке моделей, охватывающих шесть порядков по масштабу, они смогли продемонстрировать, как энергия начинается с небольших возмущений на земле, распространяясь в конечном итоге через атмосферу. Такие события остаются заметными на расстоянии до тысяч километров от места их возникновения. "Раньше мы называли ионосферу «неведомой», но AtmoSense совершила ряд ключевых междисциплинарных прорывов в решении проблемы, которая раньше была крайне неразрешимой", — говорит Наяк. Кроме того, инструменты с открытым исходным кодом, разработанные в рамках программы, теперь позволяют исследователям моделировать сложное поведение атмосферных энергетических волн в 3D. Такая возможность может позволить обнаруживать незаконные подземные взрывы, производимые во время секретных испытаний оружия или других тайных мероприятий, на расстоянии, используя только атмосферные сигналы.
В рамках двух основных этапов AtmoSense сначала сосредоточился на моделировании крупных земных событий, таких как землетрясения и извержения вулканов. Затем, начиная с прошлого года, второй этап программы включал полевые испытания в Нью-Мексико, где было проведено шесть контролируемых взрывов — четыре взрыва по 1 тонне и пара взрывов по 10 тонн.
Наблюдая за этими взрывами, исследователи смогли проверить свои прогностические модели, которые, как оказалось, точно соответствуют данным наземных и воздушных датчиков.
Помимо нового понимания динамики верхних слоев атмосферы, которое дала программа AtmoSense, а также ее потенциала для отслеживания крупномасштабных событий на Земле, программа также демонстрирует некоторые ключевые достижения, которые могут сыграть важную роль в суперкомпьютерных вычислениях и моделировании сложных систем.
По словам Наяка, такие возможности могут быть полезны при моделировании гиперзвуковых полетов, а также при моделировании динамики жидкостей и других сложных научных задач, где требуются сложные вычислительные модели.
Программа AtmoSense также сделала несколько неожиданных открытий с момента своего создания в 2020 году. Одним из самых удивительных стал случай, когда члены исследовательской группы заявили, что после одного из испытательных взрывов в Нью-Мексико они обнаружили значительное снижение содержания электронов в атмосфере.
Исследуя странную потерю электронов, команда проследила, что это нарушение связано с входом в атмосферу ракеты SpaceX Falcon 9, который произошел почти в то же время, что и их испытание. Дополнительный анализ, проведенный во время последующих входов Falcon 9 в атмосферу, выявил закономерность: падение содержания электронов происходило во время каждого входа в атмосферу, что открывает новый метод обнаружения объектов при входе в атмосферу Земли.
Одно из самых удивительных открытий было сделано, когда исследователи обнаружили значительное падение содержания электронов в атмосфере после одного из испытательных взрывов. В ходе расследования было установлено, что это нарушение связано с входом в атмосферу ракеты SpaceX Falcon 9, который совпал с испытанием. Дальнейший анализ нескольких входов Falcon 9 в атмосферу подтвердил повторяющуюся картину падения содержания электронов, что позволило разработать новый метод обнаружения объектов, входящих в атмосферу Земли.
В целом, программа AtmoSense уже продемонстрировала, что моделирование энергетических волн может выйти за рамки обнаружения возмущений на уровне поверхности, позволяя отслеживать атмосферную и космическую активность, имеющую потенциальное значение для национальной безопасности.
Таким образом, будущие приложения программы могут показать, что AtmoSense - это не просто научная веха, а основополагающий потенциал для новой эры глобального зондирования и стратегической осведомленности.
В ближайшей перспективе AtmoSense уже демонстрирует перспективы в аэрокосмических технологиях, физике и других областях, а также потенциал для "других идей больших вычислений, которые мы еще даже не рассматривали", — сказал Наяк.