【Global Sensor】DARPA研究将大气作为全球传感器

从智能手机到连接家用电器的日常传感器，再到建筑物、汽车、飞机和航天器中更先进的传感器，传感器通常被认为是接收和响应电磁信号的物理设备。然而，任何物理传感器或电子传感器的集合体都不能连续、全局地探测发生在地球表面或其上方的扰动。但是，如果能够理解和利用大气本身，它就可以提供这种感知能力。

为此，美国国防高级研究计划局（DARPA）最近宣布推出“大气传感器”（Atmosphere as a Sensor，AtmoSense）项目，其目标是了解能量从地面传播到电离层的基本原理，以确定大气是否可以用作传感器。

众所周知，能量是从地球表面传播到电离层的，但目前还不清楚这种情况是如何发生的，因此不足以利用大气层作为传感器。科学文献清楚地记载了诸如雷暴、龙卷风、火山和海啸这样的事件会产生巨大的“三维尾迹”，传播到电离层的上游，并在那里留下印记。由于这种能量在到达电离层的过程中穿过了其他几层大气——对流层、平流层和中间层，所以DARPA的想法是试图识别“尾迹”一路上产生的扰动，看看研究人员是否能够捕捉到信息，以表明是哪种类型的事件导致了这种扰动。

据DARPA国防科学办公室（DSO）负责“大气传感器”的项目经理C·大卫·刘易斯（C.David Lewis）介绍：“也许我不必直接观察地震或海啸等事件。也许我可以从大气中的信息中了解到发生了什么。我想知道有多少信息是可用的，如果我能把我感兴趣的信号从其他在背景中产生噪音的自然现象中分离出来。”

“大气传感器”项目寻求大气科学界的提案者，他们在大气建模和模拟方面有着丰富的经验。同样有趣的是，专家们提供了非常独特的方法来测量大气特性，例如基本的PV=nRT变量——压力、体积、密度、温度或其衍生物。除了这些基本的大气变量外，电离层的中低部由于其带电性质，为测量提供了电磁机会。

对此，刘易斯表示：“我们通常对对流层的性质进行建模、模拟和测量，而对流层是地球天气发生的地方。但我们并没有在平流层、电离层中低部进行这些测量，因为没有人真正对它感兴趣，而且很难到达那里。有时，中间层甚至被称为“信号层”，但我们知道信息会穿过它，所以我们真的在寻找科学家和工程师，他们有独特的方法潜在地测量大气的不同方面。”

“大气传感器”项目的另一个关键领域是测量和理解削弱或破坏感兴趣信号的背景噪声。

据刘易斯介绍说：“当我们考虑可能的背景熵时，会出现射流、流体压缩、剪切力、科里奥利力等；所有这些都会触发某种破坏信息的湍流。当谈到地球物理和气象方面的大气干扰源时，有一个从次声发射到超声波的频谱。其中一些频率比其他频率更容易受到大气熵的影响，而这些正是我们想要捕捉的。”

“大气传感器”项目需要两个阶段。第一阶段是概念开发（27个月），第二阶段是原理验证现场测试（12个月）。如果成功的话，“大气传感器”项目可以在未来以新的方式识别和洞察地震、海啸、风暴、龙卷风和小行星活动等事件。DARPA于2020年2月14日在弗吉尼亚州阿灵顿举行了项目提案者日。

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