Tầng khí quyển - 'máy cảm biến khổng lồ' chờ khoa học khám phá

Nghiên cứu tầng khí quyển để biến nó thành máy cảm biến khổng lồ. Ảnh: ESA

Các thiết bị trên mặt đất đã nhận thấy những sự thay đổi về mật độ của các electron tự do có trong vùng tích điện này.

Chúng chuyển động gợn sóng hướng ra ngoài từ điểm trong tầng điện li ngay phía trên tâm chấn của trận động đất.

Những hiệu ứng tương tự đã được quan sát với các hiện tượng khác, vừa mang tính tự nhiên (như bão, núi lửa và thiên thạch bay qua) và vừa nhân tạo (vụ nổ liên quan đến các hoạt động khai thác).

Tất cả những điều này gây ra những thay đổi điện tích trên bầu trời mà có thể được phát hiện cách đó hàng trăm km.

Những quan sát đó đã khiến David Lewis, một quản lý chương trình tại tổ chức nghiên cứu quân sự của Mỹ DARPA (Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến), thắc mắc rằng có bao nhiêu thông tin có thể được đưa ra khỏi khí quyển bằng cách này.

Điều đó đã khiến ông thiết lập một chương trình DARPA mới gọi là AtmoSense, viết tắt của cụm từ “Atmosphere as a Sensor”.

Chương trình này hiện đang phân loại các vụ va chạm địa chất từ những Viện hàn lâm có tên tuổi, và các công ty lớn nhỏ, với mục đích xây dựng một hệ thống để thực hiện việc đưa tin này.

Cảm giác và sự nhạy cảm

Phản ứng của tầng điện ly đối với những gì đang xảy ra trên trái đất đơn giản về mặt lý thuyết nhưng phức tạp về mặt thực tế.

Những hiện tượng như động đất gây ra những xáo trộn trong bầu khí quyển ở dưới. Chúng có thể ở dạng sóng âm, sóng xung kích hoặc hiện tượng chuyển động chậm hơn gọi là sóng trọng trường khí quyển.

Các dao động như vậy thường lan truyền ra theo mọi hướng, bao gồm cả hướng lên trên về phía tầng điện li.

Trước khi chúng đến đó, những loại sóng này đi qua tầng khí trung hòa về điện. Điều này khiến việc theo dõi chúng từ xa trở nên khó khăn vì không có các hiện tượng về điện, chẳng hạn như phát xạ vô tuyến, để các máy dò có thể phát hiện.

Dù vậy, điều đó sẽ thay đổi khi chúng đến nơi. Chuyển động của các hạt mang điện tích lớn (electron và các nguyên tử tích điện, chúng được gọi là ion, cũng là nguồn gốc cái tên của tầng điện ly (ionosphere)) khi phản ứng với sóng truyền qua có thể được nhận biết bằng một số cách.

Các nhà khoa học tham vọng biến tầng khí quyển thành 'máy cảm biến khổng lồ'. Ảnh: Darpa

Một là từ tác động của chúng lên máy thu tín hiệu vệ tinh GPS (cách mà động đất ở Nepal được phát hiện).

Một cách khác là sử dụng ionosonde, một loại radar đặc biệt làm sóng vô tuyến bật ra khỏi tầng khí quyển điện ly này.

Cách thứ ba là sử dụng sóng vô tuyến kích thích tầng điện li để nó phát sáng. Việc này tương tự như việc tạo ra cực quang nhân tạo và khiến các chuyển động thuộc tầng điện li có thể nhìn thấy được.

Việc quan sát sóng ở tầng điện ly bằng những cách này có thể trả lời các câu hỏi về cái gì làm cho các sóng đó chuyển động. Nhưng điều đó cũng đồng nghĩa với việc phải thu thập rất nhiều dữ liệu để có thể hiểu được những gì đang xảy ra.

Một trong những mục tiêu đầu tiên của AtmoSense sẽ là xác định vị trí và nghiên cứu các hiện tượng trên hoặc gần với bề mặt trái đất - như các cơn bão, động đất, núi lửa phun trào, các hoạt động khai thác và “mountain wave” (tạm dịch: “sóng núi”), là những cơn gió liên quan đến các dãy núi.

Mục đích là để xem liệu cảm biến khí quyển có vượt trội hơn các phương pháp hiện có: như máy đo địa chấn dành cho các trận động đất, radar thời tiết Doppler cho các cơn bão... hay không.

Sau đó, dự án sẽ tiếp tục cố gắng thu thập dữ liệu nằm ngoài khả năng của các loại máy cảm biến hiện có. Chẳng hạn như radar có thể theo dõi vị trí của các cơn bão, nhưng AtmoSense cũng có thể cho biết mức năng lượng mà một cơn bão đang giải phóng ra và vì thế xác định xem nó đang suy yếu hay mạnh lên.

Địa chấn học cũng có thể được cải tiến. Theo đại tá Lewis, “có thể có những tiền thân của các trận động đất không được nhận diện trên mặt đất. Có thể có tất cả các loại thông tin”.

Gợn sóng trong bầu khí quyển

Điều này gợi ra viễn cảnh hấp dẫn của việc có khả năng đưa ra các cảnh báo về động đất. Các lực lượng vũ trang, những người đang chi tiền cho dự án, đặc biệt quan tâm đến việc hiểu rõ hơn về các hoạt động như phóng tên lửa và thử hạt nhân dưới lòng đất.

Những hoạt động đó chắc chắn phải nằm trong tầm kiểm soát của hệ thống khi nó được phát triển đầy đủ. Nhưng cũng có khả năng nhận biết được những hiện tượng có phạm vi nhỏ hơn.

Ví dụ, nếu sóng xung kích của thiên thạch có thể được theo dõi trên tầng điện li, còn những sóng của tên lửa siêu thanh thì sao? Hoặc của một chiếc máy bay?

Những nghiên cứu trước đó cho biết đến hiện tượng nhỏ như một tấn chất nổ phát nổ cũng có thể được phát hiện.

Nếu nghiên cứu thành công, có thể phát hiện các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất. Ảnh minh họa: Getty

Với cảm biến và bộ lọc phù hợp, hệ thống có thể còn theo dõi được những sự nhiễu loạn nhỏ hơn nữa. Lewis sẽ nghiên cứu những biện pháp mới để thực hiện điều này, đồng thời cố gắng nâng cấp những cái cũ.

Một trong những phương pháp mới đang được xem xét là các thiết bị được mang theo bằng máy bay không người lái và khinh khí cầu ở tầm cao, cả hai đều có thể tồn tại trong tầng khí quyển ở trên trong nhiều ngày một lần.

27 tháng đầu tiên của chương trình sẽ được dành cho việc tìm hiểu khoa học đằng sau những chuyển động tinh vi trong cả tầng điện li và bầu không khí trung hòa về điện bên dưới nó, và sau đó dựng các mô phỏng trên máy tính về những gì đang diễn ra.

Chúng sẽ được kiểm tra để xem liệu chúng có thể lặp lại chính xác các hiệu ứng đã thấy trong quá khứ hay không. Một khi nhóm nghiên cứu hiểu rõ hơn về khoa học căn bản, họ sẽ tiến tục giai đoạn thứ hai: thử nghiệm thực địa.

Nó sẽ bao gồm ba bài thử nghiệm trong khoảng thời gian ba tháng mà trong đó các nhà nghiên cứu cố gắng xác định vị trí các hiện tượng thích hợp, chẳng hạn như các tế bào bão, các hoạt động khai thác và động đất.

Nếu có tác dụng, dự án sau đó sẽ chuyển sang các vấn đề về lợi ích quân sự bằng cách do thám các vụ phóng tên lửa, theo dõi máy bay và thậm chí cả theo dõi các hầm đang được đào bên dưới lòng đất.

Nếu mọi thứ suôn sẻ, kết quả có thể sẽ là một “chiếc máy cảm biến có thể nhận biết mọi thứ” thực sự đầu tiên trên thế giới.