一项将大气层变成一个巨大传感器的计划

当2015年尼泊尔发生W地震时，地球物理学家惊讶地发现，他们可以在电离层看到它的反射，电离层是地球表面以上约75公里的一层大气层。地面仪器在这个带电区域看到了自由电子密度的变化。这些波纹从地震震中正上方的电离层中的点向外传播。

其他现象也观察到了类似的影响，既有自然现象(飓风、火山和流星通过)，也有人为现象(与采矿作业相关的爆破)。所有这些东西都会引起数百公里外都能探测到的天空电学变化。

这样的观察让美国军事研究组织(国防高级研究计划局)的项目经理大卫·刘易斯(David Lewis)想知道，通过这种方式可以从大气层中榨取多少信息。这导致他建立了一个名为“大气感知”(AtmoSense)的新项目--“大气作为传感器”的缩写。现在正在整理来自充满希望的学术机构和大大小小的公司的投标，以建立一个系统来完成这项工作。

电离层对地面事件的反应在原则上很简单，但在实践中却很复杂。像地震这样的事件会在低层大气中产生扰动。它们可以采取声波、冲击波或称为大气重力波的移动较慢的现象的形式。这种振荡一般向各个方向展开，包括向上朝向电离层。

在到达那里之前，这些波正在通过电中性气体传播。这使得它们很难被远程跟踪，因为没有电效应，比如无线电辐射，供探测器利用。不过，当他们到达时，情况就会改变。高空带电粒子(电子和带电原子，称为离子，电离层因此得名)响应通过波的运动可以通过几种方式捕捉到。其一是它们对卫星信号接收的影响(尼泊尔地震就是这样检测到的)。另一种方法是使用电离层探空仪，这是一种特殊类型的雷达，可以将无线电波从这一层大气中反射回来。第三种是用无线电波刺激电离层，使其发光。这类似于制造人造极光，使电离层运动可见。用这些方法观测电离层波可能会回答是什么启动了这些电离层波的问题。但这意味着要收集大量数据，以便了解正在发生的事情。

AtmoSense的首要目标之一将是定位和研究地球表面或接近地球表面的现象-风暴、地震、火山喷发、采矿作业和“山波”，即与山脉相关的风。其目的是看看大气传感是否能超越现有的方法：地震地震仪，风暴多普勒天气雷达等等。

之后，该项目将继续尝试收集超出当前传感器能力的数据。例如，雷达可以跟踪风暴的位置，但大气感知也可以指示风暴释放了多少能量，从而确定它是减弱还是增强。地震学也可能得到加强。根据刘易斯上校的说法，“可能有一些地震的前兆没有在地面上探测到。可能会有各种各样的信息。“。这展现了能够发布地震警报的诱人前景。

为该项目买单的武装部队对洞察导弹发射和地下核试验等活动特别感兴趣。当系统完全发展时，这些当然应该在系统的掌握之中。但也有可能获得较小的活动。

例如，如果一颗流星的冲击波可以通过电离层追踪到，那么高超声速导弹的冲击波呢？还是飞机？以前的工作表明，可以检测到小到一吨炸药爆炸的事件。有了正确的传感器和滤波器，仍有可能跟踪更微小的干扰。刘易斯上校将研究新的方法来做这件事，同时也试图升级旧的方法。正在考虑的新方法包括由高空无人机和气球携带的仪器，这两种仪器都可以一次在高层大气中停留数天。

该计划的前27个月将致力于了解电离层及其下方电中性大气中波纹背后的科学，然后建立正在发生的事情的计算机模拟。将对它们进行测试，看看它们是否能准确地复制过去看到的效果。

一旦团队对基础科学有了更好的理解，他们将进入第二阶段：实地试验。这将包括每隔三个月进行三次测试，在此期间，研究人员试图定位相关事件，如风暴单体、采矿作业和地震。如果这一计划奏效，该项目将通过监视导弹发射、跟踪飞机，甚至监视正在挖掘的地下掩体，转移到军事利益问题上。如果一切顺利，其结果可能是世界上第一个真正的环视仪。。

这篇文章发表在印刷版的科技版上，标题为“空气中有什么东西”。