Table of Contents
GPS Technology and Its Role in Mapping the Pacific Ring of Fire
وقد تحولت تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع بصورة أساسية في كيفية قيام العلماء برسم خرائط ورصد عملية إطلاق النار في المحيط الهادئ، وهي أكثر المناطق نشاطا من الناحية السيزمية والبركانية على الأرض، ومن خلال تقديم بيانات عن المواقع على مستوى سنتيمتر، تمكن شبكات النظام العالمي لتحديد المواقع الباحثين من تتبع تحركات اللوحات التكتونية، وكشف التحلل الأرضي، وتحسين دقة تقييمات المخاطر الطبيعية، وهذا يستكشف التقاطع بين تكنولوجيا تحديد المواقع بواسطة السواتل، وكل ما يقدم من دعم للإنذار بالزلازلزال، ويفصل بين نظم الإنذار المبكر بالزلزال.
فهم رنين النار في المحيط الهادئ
إن رنين النار في المحيط الهادئ هو منطقة على شكل 40,000 كيلومتر من الخيول تتعقب حدود عدة لوحات تكتونية تحيط بالمحيط الهادئ، تمتد من الساحل الغربي لأمريكا الجنوبية، إلى أمريكا الشمالية، عبر جزر ألويتيان، إلى اليابان، وجنوب شرق آسيا، وإلى جزر المحيط الهادئ في أوقيانوسيا، حيث تأوي هذه المنطقة نحو 90 في المائة من زلازل العالم و 75 في المائة من البروتين النشط.
والنشاط الجيولوجي المكثف في رنين النار نابع من الحركة والتفاعل المستمرين لللوحات الكزازية، حيث إن منطقة المحيط الهادئ تعمل على الأطباق التي تحيط بها، وتخلق مناطق فرعية تنزلق فيها لوحة واحدة تحت أخرى، وتولد هذه المناطق الفرعية احتكاكا وضغطا هائلين، مما يؤدي إلى زلزال وثورات بركانية متكررة، وتشمل الأمثلة الأكثر وضوحا زلازل توهون لعام 2011
وما برح رسم خرائط لسقوط النار في المحيط الهادئ يشكل تحدياً بسبب اتساع نطاقه، ومواقعه النائية، وطابعه الديناميكي، إذ لم تتمكن أساليب المسح التقليدية من توفير الحل الزمني أو المكاني اللازم لالتقاط حركات أرضية صغيرة تسبق الأحداث الزلزالية، وقد تم التغلب على هذا التقييد بنشر شبكات متواصلة من مصادر القدرة على إحداث الاحترار العالمي في جميع أنحاء المنطقة.
لماذا نظام تحديد المواقع هو أساسي لرصد هذه المنطقة
إن تكنولوجيا جهاز تحديد المواقع توفر قدرة فريدة، ويمكنها قياس موقع نقطة على سطح الأرض بدقة عالية على مدى الزمن، حيث يمكن للعلماء، بتركيب أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع في مواقع ثابتة عبر رنين النار، أن ينشئوا شبكة كثيفة من محطات الرصد التي تسجل كيفية تحرك الأرض، وتكشف هذه القياسات عن التكديس البطيء للإجهاد على طول خطوط الخطأ، والتضخم أو الانكماش في قاعات المغنطية البركانية.
وبدون النظام العالمي لتحديد المواقع، سيتطلب رصد هذه التحركات إجراء دراسات استقصائية أرضية كثيفة العمالة لا يمكن القيام بها إلا في حالات متكررة، ويوفر النظام العالمي لتحديد المواقع جمعا مستمرا وآلية للبيانات يمكن نقلها في الوقت الحقيقي إلى مراكز التحليل، مما يجعل من الممكن اكتشاف التغيرات التي تحدث على مدى أيام أو ساعات أو حتى قبل دقائق من حدوث حدث سيزمي رئيسي.
How GPS Technology Works for Geodetic Monitoring
ونظام تحديد المواقع، أو النظام العالمي لتحديد المواقع، هو نظام الملاحة الساتلية الذي تديره حكومة الولايات المتحدة، ويتألف من مجموعة مؤلفة من 24 ساتلا على الأقل مدار نحو 200 20 كيلومتر فوق الأرض، وتبث هذه السواتل باستمرار إشارات إذاعية تحتوي على موقعها الدقيق والوقت المحدد الذي أرسلت فيه الإشارة.
ويلتقط جهاز استقبال للشبكة العالمية لتحديد المواقع إشارة من سواتل متعددة ويستخدم الاختلافات الزمنية لحساب موقعه الخاص من خلال الترايت، أما بالنسبة للرصد الجيوديسي، فإن أجهزة استقبال متخصصة عالية الدقة في النظام العالمي لتحديد المواقع تستخدم في تحقيق الدقة إلى بضعة مليمترات، وهذه أجهزة الاستقبال عادة ما تُركَّب على آثار ثابتة مثبتة على صخرة السرير لضمان أن أي حركة مسجلة تمثل نزوحا أرضيا حقيقيا بدلا من تركيب معدات.
نظام تحديد المواقع المختلف والتوقيف الحقيقي للمواقع
وتمتد الدقة القياسية للنظام العالمي لتحديد المواقع إلى حوالي 5 إلى 10 أمتار، وهو ما يكفي للملاحة وليس للرصد التكتوني.() وتستعمل التطبيقات الجيوديسية تقنيات الكمائن في الوقت الحقيقي لتحقيق الدقة على مستوى سنتيمتر أو حتى على مستوى المليمتر، وتشمل قياسات من محطة قاعدية ثابتة مع إحداثيات معروفة إلى محطة ترفيه، وتلغي الأخطاء المشتركة في الغلاف الجوي من السواتل.
ويواصل مركز البحوث في مجال حقوق الإنسان نقل بيانات الإصلاح من محطة قاعدية إلى عملية تمزق في الوقت الحقيقي، مما يتيح للعلماء رصد الحركة الأرضية عند حدوثها، وهو أمر حاسم بالنسبة لنظم الإنذار المبكر بالزلازل وتنبيهات الانفجار البركاني، وكثير من شبكات الرصد عبر رنين استخدام النار أو تقنيات الكينات بعد التجهيز، وذلك من أجل تحقيق أعلى قدر ممكن من الدقة.
شبكات النظام العالمي لتحديد المواقع المستمرة في رنين النار
(ج) تشغيل عدة شبكات رئيسية من مصادر القدرة على إحداث الاحتراق في منطقة المحيط الهادئ، وتشتمل مرصد الحدود الياباني (PBO) في غرب أمريكا الشمالية على أكثر من 100 1 محطة من محطات النظام العالمي لتحديد المواقع ترصد التشوه على امتداد منطقة سان أندرياس الفرعية.
وتقوم هذه الشبكات بجمع البيانات باستمرار ونقلها إلى مراكز التجهيز المركزية حيث يتم تحليلها لعلامات السلالة التكتونية، كما تتاح البيانات للباحثين والجمهور، مما يتيح إجراء دراسات تعاونية وتحسين الفهم العالمي للزلازل والعمليات البركانية.
تطبيقات النظام العالمي لتحديد المواقع في رسم الخرائط والرصد
وتدعم تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع طائفة واسعة من التطبيقات داخل منطقة المحيط الهادئ، بدءا من البحوث الأساسية إلى إدارة المخاطر التشغيلية، وتفصل الفروع التالية المجالات الرئيسية التي يحدث فيها النظام العالمي لتحديد المواقع أثرا قابلا للقياس.
حركة الطوابق التكتونية
ويقدِّم النظام العالمي لتحديد المواقع قياسات مباشرة لللوحات التي تحقق وتصقل نماذج لطيافات الصفائح العالمية، ومن خلال تحليل البيانات المستمدة من محطات على مختلف جوانب حدود اللوحات، يمكن للعلماء حساب السرعة النسبية بين اللوحات، وعلى سبيل المثال، تبين بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع أن قبو المحيط الهادئ يتجه شمالا غربا في حوالي 7 إلى 10 سنتيمترات سنويا مقارنة بقلنة أمريكا الشمالية، وهذا الحركة الثابتة التي تتراكم في زل.
ولا تكشف السلسلة الزمنية الطويلة الأجل للنظام العالمي لتحديد المواقع عن متوسط معدل حركة اللوحات فحسب، بل تكشف أيضا عن التباينات الموسمية والأحداث العابرة مثل حوادث التسلل البطيئة، وحدث التباطؤ هو حوادث التشريد التدريجي التي لا تولد موجات زلزالية، بل يمكن أن تستمر لأيام أو أسابيع، ويُعتقد أنها تؤدي دورا في نقل الإجهاد والزلازل، وجهاز تحديد المواقع هو الأداة الرئيسية لكشفها.
نظم الإنذار المبكر
ومن أكثر التطبيقات تأثيراً في النظام العالمي لتحديد المواقع في رنين النار إدماجه في نظم الإنذار المبكر بالزلازل، حيث تكتشف الشبكات السيزمية التقليدية موجات P-waves السريعة الحركة التي تصل أولاً من الزلزال، ولكن النظام العالمي لتحديد المواقع يمكن أن يقيس التشريد البري الدائم الذي سببه الزلزال، وهذه المعلومات حاسمة في تقدير حجم الزلازل الكبيرة، ولا سيما تلك التي تتجاوز حجمها 7، حيث قد تشبع الركازات التقليدية وتقل من شأن هذه الحادثة.
نظام الإنذار المبكر لليابان الذي تديره الوكالة اليابانية للأرصاد الجوية، يتضمن بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع من شبكة جيونت لتحديد حجم الزلازل وموقعها بسرعة، وبالمثل، يمكن لوكالة USGS ] ShakeAlert نظام الإنذار المسبق باستخدام نظام GPS
إن نظم الإنذار القائمة على النظام العالمي لتحديد المواقع ذات قيمة خاصة بالنسبة للزلازل التي تسونامي، وقد أدى زلزال توهوكو في عام 2011 إلى حدوث تسونامي هائل فاقد من الدفاعات الساحلية، وأظهر التحليل الذي أجري بعد وقوع الأحداث أن قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع لتشوه قاع البحار يمكن أن توفر إنذارات مبكرة وأكثر دقة بشأن أمواج تسونامي، ومنذ ذلك الحين، تسارعت الجهود الرامية إلى نشر محطات لتحديد المواقع الجغرافية وتحسين تجهيز البيانات في الوقت الحقيقي.
رصد التشهير البركاني
البركان هو نظم دينامية تُضخ وتُبطل كحركات مغناطيسية تحتها أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع التي تم تركيبها على البركاني، يمكن أن تكتشف هذه التغيرات السطحية الأرضية بدقة عالية، مما يدل على أن الماما تتراكم في غرفة تحت البركان، مما قد يزيد من خطر حدوث انفجار، وقد يشير التضخم إلى أن الماجم قد أُطلقت أو تتحرك فيما بعد.
Examples of GPS-monitored volcanoes in the Ring of Fire include Kilauea] in Hawaii, where dense GPS networks tracked the collapse and refilling of the Summit magma chamber during the 2018 eruption. In Indonesia, the Center for Volcanology and Gezard MiT
وكثيرا ما تقترن بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع بقياسات جيوفيزيائية أخرى مثل المليارات، والسيزمومرات، ومجسات الغازات لبناء صورة شاملة للسلوك البركاني، ويحسن تكامل مسارات البيانات المتعددة موثوقية التنبؤات المتعلقة بالانفجار، ويدعم القرارات المتعلقة بالإجلاء وإدارة المناطق الخطرة.
رسم الخرائط وتقييم الأخطار السيزمية
ومن الضروري وضع خرائط دقيقة للأخطاء النشطة لتقييم المخاطر السيزمية ووضع رموز البناء، وتساعد الشبكة على تحديد الأخطاء التي قد لا تكون واضحة على السطح عن طريق الكشف عن مناطق تشوه مركزي، ويمكن استخدام تراكم الزلازل التي تقاس بواسطة النظام العالمي لتحديد المواقع لتقدير فترات تكرار الزلازل الكبيرة على أجزاء معينة من الأخطاء.
وفي منطقة المحيط الهادئ، كان النظام العالمي لتحديد المواقع أداة فعالة في رسم خرائط لنظم الخطأ المعقدة في ألاسكا، ونيوزيلندا، والفلبين، وعلى سبيل المثال، ساعدت بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع من جزر ألويتيان على تحديد تقسيم منطقة التخضّع، التي تؤثر على نماذج مخاطر التسونامي على امتداد ساحل المحيط الهادئ في أمريكا الشمالية، وفي نيوزيلندا، تقوم شبكة زلزالية كثيفة تابعة للنظام العالمي لتحديد المواقع كشفت عن احتمال تراكم الإجهاد في المستقبل.
فوائد رسم الخرائط على أساس النظام العالمي لتحديد المواقع
وقد حقق توسيع شبكات النظام العالمي لتحديد المواقع عبر رنين النار في المحيط الهادئ فوائد قابلة للقياس من أجل العلم والسلامة العامة والقدرة على مواجهة الكوارث.
تحسين التأهب للكوارث والتصدي لها
وتتيح بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع للسلطات تحديد المناطق الشديدة الخطورة التي تتسم بمزيد من الدقة، كما أن خرائط التشوه التفصيلية تساعد المخططين الحضريين ومديري الطوارئ وشركات التأمين على فهم المناطق التي يحتمل أن تكون أكثر المناطق تعرضاً للارتباك الشديد أو للتبريد أو للتخلي عن أمواج تسونامي، ويمكن التخطيط لطرق الإجلاء استناداً إلى بيانات الحركة الأرضية في الوقت الحقيقي، ويمكن أن تكون أفرقة الاستجابة في مواقع مسبقة في المناطق التي تظهر فيها علامات على خطر متزايد.
وفي أعقاب الزلازل الكبرى، توفر شبكات النظام العالمي لتحديد المواقع معلومات فورية عن مدى التشوهات الأرضية، مما يساعد على إعطاء الأولوية لعمليات البحث والإنقاذ، وعلى سبيل المثال، بعد الزلزال الذي ضرب شيلي في عام 2010، ساعدت بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع على رسم خريطة منطقة التمزق وتحديد المجتمعات الساحلية الأكثر تضررا من جراء أمواج التسونامي.
تعزيز التفاهم العلمي
وقد أدى استمرار تدفق بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع من آلاف المحطات عبر رنين النار إلى تغيير فهمنا للعمليات التكتونية، وقد استخدم الباحثون نظام تحديد المواقع لاكتشاف أحداث زلقة بطيئة، وتوثيق التشوهات التي تلت الزلزالية، ونماذج صقلية لدورة الزلازل، وقد أدت هذه الاكتشافات إلى فرضيات جديدة بشأن كيفية التصرف بالأخطاء وكيفية حفز الزلازل.
كما أن بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع ضرورية لاختبار النماذج العددية للتحلل من القشريات والتحقق منها، ومن خلال مقارنة التنبؤات النموذجية بالملاحظات على النظام العالمي لتحديد المواقع، يمكن للعلماء تحسين قدرتهم على التنبؤ بالزلازل والثورات البركانية في المستقبل، وييسر توافر البيانات المتعلقة بالنظام العالمي لتحديد المواقع من شبكات مثل مكتب الأمم المتحدة للمراقبة في أفغانستان ودائرة النظم العالمية لسواتل الملاحة التعاون العالمي ويعجل بالتقدم العلمي.
رصد التكاليف - الأثر في سكال
وفي حين أن معدات النظام العالمي لتحديد المواقع عالية الدقة تتطلب استثمارا أوليا، فإن التكلفة لكل محطة متواضعة بالمقارنة مع قيمة البيانات التي توفرها، ويمكن لمحطة واحدة من محطات النظام العالمي لتحديد المواقع أن ترصد مدىا لعدة كيلومترات حول موقعها، ويمكن توسيع الشبكات تدريجيا حسب ما يسمح به التمويل، كما أن تطوير أجهزة استقبال منخفضة التكلفة للنظام العالمي لتحديد المواقع وتوافر خدمات تصحيح ساتلية مجانية قد زاد من تقلص الحواجز التي تحول دون نشرها في البلدان النامية في إطار عملية إطلاق النار.
وقد قامت بلدان مثل إندونيسيا والفلبين وبابوا غينيا الجديدة ببناء شبكات وطنية للنظام العالمي لتحديد المواقع بدعم من الشركاء الدوليين، وتستخدم هذه الشبكات في مجال البحوث العلمية ورصد المخاطر التشغيلية على السواء، مما يوفر عائدا كبيرا للاستثمار عن طريق الحد من الأثر الاقتصادي للكوارث.
التحديات والحدود
وعلى الرغم من مواطن القوة العديدة التي تتمتع بها تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع، فإن لها قيودا يجب إدارتها من أجل رصد موثوق به في رنين النار.
إعاقة الإشارة والتعددية
ويمكن حجب أو تدهور إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع عن طريق النبات الكثيف، والتضاريس الحادة، والمباني، وغيرها من الهياكل، وفي المناطق النائية أو الحرجية أو الجبلية التي تتميز بعظم رنين النار، يمكن أن يكون العثور على مواقع التركيب المناسبة صعبا، حيث تزدهر الإشارات من السطح القريب قبل الوصول إلى جهاز الاستقبال، ويحدث أخطاء يجب تصحيحها من خلال اختيار المواقع وتجهيز البيانات بدقة.
التأخير في الغلاف الجوي
إن الغلاف الجوي الأيوني والغلاف التروبوسفيري يبطئان الإشارات إلى المواقع الجغرافية، مما يسبب أخطاء في تحديد المواقع، وفي حين يمكن وضع النماذج وتصويب هذه التأخيرات، فإنها أكثر وضوحا في المناطق الاستوائية حيث يكون الغلاف الأيوني أكثر نشاطا، وتكمن أجزاء كثيرة من رنين النار في خطوط العرض الاستوائية، مما يتطلب تقنيات تجهيز متقدمة للحفاظ على الدقة.
مدى ملاءمة البيانات وتجهيزها
ويتطلب رصد النظام العالمي لتحديد المواقع في الوقت الحقيقي نقل البيانات المنخفضة السرعة والتصويرات السريعة التجهيز، وفي المناطق التي تتسم بضعف الربط الشبكي، قد تتأخر البيانات أو تضيع، مما يقلل من فعالية نظم الإنذار المبكر، ويعمل الباحثون على إيجاد حلول حاسوبية حافة تجهز البيانات محليا في محطة الرصد للحد من الرطوبة.
صيانة المعدات في بيئات هرش
وتواجه محطات تحديد المواقع في رينغ النار ظروفاً بالغة الشدة، والرماد البركاني، والرذاذ الملحي، والهزز السيزمي، وتتطلب صيانة مئات أو آلاف المحطات عبر المناطق النائية والخطرة بذل جهد لوجستي كبير، ويجب تفتيش الألواح الشمسية والبطاريات والحيوانات بانتظام، واستبدالها لضمان استمرار التشغيل.
الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة
وتتواصل تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع تطورا، وسيزداد دورها في رسم خرائط لسقوط النار في المحيط الهادئ بقدرات جديدة.
التكامل مع برمجيات أخرى لنظم المعلومات العالمية
جهاز تحديد المواقع بالولايات المتحدة يكمله الآن نظام GLONASS الروسي، وGLAleo أوروبا، وS China's BeiDou، وReceivers that can track multiple constellations achieve better accuracy, reliable, and coverage, especially in challenging environments.
Seafloor Geodesy
ويقتصر معظم عمليات رصد النظام العالمي لتحديد المواقع على المحطات البرية، ولكن معظم النشاط السيزمي في رنين النار يحدث في الخارج، ويستخدم الجيوديسيا قاع البحار الطيف الصوتي، والبويارات المجهزة بشبكة GPS لقياس التشوهات في قاع المحيط، وقد نشرت اليابان شبكات لتحديد المواقع على امتداد منطقة نانكاي ترو وترينش اليابانية، كما يجري بذل جهود مماثلة في إطار نظم كاسكاديا الفرعية.
التعلم في مجال الآلات والتحليل الآلي
إن حجم بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع التي يتم جمعها عبر رنين النار هائل، ويجري تطوير خوارزميات تعلم الآلات للكشف تلقائيا عن الشذوذ، وتصنيف أنماط التشوهات، وإصدار إنذارات، ويمكن لهذه الأدوات أن تجهز البيانات بسرعة أكبر من المحللين البشريين، مما يتيح إجراء تقييم شبه دقيق لظروف الخطر المتغيرة، كما يمكن أن تُتوقع نماذج التعلم العميق التي تم تدريبها على السلسلة الزمنية التاريخية للنظام العالمي لتحديد المواقع احتمال حدوث حالات تباطؤ وتسريع.
For further reading on the technologies discussed, refer to the UNAVCO] GPS network resources, the USGS Earthquake Hazards Program, and the Geospatial Information Authority of Japan].
خاتمة
وقد أصبحت تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع أداة لا غنى عنها لرسم خرائط ورصد عملية إطلاق النار في منطقة المحيط الهادئ، ومن تتبع تحركات الصفائح التكتونية واكتشاف الظواهر البطيئة التي تُرتكب لدعم نظم الإنذار المبكر بالزلازل والتنبؤ بالثورة البركانية، يوفر النظام العالمي لتحديد المواقع البيانات الدقيقة والمستمرة والموثوقة اللازمة لفهم العمليات الدينامية التي تشكل هذه المنطقة الخطرة، وقد أدى توسيع شبكات النظام العالمي لتحديد المواقع الكثيفة عبر رنين لبلدان الإطفاء إلى تحسين التأهب للكوارث، وتحسين المعارف العلمية المتطورة، وتوفير المعارف، وفي نهاية المطاف، كما توفر، كما توفر،
ومع تزايد تقنيات التجهيز والتجهيز بواسطة السواتل، فإن دور النظام العالمي لتحديد المواقع في الرصد الجيوديسي لن يعزز إلا، فالقدرات الناشئة في مجال الجيوديسيا البحرية، والتكامل المتعدد النظم العالمية لسواتل الملاحة، وتحليل البيانات الآلي يعد بتقديم أفكار أعمق عن سلوك الأخطاء والبراكين، وبإطلاع سكان المحيط الهادئ على الرنين المائي لظاهرة النظام العالمي لتحديد المواقع، يقوم العلماء ببناء مستقبل أكثر أمانا لمئات الملايين من البشر.