النظام العالمي لتحديد المواقع ودراسة النظام العالمي لتحديد المواقع فولكانية وتدفقات لافا

وقد أدى النظام العالمي لتحديد المواقع إلى ثورة الطريقة التي يرصد بها العلماء النشاط البركاني وتدفقات الحمم في جميع أنحاء العالم، وهذه التكنولوجيا المتقدمة القائمة على السواتل توفر الدقة غير المسبوقة في قياس التحركات الأرضية، مما يتيح لعلماء البركان فهما أفضل للسلوك البركاني، والتنبؤ بالثورات المحتملة، وحماية المجتمعات التي تعيش بالقرب من البركانات النشطة، وعندما تتراكم أو تتحول إلى مؤشرات أخرى في المستقبل تحت بركان.

فهم التحلل الأرضي البركاني

قياسات التشوهات الأرضية تقدم مؤشراً هاماً عما يحدث تحت بركان، حيث تتراكم الماما في خزان تحت الأرض قبل انفجار سطح الأرض عادةً ما يتضخم (يسمى التضخم) وتحدث عملية التضخم هذه عندما تدخل الماما المغناطيسية النظام البركاني أو الغازات المسببة للضغط، وإذا ما دخلت الماجورة النظام أو الغازات، تصبح ضغطاً عالياً

إن التشوهات السطحية الأرضية معترف بها كمؤشر موثوق به لثوران وشيك ويمكن أن تعطي دلائل للعمليات المغنطة على عمق، وبرصد دقيق لهذه التغييرات الخفية في سطح الأرض، يمكن للعلماء الحصول على أفكار قيمة عما يحدث في أعماق نظام السباكة البركانية، مما قد يوفر علامات إنذار مبكر بالغة الأهمية على حدوث انفجار وشيك.

How GPS Technology Works for Volcano Monitoring

The Basics of GPS Volcano Monitoring

ولإستخدام بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع لرصد البركان، توضع أجهزة استقبال متعددة حول بركان كشبكة للنظام العالمي لتحديد المواقع، وفي بعض المواقع يتم تركيب الأجهزة بصورة دائمة وتسجيل البيانات باستمرار، وتختلف نظم النظام العالمي لتحديد المواقع المتخصصة اختلافا كبيرا عن الأجهزة التي توجد في أجهزة خدمة المستهلك في الهواتف الذكية ونظم الملاحة بالمركبات.

وفي حين أن أجهزة استقبال المواقع غير المكلفة نسبيا، مثل تلك الموجودة في نظم الملاحة بالمركبات، والهواتف الذكية، والوحدات المحملة باليد، يمكن أن تحدد موقعها على سطح الأرض في غضون بضعة أمتار، مع وجود أجهزة استقبال أكثر تطورا وتقنيات تحليل البيانات، يمكن تحديد مواقع أجهزة الاستلام على أقل من سنتيمتر (خطورة جهاز تحديد المواقع)، وهو أمر هام جدا عندما يستخدم كتقنية رصد بركانية.

نظام تحديد المواقع على نحو مستمر

وتستخدم الشبكة العالمية لتحديد المواقع في أحد الواسطتين: مستمرة ومسحية، وتستخدم النظم العالمية لتحديد المواقع باستمرار أجهزة استقبال وهوائيات ثابتة في مواقع ثابتة لتتبع حركة محطات محددة عبر الزمن، وتعمل هذه المحطات على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، وتوفر تدفقا غير متقطعا للبيانات التي يمكن للعلماء تحليلها لأي علامات تدل على وجود اضطرابات بركانية.

ومن ناحية أخرى، يتضمن نظام تحديد المواقع الذي يُستخدم في المسح قياسات دورية عند نقاط مرجعية ثابتة، ويقوم العلماء بزيارة هذه المواقع على فترات منتظمة - وغالبا ما تكون سنويا أو خلال أحداث بركانية محددة - لجمع البيانات للمقارنة مع مرور الوقت، وفي حديقة هاواي الوطنية للبراكين، يستكمل أكثر من 50 محطة من محطات النظام العالمي لتحديد المواقع المستمرة بأكثر من 100 موقع تشغل لمدة بضعة أيام أثناء الحملات السنوية أو الحملات المتعلقة بالنظام العالمي لتحديد المواقع، وهذا الجمع المحتمل

تشكيلة الشبكة وتحليل البيانات

ويمكن للعلماء، بالنظر إلى البيانات التي ترد من جهاز استقبال واحد على مدى فترة زمنية، أن يحددوا ما إذا كان السطح الأرضي قد تحرك (تحلل)، ومن خلال الجمع بين البيانات التي يتم جمعها من شبكة نظام تحديد المواقع، أن يكون من الممكن الحصول على نظرة أكبر عن المناطق التي ينتقل سطح البركان فيها وكذلك سرعة الحركة واتجاهها؛ ويمكن استخدام هذه الصورة الواسعة النطاق لتشوه البركان من أجل بناء نموذج لما يحدث.

ويمكن أن تقيس الشبكة بدقة كلا من الحركة الأفقية والرأسية، كما أن النظام العالمي لتحديد المواقع وسائر الأدوات المستخدمة لقياس التشوهات قد تكشف الحركة في بركان قبل حدوث أي زلازل، وقد تتسارع هذه التغييرات في الشكل مباشرة قبل حدوث انفجار، مما يجعل النظام العالمي لتحديد المواقع أداة رصد قيمة، وهذه القدرة على كشف التشوهات السابقة للزلزات قيمة بوجه خاص، حيث أنه يمكن أن يوفر وقتا إضافيا للإنذار قبل أن يُستنزف النشاط البركاني.

رصد التشهير الأرضي في البركانات النشطة

Detecting Magma Movement

محطات تحديد المواقع التي تم تركيبها حول البركانات تتابع باستمرار التشوهات الأرضية بمرور الوقت، تزود العلماء ببيانات حرجة عن حركة المغناطيس تحت سطح الأرض، التغييرات في موقع هذه المحطات يمكن أن تشير إلى تراكم الماما أو الهجرة تحت السطح، والتي قد تشير إلى حدوث ثورة مُزمعة، قياسات الشبكة العالمية يمكن استخدامها لتقدير موقع وكمية حركة المغناطيس المتراكمة تحت السطح، على سبيل المثال،

شبكات النظام العالمي لتحديد المواقع اليوم تسجل البيانات في الوقت الحقيقي وكشف التغيرات السريعة المرتبطة بالمغناطيس المتجه نحو السطح في الساعات إلى الأيام قبل الانفجار هذه القدرة في الوقت الحقيقي تمثل تقدما كبيرا في رصد البركان، مما يتيح للعلماء الاستجابة بسرعة للظروف المتغيرة وإصدار إنذارات في الوقت المناسب للسكان المعرضين للخطر.

دراسات الحالة: قصص النجاح في النظام العالمي لتحديد المواقع

وقد ثبتت فعالية رصد النظام العالمي لتحديد المواقع في العديد من البركانات في جميع أنحاء العالم، وأنشأت دراسة أجريت في عام 2015 أداة تتعقب الانكماش والتوسع في البركانات التي تتضمن بيانات التشوه السطحي في الوقت الحقيقي، ويمكنها رصد ديناميات حركة المغناطيس في ثوان؛ وطبق فريق الباحثين أداتهم على انفجار المغناطيس في صقلية عام 2008 كمثال، واستعمال بيانات عن التحولات في عام المغناطيسي.

في بركان (كلاوي) في (هاواي) كشف رصد النظام العالمي لتحديد المواقع عن رؤية رائعة للعمليات البركانية، معدل إمداد المغناطيس القادم تحت بركان، هو عامل رئيسي للتنبؤ بنشاطه الإنفجاري، ودراسة عام 2012 استخدمت بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع بالإضافة إلى (إنسار) وكيمياء الغاز، لتقدير معدل إمداد المغناطيس في فترة (كيليوا)

وقد كان من المعروف منذ زمن طويل أن الطرف الجنوبي من كِيْلاوا ينتقل بحريا بمعدل عدة سنتيمترات (بضعة بوصات) في السنة؛ وهذا الاقتراح مستمر، ولكن رصد النظام العالمي لتحديد المواقع قد اكتشف أيضاً حلقات متفرقة من الحركة المعجلة كل سنتين، المعروفة بزلزال بطيء، فإن هذا الاقتراح يحدث أكثر من يومين وسيعادل زلزالاً قدره 5.5 ملم إذا ما حدث في وقت واحد.

دورات التضخم والتفشي

من أهم الظواهر التي تكشف عنها رصد النظام العالمي لتحديد المواقع هو تضخم و انكماش البركانات خلال التضخم، نقاط على سطح البركان تتحرك نحو أعلى وخارجه حيث يتراكم الماما في خزانات تحت سطح الأرض، وخلال الانكماش، تتحرك نفس النقاط إلى الأسفل وداخلها حيث ينزف المغناطيس أو ينفجر في السطح.

وتوفر أنماط التشوه هذه معلومات حاسمة للتنبؤ بالانفجار، ويمكن استخدام التشوهات الأرضية الجاهزة للتنبؤ بالمكان، وبحظ، بحجم الانفجار، وقد أدت القدرة على كشف هذه التغييرات الفرعية وتفسيرها إلى تحسين كبير في تقييم المخاطر البركانية والتخطيط للاستجابة لحالات الطوارئ في جميع أنحاء العالم.

تعقب ورسم خرائط لتدفقات لافا

وبالإضافة إلى رصد التشوهات الأرضية، تؤدي تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع دورا حيويا في رسم خرائط لمدى حركة تدفقات الحمم أثناء الانفجارات البركانية، ويستخدم علماء البركان بصورة روتينية أجهزة استقبال تابعة للنظام العالمي لتحديد المواقع لتحديد تدفقات الحمم وغيرها من السمات البركانية، ويمكنهم الآن استخدام أجهزة استقبال متخصصة في النظام العالمي لتحديد المواقع وبرامجيات التحليل المتطورة لتتبع التحركات الأرضية الخفية التي تسبق حدوث اندلاع.

وخلال الانفجارات النشطة، يستخدم العلماء معدات النظام العالمي لتحديد المواقع من أجل تحديد حدود تدفق الحمم بدقة، وتوثيق مدى انتشارها وسرعةها واتجاهها، وهذه المعلومات بالغة الأهمية لتقييم المخاطر والتخطيط للاستجابة لها، ومساعدة مديري الطوارئ على تحديد المناطق المعرضة للخطر، وعندما يكون الإجلاء ضروريا، كما أن البيانات المكانية الدقيقة التي يتم جمعها من خلال رسم خرائط النظام العالمي لتحديد المواقع تسهم أيضا في إجراء دراسات طويلة الأجل عن السلوك البركاني وتساعد على تحسين نماذج ديناميات تدفق النفايات.

ويوفر رسم خرائط لتدفقات الحمم بيانات قيمة لفهم معدلات الانفجارات والأحجام، إذ يمكن للعلماء، من خلال إجراء مسح متكرر للمناطق نفسها على مر الزمن، أن يحسبوا مدى انتشار الحمم وسرعة إنتاجه، وتساعد هذه المعلومات علماء البركان على فهم نظام إمداد الماجما الذي يغذي الانفجار ويمكن أن يقدموا معلومات عن طول فترة الانفجار التي يمكن أن تستمر.

التكامل مع تقنيات الرصد الأخرى

GPS and InSAR: Complementary Technologies

وتشمل الأدوات الجيوديسية مواصلة تسجيل نظام السواتل العالمي للملاحة الجوية، الذي يمثل نظام تحديد المواقع العالمي بالولايات المتحدة مثالاً على ذلك، ومطياف الثقوب، وقياسات الرادارات الاصطناعية المتقاطعة (الفريق) (من السواتل، ونظم الطائرات المحتلة وغير المشغلة، والمجسّسات الأرضية)، بينما تقدّم الشبكة العالمية لتحديد المواقع قياسات مكمّلة بدقة في مواقع محددة، في منطقة الإبلاغ الوطني.

لأنّ (إن سار) يكتشف تشوهات في مناطق واسعة، إنّها أداة ممتازة لرسم خرائط التغيرات الكبيرة والصغيرة، و(مونا لوا)، (إن سار) يساعد العلماء على اكتشاف التحولات الخفية في أسلوب تشويه البركان، وتركيب الحل الزمني للنظام العالمي لتحديد المواقع والتغطية المكانية لـ(إنسار) يوفر رؤية شاملة للتشوه البركاني الذي لا يمكن لأيّ من التقنيين تحقيقه وحدها.

نهج الرصد المتعدد المستويات

وقد أظهرت التجربة أنه لا توجد تقنية رصد جيوديسي واحدة كافية لكشف وتتبع كامل نطاق أنماط الحركة الأرضية التي تحدث في البركانات، وذلك أساسا بسبب التنوع الزمني والمكاني لتشوهات البركان؛ وبالمثل، فإن حجم التشوه السطحي يتباين تباينا كبيرا، ولذلك ينبغي أن تشمل استراتيجيات الرصد الجيوديسية تقنيات متعددة وأنواع أدوات تغطي طائفة واسعة من الجداول المكانية والزمنية.

ويتطلب الرصد الفعال للبراكين إدماج بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع مع معلومات من أجهزة قياس السيزموم، ومجس الغاز، والكاميرات الحرارية، وغيرها من الأدوات، حيث يجمع النظام العالمي لتحديد المواقع مع الزلازل، وانبعاثات الغاز، والتغيرات في كيمياء المياه حول البركان، يرسم صورة أفضل مما يجري تحت السطح، ويوفر هذا النهج المتعدد المستويات فهما أكمل للعمليات البركانية ويحسن من موثوقية حدوثها.

إن النظام العالمي لتحديد المواقع، والنمر، ونظام إنسار (رادار ساتلي) هي الأساليب الرئيسية المستخدمة اليوم لتتبع حركة الأرض، ولكل تقنية مواطن القوة والقيود التي تكتنفها، وباستعمالها معا، يمكن للعلماء التغلب على نقاط الضعف في فرادى الأساليب وكسب صورة أكثر شمولا للنشاط البركاني.

مزايا نظام تحديد المواقع لرصد البركان

الدقة العالية والاستحقاقات

وتتمثل الميزة الرئيسية للنظام العالمي لتحديد المواقع على جميع أساليب رصد التشوهات الأخرى في القدرة على قياس التشريد الأفقي والرأسي في آن واحد في إطار التراكمات التي تضم بضعة مليمترات، وهذا الدقة الاستثنائية يسمح للعلماء بالكشف عن أقل تحركات أرضية قد تدل على حدوث تغيرات في النشاط البركاني، وقدرة الموقع الثلاثي الأبعاد للجهاز العالمي لتحديد المواقع ذات قيمة خاصة، حيث إن التشوهات البركانية كثيرا ما تنطوي على أنماط معقدة من الحركة في اتجاهات متعددة.

إن النظام العالمي لتحديد المواقع هو الأداة النهائية لقياس التشريدات الثلاثة الأبعاد، ولذلك ليس من المدهش أن النظام العالمي لتحديد المواقع هو حالياً الطريقة المهيمنة لرصد التشوهات في البركان، وقدرة التكنولوجيا على توفير قياسات دقيقة في جميع الأبعاد المكانية الثلاثة تجعل من الضروري فهم أنماط التشوه المعقدة المرتبطة بحركة الماغم والاضطرابات البركانية.

بيانات عن الوقت الحقيقي والرصد المستمر

ومن أهم مزايا النظم الحديثة لتحديد المواقع قدرتها على توفير بيانات في الوقت الحقيقي، وتختبر منظمة HVO و CVO قدرة جديدة، ورصد بركان في الوقت الحقيقي، يتوقع أن يحسن من قدرتنا على التنبؤ بالثورات، ويتيح رصد النظام العالمي لتحديد المواقع في الوقت الحقيقي للعلماء الكشف عن التغيرات في النشاط البركاني والتصدي لها عند حدوثها، بدلا من انتظار نتائج المسح الدورية.

ويمكن أن تكون قياسات التشوهات الأرضية للنظام العالمي لتحديد المواقع مستمرة، وآلية، وتُجرى في جميع الأحوال الجوية، وتوفر نتائج لتحديد المواقع على ثلاثة مستويات، كما أن ارتفاع القدرة على الحاسوب يعني أيضا أن الرياضيات المعقدة اللازمة لتجهيز خطوط الأساس للنظام العالمي لتحديد المواقع يمكن معالجتها بسهولة في الوقت الحقيقي القريب، وهذه القدرة على الرصد المستمر الآلي لها أهمية خاصة بالنسبة للبراكين التي قد تظهر تغيرات سريعة في النشاط مع تحذير ضئيل.

العملية الانتقالية

وبمجرد تركيب شبكة من مصادر القدرة على إحداث الاحتراق، لا يلزم وجود بشري في منطقة بركانية خطرة، وهذه القدرة على الرصد عن بعد حاسمة في الحفاظ على مراقبة البركانات الخطرة دون تعريض العلماء والتقنيين للخطر، ويمكن لمراكز النظام العالمي لتحديد المواقع أن تعمل بشكل مستقل لفترات طويلة، وتديرها الألواح والبطاريات الشمسية، وترسل البيانات عبر وصلات إذاعية أو ساتلية إلى مراكز الرصد.

وبالإضافة إلى ذلك، لا يوجد أي حاجة إلى تداخل المحطات داخل شبكة نظام تحديد المواقع، ويمكن قياسها في جميع الأحوال الجوية، و 24 ساعة يوميا، وفوق مسافات طويلة نسبيا، وجهاز تحديد المواقع مناسب تماما للعمل تلقائيا في بيئة نائية تبثها البطاريات والألواح الشمسية، مع نقل البيانات المأخوذة من السجلات إلى مكتب عن طريق وصلة إذاعية، وهذه المرونة التشغيلية تجعل النظام العالمي لتحديد المواقع مثاليا لرصد البركانيات في بيئات النائية أو التي تنطوي على تحديات أخرى.

التكلفة - الأثر وإمكانية الوصول

ويعتبر رصد التشوهات الأرضية أحد أكثر الأدوات فعالية للتحقيق في سلوك البركانات النشطة، وانخفاض تكلفة معدات النظام العالمي لتحديد المواقع، إلى جانب زيادة موثوقية التكنولوجيا، مما ييسر هذه التطبيقات المطلة، وفي حين أن معدات النظام العالمي لتحديد المواقع ذات الدقة العالية لا تزال أكثر تكلفة من الأجهزة التي تستخدمها خدمة المستهلك، فإن التكاليف قد انخفضت كثيرا على مر السنين، مما جعل شبكات الرصد الشاملة أكثر سهولة في الوصول إلى المراصد البركانية في جميع أنحاء العالم.

ويحتاج جهاز استقبال وهائي للنظام العالمي لتحديد المواقع إلى نحو 000 4 دولار، كما أن المواقع المستمرة للنظام العالمي لتحديد المواقع تتطلب بطاريات، وألواح شمسية، وقياساً عن بعد إذاعية بتكلفة تبلغ نحو 000 3 دولار لكل موقع، وهذه التكاليف، وإن كانت كبيرة، معقولة بالمقارنة مع الخسائر الاقتصادية والبشرية المحتملة التي يمكن أن تنجم عن انفجار بركاني غير متوقع، ويمكن للاستثمار في البنية الأساسية لرصد النظام العالمي لتحديد المواقع أن ينقذ الأرواح ويحمي الممتلكات عن طريق الإنذار المبكر بالاضطرابات البركانية.

الجوانب التقنية لرصد البركان في النظام العالمي لتحديد المواقع

المعدات والتركيب

ويتطلب إنشاء شبكة رصد للنظام العالمي لتحديد المواقع على بركان من البركان تخطيطا دقيقا ومعدات متخصصة، ويجب على العلماء اختيار مواقع مناسبة لمحطات النظام العالمي لتحديد المواقع توفر تغطية جيدة للشهادة البركانية مع بقاءها في متناول التركيب والصيانة، ويجب أن تكون المحطات مثبتة على أساس ثابت لضمان أن تعكس القياسات التشوهات الأرضية الفعلية بدلا من عدم الاستقرار أو حركة النصب المحلية.

ويتألف كل محطة مستمرة من عدة عناصر رئيسية: هوائي عالي الدقة للنظم العالمية لتحديد المواقع ثابتاً على الأرض، ومتلقي للشبكة العالمية لتحديد المواقع يتتبع إشارات من السواتل، ونظام للطاقة (اللوحات الشمسية والبطاريات) ونظام القياس عن بعد لنقل البيانات إلى مركز الرصد، ويجب تحديد موقع الهوائي بدقة وتحديده بأمان لتقليل أي حركة يمكن أن تستحدث أخطاء في القياسات إلى أدنى حد.

تجهيز البيانات وتحليلها

على الرغم من أن رسوم بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع المجهزة على موقع (هاف أو) العام تبدو كسلسلة بسيطة من "بولاكا دوت" هناك الكثير من الأشياء التي تدور حول القصة، إنها عملية معقدة تتطلب معدات عالية الدقة، وبرامجيات متقدمة، وقدرات حاسوبية قوية، وتجهيز بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع لتحقيق الدقة على مستوى الطاحونة يتطلب مقاييس متطورة تُستأثر بالعديد من مصادر الخطأ وعدم اليقين.

ويجب أن يصحح العلماء آثار الغلاف الجوي، وأخطاء المدار الساتلي، وتحيزات الساعة، والعديد من العوامل الأخرى التي يمكن أن تؤثر على دقة قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع، ويستخدم برنامج التجهيز إشارات من سواتل متعددة في وقت واحد لحساب مواقع ثلاثية الأبعاد بدقة، وبالنسبة لكل نقطة على رسم بياني يومي للنظام العالمي لتحديد المواقع، يستخدم 24 ساعة كاملة من البيانات، بل هناك المزيد من التعقيد لتوليد أكبر عدد من المواقع الضبابية.

استراتيجيات تصميم الشبكات

خلال السنوات القليلة الماضية تم وضع منهجية لتجهيز البيانات التي جمعتها شبكات النظام العالمي لتحديد المواقع والتي تتألف من مجموعة مختلطة من أجهزة استقبال التردد الواحد وأجهزة استقبال التردد المزدوج؛ الاستراتيجية هي نشر عدد قليل من محطات النظام العالمي لتحديد المواقع الدائمة، ذات التردد المزدوج، وأجهزة استقبال من الدرجة الجيوديسية المحيطة بشبكة داخلية من أجهزة الاستقبال المنخفضة التكلفة، وهذا النهج يسمح للمرصدات البركانية بأن تزيد من التغطية.

ويتوقف عدد وتوزيع محطات تحديد المواقع على مستوى التهديد بالبركان وأهداف الرصد، وكقاعدة للابهام والبراكين في هاتين الفئتين من فئات التهديدات، سيتطلب ما لا يقل عن ١٢-٢٠ محطة سيزمية دائمة في غضون ٢٠ كيلومترا من التهوية البركانية الرئيسية، بما في ذلك عدة محطات قريبة جدا من الفتحة؛ وإجراء دراسات استقصائية روتينية عن التشهير، وتسجيل محطات أكبر من محطات الرصد ذات الكثافة العالية للنظم العالمية.

تطبيقات تتجاوز رصد التشهير التقليدي

Detecting Volcanic Ash Plums

وقد كشفت البحوث الأخيرة أن تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع يمكن أن توفر معلومات تتجاوز قياسات التشوهات الأرضية، وقد وجدت دراسة أجريت في عام 2017 أن بيانات مؤشر النظم العالمية لسواتل الملاحة إلى نسبة الضوضاء يمكن استخدامها لكشف ارتفاع سباك الرماد من بركاني ريدوبت وإيتا؛ ووجد الباحثون أن أجزاء كبيرة من الرماد تؤثر على الإشارة الساتلية التي تصل إلى محطة الصواريخ العالمية خلال الانفجارات البركانية، مما يؤدي إلى انخفاض في نسبة الإشارات إلى الضوضاء.

ويوضح هذا التطبيق الابتكاري كيف يمكن تحليل بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع بطرق جديدة لاستخراج معلومات إضافية عن النشاط البركاني، وقدرة الكشف عن السباكات باستخدام الهياكل الأساسية القائمة للنظام العالمي لتحديد المواقع على نحو يزيد من قيمة شبكات الرصد ويوفر أداة أخرى لتتبع الاندلاع في الوقت الحقيقي.

رصد الانهيالات الأرضية البركانية وعدم الاستقرار

وفي كثير من المراكب الكبيرة (مثلاً، مدفعية المدفعية)، تشكل الانهيارات النكهة والانهيارات الأرضية مخاطر جغرافية كبيرة قد تحدث حتى في غياب النشاط المغنطييسي، وبالتالي فإن رصد استقرار البركانيات هو تطبيق حاسم آخر لشبكات الرصد الجيوديسي لإبلاغ تقييم المخاطر، ويمكن لشبكات النظام العالمي لتحديد المواقع أن تكتشف الانهيالات الأرضية البطيئة ومجالات عدم الاستقرار على المزلاجات البركانية المحتملة للإنذار المبكر.

وقد أظهر ثورة جبل سانت هيلانز في عام 1980 أهمية رصد التشوهات البركانية لكشف عدم الاستقرار النكهائي، وفي أوائل عام 1980، ظهر انفجار في الجانب الشمالي من جبل سانت هيلانز، وهو بركان في ولاية واشنطن؛ وفي أواخر آذار/مارس، كان المصباح ينمو على بعد مترين تقريبا في اليوم، وفي 17 أيار/مايو، كان الانتفاخ قد زاد بأكثر من 130 مترا من شبكات الإنذار المسبق.

Global Examples of GPS Volcano Monitoring

فولكان هاواي

مرصد (هاواي) البركاني يعمل أحد أشمل شبكات رصد النظام العالمي لتحديد المواقع في العالم، ويشغل أكثر من 70 محطة دائمة ومستمرة للنظم العالمية لتحديد المواقع في جزيرة هاواي، تجمع البيانات كل يوم، بالإضافة إلى أن علماء الـ(هافو) يجمعون قياسات المسح في 50 إلى 70 نقطة قياسية أخرى لمدة يومين في السنة، وهذه الشبكة الواسعة توفر تغطية مفصلة لـ (كيلي) و(ماونا لوا)

وقد أسهمت البيانات المستمدة من هذه الشبكة في تحقيق العديد من التقدم العلمي في فهم العمليات البركانية، فقد كانت قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع ذات الدقة العالية أداة رئيسية تستخدمها مرصد بركان هاواي التابع لوكالة الأمن العام، وأصبح العلماء يعتمدون على مواقع النظام العالمي لتحديد المواقع اليومية لرصد التغيرات في شكل البركانات وفهم تخزين الماغي وحركة تحت الأرض.

التطبيقات الدولية

وقد تم بنجاح تنفيذ عملية رصد البراكين في العديد من البركانات في جميع أنحاء العالم، ومن جبل إيتنا في إيطاليا إلى البركان في إندونيسيا، اليابان، وفي جميع أنحاء منطقة المحيط الهادئ، توفر شبكات النظام العالمي لتحديد المواقع بيانات هامة لمرصدات البركان، وكان الهدف من هذا المشروع هو إثبات أن نظام الرصد المستمر لجهاز تحديد المواقع الجغرافية المنخفض التكلفة هو وسيلة مناسبة لرصد التشهير الأرضي لمساعدة الدراسات البركانية مثل البركانية.

وقد أدى نجاح رصد النظام العالمي لتحديد المواقع في مختلف البيئات البركانية إلى اعتماده كأداة موحدة للمرصدات البركانية في جميع أنحاء العالم، وقد زاد التعاون الدولي وتبادل البيانات من تعزيز قيمة رصد النظام العالمي لتحديد المواقع، مما أتاح للعلماء مقارنة الملاحظات من البركانات المختلفة وتحسين فهمهم للعمليات البركانية على الصعيد العالمي.

التحديات والحدود

التحديات البيئية والتقنية

وعلى الرغم من مزاياه الكثيرة، يواجه رصد البراكين في النظام العالمي لتحديد المواقع عدة تحديات، إذ يمكن أن تلحق الظروف البيئية الهشة بالبراكين أضراراً بالمعدات، مما يتطلب الصيانة والاستبدال بصورة منتظمة، كما أن درجات الحرارة الشديدة والغازات البركانية التآكلية، والثلوج الثقيل، والإضراب عن البرق يمكن أن تؤثر جميعها على أداء محطة GPS وعلى طولها، ويجب على العلماء تصميم منشآت قوية يمكنها أن تصمد في هذه الظروف مع الحفاظ على الدقة في القياس.

ويمكن للتدخل اللافتي والآثار المتعددة المضارب، حيث ترتفع إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع من السطح القريب قبل الوصول إلى الهوائي، أن يُدخل أخطاء في القياسات، ويساعد اختيار المواقع بعناية وتصميم الهوائي على التقليل إلى أدنى حد من هذه الآثار، ولكنهما يظلان موضع اعتبار في تخطيط الشبكات وتجهيز البيانات.

تعقيدات تفسير البيانات

وتحتاج بيانات التشوهات التي تفسر النظام العالمي لتحديد المواقع إلى الخبرة والتحليل الدقيق، ولا ينجم عن جميع التشوهات الأرضية عمليات استئصال حركة الماغي، وتغيرات المياه الجوفية، والانهيالات الأرضية، وغيرها من العوامل التي يمكن أن تسبب أيضاً التشريد السطحي، ويجب على العلماء تحليل بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع بعناية بالاقتران مع معلومات الرصد الأخرى لتفسير أسباب التشوه الملحوظ تفسيراً صحيحاً.

والعلاقة بين التشوه السطحي وحركة الماغي السطحية معقدة وليست مباشرة دائما، فالنموذج الرياضي مطلوب لفحص موقع وحجم وسلوك أجسام الماما من القياسات السطحية، وهذه النماذج تنطوي على افتراضات وحالات عدم يقين يجب النظر فيها بعناية عند وضع توقعات للانفجار.

حدود التغطية

ولا توفر الشبكة العالمية لتحديد المواقع إلا قياسات في مواقع محددة يتم فيها تركيب أجهزة استقبال، وفي حين يمكن للشبكات أن تشمل عشرات المحطات أو حتى مئات المحطات، فإن التغطية تكون دائماً في حالة وجود ثغرات، وهذا هو المكان الذي تصبح فيه التقنيات التكميلية مثل " إنسار " قيمة، وتوفر التغطية المكانية بين محطات النظام العالمي لتحديد المواقع، غير أن الطبيعة القائمة على النقاط المرجعية للنظام العالمي لتحديد المواقع تعني أن التشوه المحلي بين المحطات قد لا تتوفر فيه كثافة شبكة كافية.

التطورات والابتكارات في المستقبل

السلف في تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع

وتتطور تكنولوجيا نظام تحديد المواقع مع تحسن في حساسية أجهزة الاستلام، وتجهيز الخوارزميات، وقدرات نقل البيانات، وتوسيع نظم الملاحة الساتلية خارج نطاق النظام العالمي لتحديد المواقع، بما في ذلك نظام غاليليو الأوروبي، ونظام غلوناس الروسي العالمي، وشركة بيدو الصينية، وغيرها من النظم التي توفر المزيد من السواتل لأغراض عمليات حساب المواقع، مما قد يؤدي إلى تحسين الدقة والموثوقية.

وقد قامت المنظمة بتحسين برمجياتها لتجهيز البيانات المتعلقة بالنظام العالمي لتحديد المواقع إلى آخر مجموعة من البرامج؛ وهي مصممة لتكون أكثر دقة ودقيقة وسهلة الاستعمال ومرنة، ولا تزال المنظمة في مقدمة جمع وتجهيز البيانات المتعلقة بالنظام العالمي لتحديد المواقع لرصد البركانات النشطة في هاواي وساموا الأمريكية ولفهم مخاطرها على أفضل وجه، مع تعزيز المعرفة العلمية والتقليل من الآثار السلبية للثورات البركانية على أمل.

التعلم في مجال الآلات والتحليل الآلي

وقد بدأت تطبيقات المعلومات الاستخبارية الفنية وأجهزة التحصيل الآلي على بيانات رصد البراكين في النظام العالمي لتحديد المواقع، ويمكن لهذه الأدوات أن تساعد على تحديد أنماط التحلل الخفية التي قد تفتقدها أساليب التحليل التقليدية، والتي يمكن أن تؤدي إلى تحسين التنبؤ بالانفجار، ويمكن للنظم الآلية أن تجهز البيانات في الوقت الحقيقي وأن تحذر العلماء من التغييرات الهامة، مما يتيح الاستجابة السريعة للاضطرابات البركانية.

ويمكن لنهج التعلم من الآلات أن تساعد أيضا على التمييز بين مختلف أنواع إشارات التشوه، وفصل العمليات البركانية عن الحركات التكتونية، والآثار الموسمية، والمعاملات الأثرية المفيدة، ومع نضج هذه التقنيات، فإنها تعد بتعزيز قيمة بيانات رصد النظام العالمي لتحديد المواقع وتحسين قدرتنا على التنبؤ بالثورات البركانية.

التكامل مع التكنولوجيات الناشئة

ومستقبل رصد البركان يكمن في إدماج النظام العالمي لتحديد المواقع مع التكنولوجيات الناشئة الأخرى، ويمكن للنظم الجوية غير المأهولة المجهزة بنظام تحديد المواقع أن توفر رسما سريعا للملامح والتغييرات البركانية، ويمكن لنظم الاستشعار عن طريق التداول أن تكمل النظام العالمي لتحديد المواقع عن طريق توفير قياسات موزعة للإجهاد، وتوفر النظم الساتلية المتقدمة حلا زمنيا ومكانيا محسنا لرصد التشوهات.

ويضع الجمع بين هذه التكنولوجيات والرصد التقليدي للنظام العالمي لتحديد المواقع نهجا شاملا متعدد الجوانب لفهم العمليات البركانية، ومع تحسن زيادة الطاقة الحاسوبية وتقنيات تحليل البيانات، سيكون بوسع العلماء الحصول على مزيد من المعلومات من نظام تحديد المواقع والبيانات ذات الصلة، مما يؤدي إلى التنبؤات بثورة أفضل وتحسين التخفيف من المخاطر.

التطبيقات العملية للتخفيف من حدة الأخطار

نظم الإنذار المبكر

ويؤدي رصد النظام العالمي لتحديد المواقع دورا حاسما في نظم الإنذار المبكر البركانية، إذ إن شبكات النظام العالمي لتحديد المواقع، من خلال الكشف عن التحلل الأرضي الذي يسبق حدوث الانفجارات، توفر وقتا قيّما لمديري الطوارئ لتنفيذ تدابير الحماية، وقد يشمل ذلك إجلاء السكان المعرضين للخطر، وإغلاق الوصول إلى المناطق الخطرة، وإصدار إنذارات الطيران، أو تفعيل خطط الاستجابة لحالات الطوارئ.

إن طبيعة الرصد الحالي للنظام العالمي لتحديد المواقع تعني أن الإنذارات يمكن أن تصدر بسرعة مع تغير الظروف، وهذا أمر مهم بصفة خاصة بالنسبة للبراكين القريبة من المناطق المأهولة بالسكان، حيث يمكن للإنذارات في الوقت المناسب أن تنقذ الأرواح وتخفض الخسائر الاقتصادية، كما أن إدماج بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع مع معلومات الرصد الأخرى يوفر أساسا أكثر موثوقية لاتخاذ القرارات خلال الأزمات البركانية.

تقييم المخاطر الطويلة الأجل

بالإضافة إلى التنبؤ الفوري بالثورة، فإن بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع تسهم في تقييم المخاطر البركانية الطويل الأجل، بتوثيق أنماط التشوه على مر السنين أو العقود، يمكن للعلماء فهم سلوك البركان بشكل أفضل وتحديد المناطق الأكثر تعرضاً للخطر، وهذه المعلومات تُسترشد بتخطيط استخدام الأراضي، ورموز البناء، وتطوير الهياكل الأساسية في المناطق البركانية.

كما يساعد رصد النظام العالمي لتحديد المواقع العلماء على تحديد المخاطر البركانية التي لم تكن معروفة سابقا، فعلى سبيل المثال، يمكن لكشف عدم استقرار النكهة من خلال قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع أن يكشف عن مخاطر انحطاط الأراضي التي قد لا تظهر من ملاحظات أخرى، وهذا الفهم الشامل للمخاطر البركانية يمكن من إدارة المخاطر والتأهب المجتمعي على نحو أكثر فعالية.

دعم البحوث العلمية

إن ثروة بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع التي جمعت في البركانات في جميع أنحاء العالم تدعم البحوث الأساسية في العمليات البركانية، ويستخدم العلماء هذه البيانات لاختبار وصقل نماذج سلوك حجرات الماجما، وآليات إطلاق الانفجار، ونظم السباكة البركانية، وهذه الأفكار تعزز فهمنا النظري لكيفية عمل البركانات، مما يحسن بدوره قدرتنا على التنبؤ بالاندفاعات وتقييم المخاطر.

وتتيح بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع من بركانات متعددة دراسات مقارنة تكشف عن أنماط مشتركة وخصائص فريدة من نوعها لنظم بركانية مختلفة، ويعزز هذا المنظور العالمي فهمنا للعمليات البركانية ويساعد على تحديد الإشارات التي يمكن الاعتماد عليها لرصد الاشارات في التنبؤ بالثورة في أنواع مختلفة من البركان.

خاتمة

وقد حولت تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع عملية رصد البركان ودراسة تدفقات الحمم، مما أدى إلى شق غير مسبوق في قياس التشهير الأرضي وتتبع النشاط البركاني، وقد أدت القدرة على كشف تحركات الألياف في الوقت الحقيقي إلى تحسين قدرتنا على التنبؤ بالاندلاع وحماية المجتمعات المحلية التي تعيش بالقرب من البركانات النشطة، ومن الشبكات الشاملة التي ترصد البركانات الهوائية إلى نظم موزعة على مراصد خطرة في جميع أنحاء العالم.

The advantages of GPS monitoring—including high precision, continuous operation, remote accessibility, and three-dimensional measurement capability—make it ideally suited for volcanic applications. When integrated with complementary techniques like InSAR, seismic monitoring, and gas measurements, GPS provides a comprehensive view of volcanic processes that enables more reliable hazard assessment and eruption forecasting.

ومع استمرار التكنولوجيا في التقدم وتعميق فهمنا للعمليات البركانية، سيضطلع رصد النظام العالمي لتحديد المواقع بدور متزايد الأهمية في حماية الأرواح والممتلكات من المخاطر البركانية، كما أن التطوير الجاري لتقنيات التحليل الأكثر تطوراً، وتحسين أدوات الرصد، وتحسين التكامل مع وسائل الرصد الأخرى، والوعود بزيادة تعزيز قيمة النظام العالمي لتحديد المواقع بالنسبة لعلوم البركان، وبالنسبة لأي شخص مهتم بتعلم المزيد عن تقنيات رصد البركان، فإن [برنامج الرصد الحقيقي: صفر]

إن نجاح رصد البراكين في النظام العالمي لتحديد المواقع يدل على قدرة التكنولوجيا الفضائية على التصدي للتحديات الحاسمة في مجال علوم الأرض والتخفيف من حدة المخاطر، وبينما نواصل صقل هذه التقنيات وتوسيع شبكات الرصد على الصعيد العالمي، نقترب من هدف توفير إنذار مبكر موثوق به للثورات البركانية، وفي نهاية المطاف حماية الأرواح والحد من الآثار المدمرة لهذه الظواهر الطبيعية القوية.