تأثير النظام العالمي لتحديد المواقع على استكشاف المناطق القطبية والرأس الجليدي

وقبل ظهور النظام العالمي لتحديد المواقع، اعتمد استكشاف المناطق القطبية للأرض على الملاحة السماوية، والمناشير اللاسلكية، ونظم التوجيه غير الموثوقية التي كثيرا ما تكون غير موثوقة في ظل الظروف القصوى في القطب الشمالي وفي أنتاركتيكا، واليوم، يوفر النظام العالمي لتحديد المواقع موقعا مستمرا على ثلاثة مستويات، يتسم بدقة عالية من حيث المقاييس، مما يغير من طبيعة علماء ومستكشفي الجليد المتجمدين.

إن القدرة على تحديد موقع أي مكان على الكوكب، بغض النظر عن الطقس أو ضوء النهار، تتيح لبعثات القطب أن تعمل بشكل أكثر أمنا وكفاءة، وتستخدم مستكشفو القطب الآن أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع مدمجة في أجهزة يدوية، ومركبات، وطائرات بدون طيار مستقلة لرسم خرائط الطرق، وعلام مواقع العينات، وتعقب الموظفين في الوقت الحقيقي، وقد عجلت هذه الثورة التنفيذية من سرعة اكتشافها في بعض أكثر البيئات نائية على الأرض.

GPS in Modern Polar Exploration

الملاحة الدقيقة في المناطق غير المفرغة

إن المناظر القطبية - التي تغطس مساحات بيضاء قليلة السمات البصرية - تجعل الملاحة التقليدية أمرا مستحيلا تقريبا، وتوفر أجهزة استقبال الشبكة العالمية لسواتل الملاحة مستكشفين لها إحداثيات مستمرة، مما يتيح لهم متابعة الطرق المخططة مسبقا أو العودة إلى مواقع محددة بسهولة، وهذه القدرة حاسمة بالنسبة لكسر الجليد البحري وصحائف الجليد القارية في غرينلاند وفي أنتاركتيكا، وعلى سبيل المثال، أثناء مسارات فوق الأراضي عبر محطات البحث في منطقة القطب الجنوبي، تعتمد أفرقة على مواقع الحفر الأرضية البحرية

وعلاوة على ذلك، تدمج بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع في خرائط تتحرك تظهر في الوقت الحقيقي مواقع تتعلق بمخاطر مثل الخرافات، أو البراعم المذوبة، أو الجليد البحري غير المستقر، وعندما تقترن نماذج الارتفاع الرقمي، يتيح النظام العالمي لتحديد المواقع التوجيه الآلي للمركبات المتبوعة، ويقلل من الخطأ البشري واستهلاك الوقود أثناء عمليات الإمداد البعيدة المدى.

رسم الخرائط ومسح المناطق غير المأهولة

وقد أحدثت الشبكة ثورة في رسم الخرائط القطبية، حيث إن أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع التي كانت مجهزة بالطائرات، وأجهزة تطهير الثلوج، أو حتى الوحدات التي كانت مجهزة بالخلف، تسمح للمساحين بوضع خرائط طبوغرافية مفصلة للمناطق التي لم يسبق أن تم تصنيعها، وهذه الخرائط أساسية لفهم الديناميات الجليدية، والسمات الجيولوجية، ومدى الغطاء الجليدي الدائم، وفي القطب الجنوبي وحده، كشفت الدراسات الاستقصائية التي تدعمها الشبكة العالمية عن حدود جبالية دونية.

كما أن البيانات التي جمعت عن طريق النظام العالمي لتحديد المواقع تغذي مشاريع رسم الخرائط الدولية مثل قاعدة البيانات الرقمية في أنتاركتيكا ونماذج الارتفاع العالية الاستبانة التي وضعها المركز القطبي للجيولوجيا المكانية، وبدون النظام العالمي لتحديد المواقع، فإن الدقة المكانية اللازمة لتتبع التغيرات في المواقع الأمامية الجليدية على مدى عقود من المستحيل تحقيقها.

السلامة والاستجابة في حالات الطوارئ

فالاستكشاف القطبي ينطوي على مخاطر متأصلة: فالنباتات المفاجئة، وكسر الجليد البحري، والبرد الشديد يمكن أن تحول بسرعة مسار روتيني إلى حالة بقاء، ويتيح النظام العالمي لتحديد المواقع للأفرقة الميدانية تنبيه خدمات الإنقاذ بإحداثيات دقيقة، ويقلل بدرجة كبيرة من أوقات البحث، كما أن أجهزة تحديد المواقع الشخصية والرسائل الساتلية التي تتضمن النظام العالمي لتحديد المواقع قد أصبحت معدات قياسية لكل رحلة بحرية القطبية، وفي القطب الشمالي، حيث يمكن للثلج المتحول في البحر أن يفتح قنوات واسعة النطاق، يساعد على تتبع التجانس بين أفراد الفريقين.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن مشغلي محطات البحوث القطبية الرئيسية - مثل ماكموردو في أنتاركتيكا أو ني - آبسوند في نظم نظام تحديد المواقع باستخدام نظام Svalbard - لرصد تحركات العلماء وموظفي الدعم العاملين في مخيمات ميدانية نائية - إذا لم يتأكد شخص ما، فإن آخر موقع معروف له في النظام العالمي لتحديد المواقع يتيح نقطة انطلاق للبحث والإنقاذ.

رصد أشعة السينية الطويلة الأجل

وفيما وراء الملاحة، تشكل الشبكة العالمية لتحديد المواقع حجر الزاوية في الرصد الجيوديسي في المناطق القطبية، وتسجل محطات النظام العالمي لتحديد المواقع التي تم تركيبها على صخرة الأسلاك أو مباشرة على أوراق الجليد بيانات مستمرة عن الحركة القشرية الرأسية وسرعة تدفق الجليد والتغيرات في ارتفاع سطح الأرض، وتعمل شبكات مثل شبكة رصد الأرض القطبية وشبكة غرينلاند للنظم العالمية لتحديد المواقع على مدى أكثر من عقد، مما يوفر سلسلة زمنية حاسمة تكشف عن كيفية الاستجابة للمناخ.

وتظهر البيانات المستمدة من هذه المحطات أن صحائف الجليد في غرينلاند وفي أنتاركتيكا تفقد الكتلة بمعدل متسارع، وقد ساعدت قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع لبطء الجليد وهجرة خط الأرض العلماء على تحديد المناطق التي تذوب فيها تيارات المحيط الحارة الجليد من الأسفل، مما أدى إلى تراجع دينامي في الترقيح والزلاج، وهذه القدرة على الرصد على المدى الطويل مستحيلة في ضوء نظام تحديد المواقع على الأرض اللازمة لضبط ومراقبة الفضاء.

GPS and Ice Cap Melting Studies

قياس التشهير بالصحيفة الجليدية وتدفقها

إن صحف الثلج ليست ثابتة؛ فهي تتدفق تحت وزنها، وتتراوح سرعة المقاييس إلى الكيلومترات في السنة، ويمكن لمستقبلات النظام العالمي لتحديد المواقع التي تنشر على سطح الجليد أن تقيس هذه الحركة بدقة كبيرة، وبتسجيل مواقع في حل زمني رفيع (مثلا مرة في الثانية)، يمكن للعلماء أن يحسبوا ناقلات الجليد السريعة وأن يكشفوا التغيرات الخفية المتصلة بتركيب المياه المميتة.

فعلى سبيل المثال، قامت الدراسات التي تستخدم بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع من شركة جاكوبشافن إيسبريس في غرينلاند بتوثيق سرعة موسمية تزيد على 50 في المائة خلال أشهر الصيف، عندما تخترق المياه المميتة إلى السرير وتخفض الاحتكاك، وبالمثل، استولت صفائف النظام العالمي لتحديد المواقع على غلاسير جزيرة بين في أنتاركتيكا على سرعة التسارع والارتقاء نتيجة لتدفئة المحيطات.

اكتشاف حركة دقيقة من ملينغ

ومع انهيار الجليد، فإن السطح يهبط ويتراجع قشرة الأرض الأساسية، ويمكن للشبكة العالمية لتحديد المواقع أن تكتشف هذه الحركة الرأسية الدقيقة - بناء على طلب المليمترات سنويا - مما يوفر بديلا مباشرا عن الخسارة الجماعية، وعندما يتم إزالة الكتلة الجليدية الكبيرة، فإن الارتفاعات الأرضية الصلبة تتصاعد بشكل ثابت؛ وعلى العكس من ذلك، إذا تراكم الجليد، فإن الهوامش تهب في الأفق.

وفي غرينلاند، أظهرت محطات النظام العالمي لتحديد المواقع على طول الساحل ارتفاعا في معدلات تتجاوز 10 مم في السنة في بعض المناطق، بما يتسق مع سرعة فقدان الكتلة الجليدية، وفي أنتاركتيكا، تكشف القياسات المماثلة عن أن قطاع بحر أموندسن يفقد الكتلة بسرعة بحيث ترتفع الأرض الصلبة بمعدلات مماثلة لتلك التي شوهدت في أجزاء من سكاندينا بعد آخر عملية تطهير، وتوفر هذه الأدلة الجيوديسية تأكيدا مستقلا للأرصدة الكلية الجليدية المستمدة من تقديرات الأشعة.

Integration with Satellite and Climate Data

ولا يعمل النظام العالمي لتحديد المواقع بمعزل عن الآخر، ويجمع العلماء بين سرعة الجليد التي تستمد من النظام العالمي لتحديد المواقع والتغيرات في الارتفاع مع بيانات من بعثات ساتلية مثل ICESat-2، وCryoSat-2، وGRACE-FO لبناء صور شاملة لصحة صفائح الجليد، ويستخدم النظام العالمي لتحديد المواقع كالحقيقة الأرضية لتحديد أجهزة قياس السواتل ولإثبات نماذج الديناميات الجليدية والاسقاطات السطحية للتوازن.

فعلى سبيل المثال، استخدمت جامعة واشنطن في دراسة أجريت في عام 2020 بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع من أكثر من 30 محطة حول غرينلاند لتصحيحها من أجل رفع بيانات الجاذبية في نظام تقييم المخاطر في الأرض، وتحسين تقديرات الخسائر الشهرية في الجليد، ومثال آخر على ذلك الجمع بين قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع والنماذج المناخية الإقليمية لفهم كيفية تأثير الأنهار الجوية أو التغيرات في الغطاء السحابي على التآكل السطحي، وهذه النُهج المتعددة التخصصات لا يمكن إلا لأن النظام العالمي لتحديد المواقع يوفر إطارا مرجعيا مستمرا لجميع أنواع الحيوانات.

التحديات التي تواجه استخدام النظام العالمي لتحديد المواقع في البيئات القطبية

Interference from Ice and Atmosphere

وعلى الرغم من فائدتها، تواجه الشبكة تحديات كبيرة في المناطق القطبية، حيث يمكن أن تتسبب صحائف الجليد السميكة نفسها في أخطاء متعددة التعاطف، حيث تعكس الإشارات الساتلية سطح الجليد السلس وتصل إلى جهاز الاستقبال المتأخر والفاسد في دقة الموقع، ويجب على المهندسين استخدام خوارزميات متخصصة وتجهيز للتخفيف من هذه الآثار، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الغلاف الأيوني على القطبين يزعج بدرجة كبيرة بسبب النشاط الجيومغناطيسي الذي يؤدي إلى حدوث عواصفة الشمسية.

كما أن زوايا الارتفاع المنخفضة لسواتل الشبكة العالمية لتحديد المواقع بالقرب من القطبين تقلل من الرؤية الساطوية، لأن السواتل التي تدور في اتجاه نحو 55 درجة، تحجب الأرض الأفق لجزء كبير من الوقت، مما يحد من عدد السواتل الظاهرة وتآكل الدقة في قياس الأرض، وهذه المشكلة حادة بوجه خاص في المناطق الداخلية من أنتاركتيكا، حيث يكون الأفق مسطحا ولكن التغطية الساتلية متوقفة.

الطاقة والسوقيات لمراكز التطهير

إن الحفاظ على شبكة من محطات النظام العالمي لتحديد المواقع الدائمة في المناطق القطبية هو كابوس لوجستي، إذ يجب على المحطات أن تصمد درجات الحرارة منخفضة مثل 60 درجة مئوية، والرياح التي تزيد على 200 كيلومتر/ساعة، وشهور من الظلام الدائم، وتزود الطاقة عادة بألواح شمسية مقترنة بمصارف بطارية كبيرة، ولكن خلال الشتاء القطبي، يرتفع الجيل الشمسي إلى الصفر، ويعتمد العديد من المحطات على توربينات صغيرة أو المولدات المتطورة.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تكون عملية استرجاع البيانات بطيئة، إذ أن معظم المحطات تنقل البيانات عبر وصلات ساتلية في إيريديوم، التي لها نطاق محدود ودرجة عالية من الرضا، ويجب استرجاع بعض البيانات ماديا أثناء الزيارات السنوية لإعادة الإمداد، مما يعني أن العلماء قد لا يرون السجل الكامل لشهور، وعلى الرغم من هذه العقبات، فإن القيمة العلمية للسلسلة الزمنية الطويلة الأجل للنظام العالمي لتحديد المواقع تبرر الجهد، كما أن الوكالات مثل شبكة الأمن الوطني والوكالة الأوروبية للطاقة تواصل الاستثمار في الهياكل الأساسية.

الآثار البيئية على المعدات

وقد يؤدي تراكم الجليد على الهوائيات، والثلج الشائك على الألواح الشمسية، ودفن الثلج إلى تدهور أداء النظام العالمي لتحديد المواقع، وقد تغلق أجهزة الاستلام إذا أصبحت البطاريات الداخلية باردة جدا، وتصبح الكابلات رشيقة وكسرا، وقد طور المهندسون دهاناتا وأجهزة إلكترونية منخفضة الطاقة لمواجهة ذلك، ولكن نقص المعدات لا يزال يحدث بانتظام في غرينلاند، على سبيل المثال، في محطات توليد الطاقة الكهربائية تبلغ مساحتها 2021 يوما.

ويستكشف الباحثون استخدام أجهزة استشعار أصغر وأكثر كفاءة وحوسبة حافة للحد من استهلاك الطاقة وجعل المحطات أكثر مرونة، ويجري اختبار النظم المستقلة التي يمكن أن تكتشف وتنظف الثلج من الألواح أو تعدل نمل الهوائي في مواقع مثل محطة مؤتمر القمة في غرينلاند.

توجيهات المستقبل لتطبيقات النظام العالمي لتحديد المواقع القطبية

تعزيز الشبكات الساتلية والنظم العالمية المتعددة

وستشهد السنوات القادمة تحسنا هائلا في المواقع القطبية بفضل النشر الكامل لنظم السواتل العالمية المتعددة للملاحة، بالإضافة إلى النظام العالمي لتحديد المواقع، فإن المجموعة الروسية لسواتل الملاحة، وشركة غاليليو الأوروبية، وأجهزة البيش الصينية، تقدم إشارات تكميلية، لا سيما في خطوط العرض العالية، كما أن المدار العالي لجيليو وهيكل الإشارات الأفضل يوفران تغطية ودقة أفضل على القطبين.

وستجمع تصميمات أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع في المستقبل بين جميع إشارات النظم العالمية لسواتل الملاحة المتاحة مع خوارزميات تصحيحية متطورة مثل تحديد نقطة التصحيح (Pcise Pointing) مع قرار غامض لتحقيق الدقة على مستوى سنتيمتر في الوقت الحقيقي، حتى في ظل ظروف القطبية الصعبة، مما سيمكن التطبيقات الجديدة من مثل إجراء دراسات استقصائية آلية للطائرات بدون طيار عن هوامش الجليد ورصد أحداث فرز ثلجبرغوث في الوقت الحقيقي.

التكامل مع النظم المستقلة ذاتيا

ويتزايد استخدام المركبات ذاتيا - الجوي والأرضي (النافذين) - في البحوث القطبية، ويوفر النظام العالمي لتحديد المواقع إشارة الملاحة الرئيسية لهذه البرامج، مما يتيح لها أن تطير أنماط الشبكة فوق الجليديات، والهبوط في مواقع محددة، وجمع بيانات عالية الاستبانة بدون وجود بشري، وفي أنتاركتيكا، اختبر المسح البريطاني للمواقع البحرية البعيدة المدى التي تستخدم مجرى الأشعة المائي للشبكة العالمية لمسحوقات الأرضية من بعد.

وستعتمد النظم المستقلة في المستقبل على عمليات الاندماج المتعددة أجهزة الاستشعار، التي تجمع بين النظام العالمي لتحديد المواقع ووحدات القياس غير القانوني، والليدار، والأودوميتري البصري للحفاظ على الملاحة أثناء عمليات الخروج من النظام العالمي لتحديد المواقع (مثلا في الحرق أو تحت الغيوم).

التحسينات في الإسقاطات على مستوى سطح البحر

والهدف النهائي من الدراسات القطبية المتعلقة بالنظام العالمي لتحديد المواقع هو الحد من عدم اليقين في توقعات ارتفاع مستوى سطح البحر، ومن خلال توفير بيانات عالية الاستبانة عن ديناميات الجليد، والهجرة من خط الأساس، والتشوهات القشرية، يساعد النظام العالمي لتحديد المواقع على تقييد النماذج التي تعتمد عليها الحكومات والمخططون، وستركز الجهود المقبلة على توسيع نطاق تغطية المحطات الدائمة، ولا سيما في قطاع شرق أنتاركتيكا الذي يفتقر إلى الرصد، وربط بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع بالدراسات الرادارية الجليدية والمسح السيزمي.

وتقوم المبادرات الدولية مثل النظام العالمي لمراقبة الجيوديسي ومشروع القطب العالمي لرصد المحيطات والفضاء بتنسيق عمليات النشر لسد الثغرات في البيانات، ونظراً إلى زيادة الطاقة الحاسوبية، فإن تقنيات استيعاب البيانات ستتيح استخدام قياسات النظام العالمي لتحديد المواقع مباشرة في نماذج صفائح الجليد، مما ينتج تنبؤات أكثر دقة وأكثر قابلية للتنفيذ.

خاتمة

وقد أحدثت تكنولوجيا النظام العالمي لتحديد المواقع تحولاً جوهرياً في قدرتنا على استكشاف وفهم المناطق القطبية، فمن الملاحة الأساسية إلى قياسات متطورة للحركة الجليدية والانتعاش القشري، يوفر النظام العالمي لتحديد المواقع الإطار المكاني الذي يبنى عليه العلم القطبي الحديث، ورغم التحديات الهائلة التي تواجهه، والبيئات القاسية، والقيود اللوجستية - فإن التطور المستمر لشبكات النظم العالمية لسواتل الملاحة والنظم المستقلة يبشر برؤية أفضل.

ومع استمرار تغير القطب الشمالي والجنوبي بمعدلات غير مسبوقة، فإن دور النظام العالمي لتحديد المواقع كأداة للرصد لن يزداد أهمية إلا، فالبيانات التي تعيدها محطات النظام العالمي لتحديد المواقع اليوم ستسترشد بالقرارات المتعلقة بالهياكل الأساسية الساحلية، والسياسة العالمية للمناخ، وإدارة آخر البرية الكبرى لكوكبنا لعقود قادمة، وسيستمر الباحثون والمستكشفون على حد سواء في الاعتماد على هذه المجموعة الهادئة غير المرئية لإضواء الطريق عبر الجليد.

External Links:]