تعقب التغيرات الجليدية في القطب الشمالي باستخدام تكنولوجيا السواتل

وقد أحدثت تكنولوجيا السواتل ثورة في طريقة رصد وفهم التغيرات الجليدية في المنطقة القطبية الشمالية، وهي منطقة تشهد دفءاً في المتوسط العالمي تقريباً، حيث توفر أدوات الاستشعار عن بعد المتقدمة هذه ملاحظات مستمرة واسعة النطاق على الكتلة الجليدية، والنطاق، والسمك، والحركة، مما يتيح للباحثين تتبع الآثار المتسارعة لتغير المناخ على صحائف الجليد القطبية والمعالم الجليدية، وهذه البيانات حاسمة ليس فقط لفهم الحالة الراهنة للجليد القطبي، بل أيضاً للتنبؤات ذات الصلة بالتنبؤات المستقبلية.

تكنولوجيات السواتل لأغراض الرصد العالمي

ويقاس عدد من الأدوات الساتلية خصائص جليدية متميزة، حيث يوفر كل منها مواطن قوة وحدود فريدة، ويكتسب العلماء، من خلال دمج البيانات من مصادر متعددة، فهما شاملا لديناميات الجليد، بما في ذلك أنماط الذوبان السطحية، وسرعة تدفق الجليد، والتغيرات في الارتفاع، والتوازن الجماعي، ويقل ذلك عن التكنولوجيات الساتلية الرئيسية المستخدمة في الرصد الجليدي في القطب الشمالي:

التصوير الضوئي

A Optical sensors capture reflected sunlight to produce visible and near-infrared imagery, which is invaluable for mapping glacier extent, delineating ice margins, and identifying surface meltwater features. Prominent optical satellite missions include Landsat 8/9, [SFerraT:2] Sentinel-2[FLT:

وهذه أجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف تتيح الكشف عن حجم الحبوب الجليدية، وتباينات الألبدو، وتكوين البركة المذوبة من خلال تحليل مختلف النطاقات الطيفية، حيث أن رصد الطحالب أمر بالغ الأهمية لأن انخفاض التقلب السطحي يتسارع بفعل امتصاص المزيد من الإشعاع الشمسي، غير أن التصوير البصري محدود بسبب اعتماده على الضوء النهاري وعلى سماء واضحة، مما يقيد الحصول على البيانات أثناء الليل القطبي الطويل وتقنيات التبشير المتكررة.

رادار ذي فتحة اصطناعية (سار)

Synthetic Aperture Radar (SAR) technology uses microwave pulses that penetrate clouds and darkness, allowing year-round, all-weather imaging. Major SAR missions include ESA’s Sentinel-1] (C-band), Canada’s ]RADARSAT-2[FLT:

وتكشف صور SAR عن النسيج السطحي وأنماط الحرق وملامح التدفق ذات الصلابة المكانية العالية، إذ يمكن أن تقيس تقنيات التداخل بين المقاييس التشريدية الأرضية مع الدقة في قياس المقياس من خلال الاختلافات في مرحلة التحليل بين تصاريح المرور، مما يتيح حساب سرعة الجليد وكشف التحولات في خط الأرض في غلاطيل المياه المدوية، التي تشكل مؤشرات حرجة للاختلالات الجليدية الدينامية، بالإضافة إلى ذلك،

لاسر التمتري (ليدار)

وكثيرا ما تستكمل البيانات المستمدة من التأمت الليزري بحملات جوية مثل حملات ناسا Operation IceBridge]، التي تسد الثغرات الزمنية والمكانية بين البعثات الساتلية وتوفر وصفات مفصلة لسمك الجليد وطبوغرافيا الصخور.

رادار التمتري

وتقيس أجهزة التأجير على السواتل مثل الساتل ESA CryoSat-2] و Sentinel-3 ارتفاع سطح الجليد بتفكيرات نبضات الرادار التوقيت.

ويتمثل أحد التحديات في أن نبضات الرادار تخترق جزئيا حقيبة الثلج وطبقات التليف، مما يتسبب في قياسات الارتفاع لتعكس طبقة تحت سطح الأرض بدلا من سطح الجليد الحقيقي، كما أن تقريب السطح يؤثر أيضا على إشارة العودة بالرادار، ومن خلال الجمع بين بيانات الرادار وبيانات التألق الليزري، يمكن للباحثين أن يصححوا هذه العوامل على نحو أفضل، مما يؤدي إلى تحسين تقديرات تغير الارتفاع السطحي.

الخباش

وتكشف عملية استرداد الجاذبية واختبار المناخ (]GRACE]) وخلفها GRACE Follow-On (GRACE-FO) عن التغيرات الدقيقة في ميدان الجاذبية الأرضية الناجمة عن إعادة توزيع الكتلة، بما في ذلك فقدان الكتلة الجليدية، ومن خلال قياس التغيرات في سحب الجاذبية، توفر هذه البعثات تقديراً مباشراً لمجموعات الجليد على كامل الجليد.

وقد كشفت بيانات " غراس " عن اتجاهات كبيرة في الخسائر في الكتلة الجليدية: فقد غرينلاند ما يقرب من 270 بليون طن من الجليد في السنة بين عامي 2002 و 2023، بينما فقدت أنتاركتيكا حوالي 150 بليون طن سنويا، ورغم أن المثقفين يقدمون قدرا محدودا من الحل المكاني (300 كيلومترا)، فإن أفكار التوازن الجماعي الإقليمية لها قيمة لا تقدر على التحقق من أساليب الاستشعار عن بعد الأخرى وعلى إدماج تقييمات الميزانية الجماعية.

بيانات ساتلية للتجهيز والتحليل

وتخضع بيانات السواتل الخام لعملية تجهيز واسعة النطاق قبل أن تُحدث بارامترات جلية ذات معنى، ويشمل ذلك تصحيح التشوهات الأرضية، والمعايرة اللامعية، والآثار الجوية (لا سيما بالنسبة للمستشعرات البصرية)، والتطبيع الطوبوغرافية، وتتطلب بيانات التألق تصحيحات إضافية للآثار المدوية، والتأخير في الغلاف الجوي، وتأثيرات المنحدرات السطحية.

Ice Velocity from Feature Tracking and InSAR

ويستمد سرعته باستخدام عدة تقنيات، ويقارن تتبع السمات البصرية الأنماط السطحية المتميزة بين الصور المتعاقبة عبر خوارزميات الترميز، وقياس التشريد عبر الزمن، وبالمثل، يقارن نظام البحث العلمي بتتبع المواصفات الرجعية للرادار، وعلى النقيض من ذلك، يقوم فريق الرصد الحكومي الدولي مباشرة بإجراء تحولات في الإشارات الرادارية، مما يوفر قياسات دقيقة للتشريد على خط البصر.

وتتباين تقديرات المواقع على نطاق واسع، من مجرد مترات في السنة في المناطق الداخلية البطيئة الحركة من صحائف الجليد إلى عشرات الكيلومترات في السنة في أحواض الجليد السريعة التدفق مثل جاكوبشافن إسبرا في غرينلاند، وتشكل التغيرات في سرعة الجليد مؤشرات مبكرة حاسمة لعدم الاستقرار الدينامي، مما يمكن أن يسبب فقدانا سريعا للجليد أو تراجعا للجليد الجليدي.

الرصيد الكلي من التغير في الارتفاع

ومن خلال مقارنة قياسات الارتفاع المتكرر في التألق على نفس المواقع، يقوم العلماء بحساب الدهون/الدب أو معدل التغير في الارتفاع، ويتطلب تحويل هذا إلى تغير شامل فهماً لمعدلات كثافة واضمحلال طبقة النسيج، حيث أن الثلج والألياف أقل كثافة من الجليد الصلب، وقد تم وضع نماذج للكثافة المغلقة باستخدام بيانات تحليل المناخ، ومناطق القياس الميدانية المحدودة، ولكن يظل مصدراً رئيسياً للغموض.

وتتحول التغييرات في الحجم المستمدة من بيانات الارتفاع إلى بيانات جماعية باستخدام افتراضات الكثافة، أو تقديرات التمكين من تحقيق مكاسب جماعية أو فقدان على صحائف الجليد والمعالم الجليدية، ويسفر إدماج هذه القياسات على أحواض بأكملها عن تقييمات إقليمية للتوازن الجماعي تكون حاسمة في تحديد كمية المساهمات في ارتفاع مستوى سطح البحر.

التكامل مع النماذج الرقمية

وتزداد عمليات الرصد بواسطة السواتل استيعابا في صحائف الجليد الرقمية والنماذج المناخية لتحسين التوقعات المتعلقة بالسلوك الجليدي مستقبلا والمساهمات في مستوى البحر.

فعلى سبيل المثال، يستخدم مشروع " شيت " النموذجي المشترك بين المقارنات (ISMIP6) [(FLT:1]) شروط الحدود المستمدة من السواتل في مشاريع استجابات لصحائف الجليد في إطار سيناريوهات مناخية مختلفة، وهذا التكامل يعزز دقة التنبؤات المتعلقة بارتفاع مستوى سطح البحر، ويساعد واضعي السياسات وأصحاب المصلحة في تخطيط استراتيجيات التكيف.

تطبيقات بيانات الرصد العالمي

١ - من أهم التطبيقات التي تستخدمها البيانات الجليدية المستمدة من السواتل تقديرا كميا لمساهمة المراحيض وصحائف الجليد في ارتفاع مستوى سطح البحر العالمي، ووفقا لتقرير التقييم السادس للفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ )AR6(، ساهمت الجليديات خارج غرينلاند وأنتاركتيكا بنحو ١,٧ ملم/سنة في ارتفاع مستوى سطح البحر من عام ٢٠٠٠ إلى عام ٢٠١٩.

وفيما يتجاوز ارتفاع مستوى سطح البحر، تدعم بيانات الرصد الجليدي الساتلية طائفة واسعة من التطبيقات العلمية والبيئية والاجتماعية:

Climate Feedback Studies:] Changes in surface albedo due to meltwater accumulation and snow cover loss amplify Arctic warming through positive feedback cycles. Satellites like MODIS and Sentinel-3 monitor these albedo changes to better quantify their impact on regional and global climate.
Freshwater Flux into Oceans:] Increased meltwater discharge from glaciers freshens surface ocean waters, potentially disrupting density-driven circulation patterns such as the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). Monitoring meltwater flux is essential for understanding these Oceanographic impacts.
Hzard Assessment:] The formation and drainage of ice-dammed lakes and glacial lake outburst floods (GLOFs) pose risks to downstream communities and infrastructure. Optical and SAR imagery enable early detection and monitoring of these dynamic hazards. Similarly, surging land-terminating glaciers can threaten transportation routes and settlements.
Ecosystem Impacts:] Declining ice extent alters marine habitats, affecting phytoplankton blooms which form the base of Arctic food webs. These changes cascade through ecosystems, impacting species ranging from krill to polar bears.
Policy and Adaptation Planning:] Governments and local communities use satellite-derived sea level projections to design coastal defenses, infrastructure resilience measures, and, when necessary, relocation strategies to cope with rising seas and changing ice conditions.

وللحصول على مجموعات البيانات الموثوقة، يعتمد الباحثون وواضعو السياسات على المنظمات الرائدة مثل [(FLT:0] National Snow and Ice Data Center (NSIDC) ، ]، برنامج CryoSat التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، ومدخلات ناسا

التحديات والقيود في مجال الرصد العالمي بواسطة السواتل

وفي حين أن تكنولوجيا السواتل قد حققت تقدما كبيرا في قدرتنا على رصد الجليديات في القطب الشمالي، فإن العديد من التحديات والقيود المستمرة لا تزال قائمة، مما يؤثر على دقة البيانات واستمراريتها وتفسيرها.

القرار المكاني والتمهيدي

وتعاني بعثات عديدة من التألق من تباعد متسارع نسبيا في مسارات متعددة على مدى عدة كيلومترات، مما يحد من قدرتها على حل غلاسير الوادي الضيقة وقبعة الجليد الأصغر انتشارا في القطب الشمالي، بل إن بعثات المقاييس مثل GRACE لديها حتى حل مكاني مختلط (300 كيلومترا)، غير كافية لكشف التغيرات في كل جهاز من أجهزة الجليد.

فالحل المؤقت عامل آخر يحد من ذلك، إذ إن دورات إعادة البث بواسطة السواتل تتراوح عادة بين أيام وأسابيع، مما قد يفوت أحداث سريعة أو قصيرة الأجل مثل النبضات المفاجئة، أو فرز الأحداث، أو الطفرة، مثلا، فإن إعادة النظر في فترات الستة أيام تؤدي إلى تحسين التغطية الزمنية، ولكن الثغرات لا تزال قائمة خلال موسم الذبابة الحرجة أو في حلقات الفقد الدينامية الجليدية.

كلود كوفر والظلام القطبي

ولا يمكن للمستشعرات البصرية أن تعمل خلال الليل القطبي المطول في المنطقة القطبية الشمالية، الذي يدوم عدة أشهر في كل سنة، ولا تحت غطاء سحابي ثابت شائع خلال المواسم الانتقالية، مما يؤدي إلى ثغرات كبيرة في البيانات، وقد تتغلب أجهزة الاستشعار التابعة لوكالة البحث والتطوير على هذه القيود عن طريق العمل في ترددات الموجات الدقيقة التي تخترق الغيوم والظلام، ولكن تفسير الرادارات الرجعية أثناء المذيب السطحي معقد.

استمرارية البيانات وغرف البعثة

وقد انتهت عدة بعثات ساتلية رئيسية دون استبدال فوري، مما أدى إلى نشوء ثغرات مؤقتة في سجلات المناخ الطويلة الأجل، وعلى سبيل المثال، فإن الفجوة بين نهاية اللجنة الدولية المعنية بسواتل الملاحة في عام 2009 وبدء اللجنة الدولية المعنية بسواتل الملاحة - 2 في عام 2018، قد استلزمت حملات نقل جوي مثل عملية آيسبريدج، حيث إن عدم التيقن في التمويل والأولويات المتغيرة تشكل مخاطر على استمرار البعثات الأساسية مثل السواتل " سينتينيل " في إطار برنامج كوبرليس " ، الذي يجمع بين أوروبا.

معايرة، تقييم، وتقصي الأرض

وتحتاج البيانات الساتلية إلى معايرة دقيقة والتحقق من القياسات الأرضية لضمان الدقة، غير أن التحديات اللوجستية والطقس القاسي وارتفاع التكاليف تحد من توافر البيانات في الموقع في المنطقة القطبية النائية، ولا سيما بالنسبة للقبائل الجليدية الأصغر في أرخبيلات المنطقة القطبية الكندية والروسية، وتنشأ بعض التناقضات بين أجهزة الاستشعار الساتلية المختلفة (مثلا بين المقاييس والأوقية)، مما يستوجب التوفيق بين تقنيات التحويل المشتركة في الأرشيف.

عدم اليقين في مجال الارتباط والكثافة

ويتوقف تحول التصعيد إلى التغير الجماعي اعتماداً كبيراً على فهم الخليط الجليدي المفرط والجليدي الذي يربطه وزن زائد، وتتفاوت معدلات الدمج في القرن مع درجات الحرارة والتراكم والظروف المذوبة، مما يجلب أوجه عدم يقين كبيرة في حسابات التوازن الجماعي، وعلى الرغم من أن نماذج الكثافة الممزقة التي تجبرها بيانات إعادة تحليل المناخ قد تحسنت في التقديرات، فإن الشكوك لا تزال قائمة، ولا سيما في المناطق أو المناطق السريعة التغير التي تشهد أنماط تراكم معقدة.

البعثات المقبلة والابتكارات التي تعزز الرصد الجيولوجي في المنطقة القطبية الشمالية

ويوعِد العقد المقبل بمجموعة من البعثات الساتلية الجديدة والابتكارات التكنولوجية التي ستعزز بقدر كبير القدرات على رصد الجليد القطبي الشمالي وصحائف الجليد.

المياه السطحية وأصول المحيطات

وتستعين بعثة المياه السطحية وأصول المحيطات (SWOT]) التي أطلقت في كانون الأول/ديسمبر 2022، بتداخل الرادار ذي النطاق الترددي (Ka-band) لقياس ارتفاعات سطح الماء ونطاقاته بحل مكاني غير مسبوق، بينما كانت مصممة أساسا لدراسة المحيطات وأجساد المياه الأرضية، فإن التفاعل بين المياه السطحية والمترة الواسعة النطاق يمكن أن يصورها

رادار ناسا - إسارو Synthetic Aperture Radar (NISAR)

ومن المقرر إطلاقها في عام 2025، أن تكون منطقة البحث الوطني في منطقة الساحل بعثة مشتركة بين ناسا وإسارو، ستوفر بيانات النطاق الترددي L وشبكة الترددات S-band SAR مع إعادة النظر في الوقت الذي يستغرق 12 يوما، وتخترق الرادار النطاق L الجليدي أكثر من النطاقات المستخدمة حاليا، مما يتيح قياسات محسنة لطبقات الجليد دون السطح، والظروف البازائية، وتدفقات الجليد الداخلية، وسيؤدي تعزيز قدرات مسح خطوط الجليد.

Copernicus Sentinel Expansion Missions

ويخطط فريق الخبراء المخصص لبعثات إضافية من أجهزة الاستشعار من أجل توسيع وتعزيز برنامج كوبرنيكوس، وسيحمل سينتيل - 7، وهو مرشح ذو أولوية عالية، جهازا متعدد الأطياف للتصوير بالأشعة تحت الحمراء لقياس درجة حرارة الجليد مباشرة وكشف أحداث الذوبان بدقة أكبر، وستتضمن البعثة المقترحة للثلج القطبي والثلوج (البرنامج) مقياسا مزدوجا للجودة في الرادار يعمل في كويس.

السواتل الصغيرة والوصلات

وتتيح البعثات الناشئة عن إنشاء مجموعات ساتلية صغيرة وشركة كيوبسات، بما في ذلك المشغلون التجاريون مثل مختبرات بلانيت وإيسيي، فترات إعادة نظر متكررة في قرارات مكانية متوسطة، وفي حين أن هذه البرامج لا تحل محل السواتل الرئيسية، فإنها تسد الثغرات الزمنية، وتوفر استجابات سريعة للأحداث الدينامية مثل الطفرة الجليدية وحساب المخاطر المرتبطة بفشل البعثات، فإن استراتيجياتها للرصد الأقل تكلفة وتواترا تتيح التكيف مع هذه العمليات.

الاستخبارات الفنية والحساب الإلكتروني المختلط

وتتحول التطورات الأخيرة في الاستخبارات الاصطناعية والحساب السحابي إلى كيفية تجهيز وتحليل البيانات الساتلية، ويمكن لتقنيات التعلم الآلاتي أن ترسم خرائط لمصطلحات الجليد والخلايا والبحيرات السطحية وغيرها من السمات من محفوظات الصور الساتلية الواسعة، ويمكن أن تكشف التغيرات الخفية في نظم الصرف دون الكلي من بيانات منطقة الإبلاغ والتنبؤ بالجليد.

وتتيح برامج السحاب مثل " غوغل إيلاند إيني " و " الأمازون " (Gogle Earth Engine) وخدمات الشبكة العالمية تجهيز البيانات الساتلية على نطاق واسع وإضفاء الطابع الديمقراطي عليها، وتمكين الباحثين في جميع أنحاء العالم من إجراء تحليلات شاملة في الوقت المناسب دون الحاجة إلى بنية تحتية محلية باهظة التكاليف.

وباختصار، لا تزال تكنولوجيا السواتل أداة لا غنى عنها في تتبع التغيرات الجارية والسريعة في أحواض الجليد في القطب الشمالي، وسيؤدي الابتكار التكنولوجي المستمر، إلى جانب تكامل البيانات المتعددة الاستشعار والمحللين المتقدمين، إلى تعزيز قدرتنا على فهم الآثار العميقة لتغير المناخ على الغلاف الجوي المتجمد الشمالي وعلى نظام المناخ العالمي والتنبؤ بها والاستجابة لها.