تكنولوجيا السواتل في رصد التغيرات في صحائف الجليد: الأدوات والتقنيات

استعراض عام لرصد الغطاء الجليدي من الفضاء

وتحتفظ صحائف الجليد في غرينلاند وأنتاركتيكا بما يكفي من المياه المجمدة لرفع مستويات البحر العالمية بأكثر من 60 مترا إذا ما أريد لها أن تذوب تماما، بل إن فقدان هذه الكتلة الجليدية جزئيا من شأنه أن يعيد تشكيل السواحل والنظم الإيكولوجية والهياكل الأساسية البشرية في جميع أنحاء العالم، ويعتمد العلماء على تكنولوجيا السواتل لتتبع التغيرات في حجم الكتل الجليدية، والكتل، والتدفق بدقة غير مسبوقة.

وقد بدأ رصد أحدث لسجلات الجليد الساتلية في التسعينات بأجهزة قياس الرادارات على متن بعثات مثل الساتلين ERS-1 و ERS-2. واليوم، توجد مجموعة من السواتل من الوكالات الفضائية، بما فيها ناسا، ووكالة الفضاء الأوروبية، ومنظمات الفضاء الوطنية تعمل في إطار متضافر، وهذه الأدوات تقيس ارتفاع الغطاء الجليدي، وسرعة السطح، وسحب الرعي، ودرجة الحرارة السطحية، من خلال الجمع بين مصادر متعددة للبيانات.

الأدوات الساتلية الأساسية ودورها

رادار التمترات

ويرسل أزرار الرادارات نبضات تعمل بالموجات الدقيقة نحو سطح الأرض ويقاس الوقت الذي يستغرقه الأمر بالنسبة للردود عند العودة، ويتحول هذا الوقت من الضوء إلى مسافة، مما يعطي ارتفاعا في الغطاء الجليدي فوق نقطة مرجعية. ويخرج مقياسي الرز عند التغلغل في الغطاء السحابي ويمكن أن يعملوا خلال الليل القطبي، مما يجعلهم لا يقدر بثمن بالنسبة للرصد العام.

(CryoSat-2) التي أطلقت في عام 2010 تحمل جهازاً مركباً للرادارات المتقطعة الاصطناعية (SIRAL) يتسم حساسية خاصة للتغيرات في هوامش الجليد وفوق التضاريس، وقدرة على رسم خرائط لتغيرات الارتفاع عبر جميع صحائف الجليد في غرينلاند وفي أنتاركتيكا، كشفت عن تسارع تضاؤلها في أحواض الجليد الساحلية، وقد استخدمت بيانات من طراز CryoSat-2 في عام 2011 لحسابها.

لاسر التمرين

ويستخدم علماء مصابون بالأشعة الليزرية - الذين يطلق عليهم أيضاً نبضات خفيفة لازر قصيرة تستخدم في قياس الارتفاع، ونظراً لأن أشعة الليزر أضيق، ولهم بصمة أقل من نبضات الرادار، فإن بإمكانهم حل خصائص دقيقة مثل الكرفسات، والأوعية المذيبة، ومجاري الجليد الفردية.

وتزداد حساسية أجهزة التأجير بالغطاء السحابي وتتطلب سماء واضحة، ولكن البيانات التي توفرها ضرورية للتحقق من قياسات الرادار ولكشف التغيرات الطفيفة في خام الجليد، وقد أدى الجمع بين أجهزة التأشيرات والليزر إلى تحسين كبير في تقديرات التغير الجماعي في الغطاء الجليدي، حيث ساعد ارتفاع مستوى الاستبانة في عمليات الرادار القديمة.

السواتل ذات المقياس الجمركي

وتكشف السواتل ذات المقياس الجاف عن التباينات في ميدان الجاذبية الأرضية الناجمة عن التغيرات في التوزيع الجماعي، ونظرا لأن ورقة الجليد تفقد الكتلة، فإن السحب الجاذبية المحلية تنخفض انخفاضا طفيفا، أما بعثة GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) التي أطلقت في عام 2002، ودقيقتها النهائية GRACE-FO (2018) فتتألف من ساتلين يطيران في التشكيل، ويقاسان التغيرات في المسافة بينهما بمقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس ثلجي.

وقد كانت بيانات الجيل الثالث ثورية، فهي توفر قياسا مباشرا للخسائر الجماعية في صفائح الجليد المدمجة على جميع صفحات الجليد، ليس فقط في نقاط الارتفاع السطحي، فعلى سبيل المثال، أظهر علماء الشبكة أن صحيفة الجليد في أنتاركتيكا فقدت حوالي 118 بليون طن من الجليد سنويا من عام 2002 إلى عام 2016، مع ارتفاع معدل الإصابة بالمرض، ولا يزال هذا الرقم القياسي يكفل الاستمرارية في رصد المناخ، وهو حد معين هو الفقدان المكاني نسبيا (نحو 300)

أجهزة الاستشعار الضوئية والحرارية

وتلتقط أجهزة الاستشعار الضوئية على السواتل مثل لاندرسات 8/9 و Sentinel-2 و MODIS (بشأن تيرا و Aqua) صورا واضحة ومرئية من صحائف الجليد، وتكشف هذه الصور عن سمات سطحية مثل أشجار المذيبات، والكسرات، وهجرة هوامش المسطحات الجليدية، وتقيس النطاقات الحرارية ذات الحمراء درجة الحرارة السطحية، التي تعتبر حاسمة لفهم ديناميات درجة الحرارة.

وعلى سبيل المثال، توفر وزارة الدفاع والأمن والتنمية تغطية عالمية يومية في إطار القرار 250-1000 متر، مما يتيح الرصد المستمر لتاريخ الانصهار، ومدى الانصهار الصيفي، وإعادة تجميد حقيبة الثلج، ويمكن للمستشعرات العالية الاستبانة مثل لانديستا (30 مترا) وسينتينيل-2 (10-20 مترا) تتبع سلوك كل واحد من غلاسير اليتي والكرفات معا، تشكل مجموعات البيانات هذه سجلا طويل الأجل يعود إلى عام 1970.

تقنيات جمع البيانات وتحليلها الرئيسية

جهاز رادار ذو فتحة اصطناعية متداخلة (إنسار)

وفي منطقة البحث العلمي، هو أسلوب قوي لقياس سرعة سطح الجليد وتشوهههه، إذ يمكن للعلماء، من خلال مقارنة صورتين أو أكثر من صور الرادار لنفس المنطقة التي تُلتقط في أوقات مختلفة، أن يُنتجوا أشعة متداخلة تبين الاختلافات في المرحلة التي تسببها الحركة السطحية، وتُحوَّل هذه الاختلافات إلى خرائط للتشرد تتسم بدقة دون سنتر، وقد كشفت منطقة البحث العلمي عن أن العديد من أجهزة الجليد المطلة في غرينلاند وفي أنتاركتيكا تتسارع في سرعة تسليم الجليد.

وتوفِّر البعثات الساتلية مثل الساتل سينتينيل-1 (رادار النطاق جيم) بيانات منتظمة عن منطقة منطقة ما بين 6 و12 يوماً على المناطق القطبية، ويستخدم العلماء منطقة البحث في فرز حقول الجليد، التي تُدخل بعد ذلك في نماذج تدفق الجليد، كما أن التقنية تكشف أيضاً عن التغيرات في خطوط الأرض التي تترك فيها المئات من الجليديات وتبدأ في العوامة، كما أن معتكف خط الاستواء الغربي مؤشر رئيسي على عدم استقرار المنطقة البحرية.

Repeat-Track and Cross-Over Altimetry

ويمكن أن تقيس أجهزة التأجير التغيرات في الارتفاع مع مرور الوقت بمقارنة البيانات من التصاريح المتكررة عبر نفس الموقع، وبالنسبة لمرتبات الرادارات، فإن هذه التقنية تصحح التقلبات في المنحدرات والسطح باستخدام نموذج الارتفاع الرقمي (نموذج الارتفاعات الرقمية) ويمكن أن تكون أجهزة التأجير أكثر دقة بسبب صغر حجمها، أما التحليلات الشاملة فتؤدي إلى إحداث اختلافات في الارتفاع حيث تؤدي مسارات السواتل إلى إحداث أخطاء في استخدام الأجهزة.

وقد أظهر تحليل مسارات متكررة من CryoSat-2 و ICESat-2 أن بعض مناطق صحيفة ثلج غرينلاند ترتفع بمعدلات ملحوظة، فعلى سبيل المثال، فإن غلام سداسي جاكوبشفان قد خفف بأكثر من 150 مترا في بعض الأقسام منذ التسعينات، ثم يتم تداخل هذه القياسات باستخدام أساليب إحصائية لخلق نماذج من التغير في مسارات الجليد في جميع أجزاء المقاييس.

التحويل الجسيمي

ويتطلب تحويل قياسات الجاذبية بين GRACE/GRACE-FO إلى تغييرات جماهيرية جليدية تجهيز البيانات المعقدة، وتتألف البيانات الأولية من معامل تناظرية شهرية تمثل ميدان الجاذبية، ويطبق العلماء مرشحات لتقليل الضجيج من المد المحيط، والضغط الجوي، والتكيف الجليدي الجليدي - الارتداد البطيء لأشعة الأرض بعد الشارة الخضراء الأخيرة.

ويوفر النهج غير المتناظر تقديرا مباشرا للتوازن الجماعي دون الحاجة إلى تحمل الكثافة الجليدية أو الاختلال السطحي، ولكن نظرا لأن نظام تقييم الموارد الطبيعية في غرب المحيط الأطلسي قد اتخذ قرارا متبادلا، فإن الإشارات الواردة من المناطق القريبة (مثل التغيرات في الكتلة المحيطية) يمكن أن تلوث إشارة صحيفة الجليد، ومن أجل التصدي لذلك، يستخدم العلماء أقنعة أو نماذج للأمام، وعلى الرغم من هذه التحديات، فإن بيانات نظام تقييم الموارد البشرية لا تزال هي المعيار الذهبي لتقارير الكلية عن الخسائر الجماعية التي يُذكرها بانتظام.

التعلم في مجال الآلات ودمج البيانات

ويتزايد استخدام رصد صحائف الجليد الحديثة لوحدات التعلم الآلي لتجهيز المجلدات الهائلة من البيانات الساتلية، وتستخدم أساليب مثل الغابات العشوائية، والشبكات العصبية الملتوية، والتعلم العميق لتصنيف الملامح السطحية بصورة تلقائية (مثل تحديد الأعمدة أو الخداع)، وسد الثغرات في البيانات، وتحسين عمليات الاستقراء، وتجمع تقنيات دمج البيانات بين منتجات التأشيرات، والأشعة، والتصوير الافتراضية، والصور الموحّد.

فعلى سبيل المثال، يجمع مشروع " التمارين المشتركة بين المقارنات بين الموازين " في صحيفة آيس بين مجموعات البحوث في جميع أنحاء العالم للجمع بين تقديراتها باستخدام إطار صارم إحصائياً، وقد أجرى النهج الذي يتبعه المعهد الدولي للإحصاء والتقييمات المجتمعية تقييمات ثقة عالية تبين أن كلا الشرائح الجليدية تفقد الآن الكتلة عند معدلات متسارعة، كما يجري استخدام التعلم الآلات لتحسين تقديرات التداب المميتة - كثافة الجليد في التفسير.

ألف - مزايا الرصد الساتلي عبر الطرق البرية

التغطية المكانية غير المنفصلة

ويمكن أن تراقب السواتل جميع صحائف الجليد في غرينلاند وفي أنتاركتيكا في غضون أيام إلى أسابيع، بينما تقتصر الدراسات الاستقصائية الأرضية على المناطق الصغيرة التي تزورها في وقت متكرر بسبب القيود اللوجستية، حيث توجد في المناطق القطبية محطات جوية دائمة قليلة يصعب الوصول إليها، ولا سيما في فصل الشتاء، وتوفر السواتل تغطية عالمية بصرف النظر عن الحدود السياسية أو صعوبة التضاريس، فعلى سبيل المثال، تخضع المناطق الداخلية في شرق أنتاركتيكا التي تتسم بالبرد والنائية إلى حد بعيد للرصد الشهري.

الفرز المتواتر والمستمر

وتعيد السواتل في المدارات القطبية النظر في نفس المنطقة على فترات منتظمة، ويعود كل 369 يوما (بدورة فرعية مدتها 30 يوما) ويكرر الساتل سينتينيل-1 6-12 يوما، ويعطي نظام إدارة المعلومات والتحليلات الجمركية تغطية يومية، ويتيح هذا التردد الزمني العالي للعلماء استخلاص التغيرات الموسمية - مثل موسم الذراع الصيفي - واكتشاف التغيرات المفاجئة مثل موجات الجليدية أو انهيار الجليد.

الوثائق العالية الدقة والطول

ويمكن أن تقيس أجهزة التأجير الحديثة التغيرات في الارتفاع التي لا تتجاوز بضع سنتيمترات، إذ أن نظام التأجير الجوي المشترك بين المجلس الدولي المعني بإحصاءات المناخ والوحدة في بونت - 2 يحقق الدقة الرأسية في حوالي 2 - 4 سم على سطح ثابت، ويمكن أن يكشف النظام العالمي لرصد المحيطات والغلاف الجوي عن التغيرات الجماعية التي تعادل 1 سم من الماء فوق منطقة تبلغ 300 كيلومتر، كما أن مستويات التصيق هذه تكفي لقياسها.

الرصد التشغيلي للسنة الدولية

وتعاني المناطق القطبية من فترات طويلة من الظلام والغطاء الغيومي المتكرر، ويمكن أن تخترق أجهزة التأشيرات الرادار ذات الفتحة الاصطناعية الغيوم وتعمل بشكل مستقل عن ضوء الشمس، وتعطي بيانات موثوقة حتى خلال الشتاء القطبي، وتحتاج أجهزة التأجير إلى سماء واضحة ولكن يمكن تشغيلها حسب الطلب، وتتأكد مجموعة الحساس-1 من أن البيانات الرادارية تجمع كل ستة أيام بغض النظر عن الطقس أو الظلام.

التحديات والحدود في مجال رصد صفحات السواتل

قضايا تحديد المدار والصك

ويجب أن تكون أدوات السواتل معايرة ومثبتة بعناية ضد الحقيقة الأرضية، ويمكن أن تؤدي السحب في الإلكترونيات، وأخطاء الساعات، وفكك المدار إلى أخطاء منهجية، وبالنسبة لأجهزة التأشيرات الرادارية، يمكن أن يسبب التحيز لأن نبض الرادار قد يعكس من طبقات تحت سطح الأرض بدلا من السطح الحقيقي.

الثغرات المكانية والتزمنية

وحتى مع وجود سواتل متعددة، لا تزال هناك ثغرات، فالدور القطبي يتجمع في القطبين، ولكن هناك ثقب صغير في القطب الدقيق (في حدود درجة واحدة) لا يغطي كل تصاريح الدخول، بل إن المباعدة بين المسارات الأرضية المتقادمة يمكن أن تكون عشرات الكيلومترات عند خط الاستواء، بينما توجد كثافة في مرتفعات، وفي المناطق التي توجد فيها منحدرات كبيرة (مثلاً للهوامش الخضراء).

تعديل إحصائيات غلايسية وغيرها من السجون

ومن أكبر حالات عدم التيقن في تقديرات التوازن الكتلي غير المتناظرة تصحيح التكييف الجليدي، وما زال صخر الأرض يرتفع استجابة لإزالة الجليد من آخر أكبر قدر من الجيل، وهذا الحركة الرأسية يسهم في إشارة الجاذبية، وتعتمد نماذج ارتفاع درجة حرارة الجليد في طبقة الترسبات الجليدية والتاريخ الجليدي، التي لا تزال مقيدة في بعض المناطق، على افتراضات تتعلق بمعدلات التقلب الجليدي.

حجم البيانات وتجهيزها

ويولد مرور واحد من ICESat-2 بلايين من العدات الضوئية، كما أن تجهيز هذه البيانات إلى منتجات الارتفاع المفيد يتطلب حاسبة قوية وحسابات متطورة، ويجب تنظيف البيانات الأولية من الضوضاء، والآثار الجوية، والتلوث بضوء الشمس، وبالمثل، فإن تجهيزات منطقة البحث العلمي تتطلب تصفية دقيقة للمرحلة لاستخراج إشارات ذات معنى من التشهير، وفي حين أن هيمنة البيانات والتعلم الآلي تتطلب مساعدة في ذلك.

الاتجاهات المستقبلية في رصد صفحات السواتل

البعثات المخططة والمقترحة

وستزيد عدة بعثات مقبلة من تحسين قدرات رصد صفائح الجليد، وسيؤدي هذا البرنامج إلى توسيع نطاق التغطية اليومية لأجهزة قياس الترددات العالية التي تستخدمها وكالة ناسا، بما في ذلك برنامج الرصد الجوي العالمي الذي يُعتزم إطلاقه في عام 2024، بحيث يُستخدم في إطار برنامج " لام " ، بحيث يُستخدم في إطار نظام " C-band System " ، وسيعزز قياسات المبيدات المحتوية على ثلجية، ويساعد على خريطة ثلاثية للأشعة تحت تأثير سواتل " .

التكامل مع البيانات في الموقع

والبيانات الساتلية أقوى عندما تقترن بالقياسات الأرضية، وما زالت عملية المقارنة الدولية لأرصدة الجليد (IMBIE) تدمج البيانات الساتلية مع الدراسات الاستقصائية لليزر المحمول جواً، ومحطات النظام العالمي لتحديد المواقع، وقياسات الثقوب، ومن المرجح أن توزع الجهود المقبلة أجهزة استشعار مستقلة (مثل محطات الطقس الآلية وأجهزة استقبال النظم العالمية لسواتل الملاحة على رفوف الجليد) التي يمكن أن توفر بيانات التحقق في الوقت الحقيقي.

التعلم في مجال الآلات وآلات التصوير المتطورة لرصد الوقت القريب

ومن شأن التقدم في مجال الاستخبارات الاصطناعية أن يتيح تجهيز البيانات الساتلية في الوقت القريب، ويمكن تدريب الشبكات العصبية على كشف أحداث الفرز والذوبان السطحية والحرق تلقائيا، مما يقلل من الفجوة بين اقتناء البيانات وتحليلها، وعلى سبيل المثال، يمكن الآن للأجهزة المجهزة للأشعة السينية أن تكتشف عجلات الجليد في غضون ساعات، وفي المستقبل، يمكن للنظم الآلية أن توفر تحذيرات من عدم استقرار تدفق الجليد أو التغيرات السريعة في الحجم.

نحو نهج شامل للمنظومة الأرضية

ويتجه رصد صحائف الجليد إلى منظور متكامل لنظم الأرض، فبدلا من معالجة صحائف الجليد في عزلة، يقوم العلماء بجمع البيانات الساتلية عن صحائف الجليد مع رصد تيارات المحيطات، وتداول الغلاف الجوي، ومساحة الأرض، ويمكن للبعثات مثل الساتل السطحي للمياه وتضاريس المحيطات، الذي أطلق في عام 2022، أن تقيس ارتفاع مستوى تآزر المحيطات والبحيرات على السواء؛ وسيساعد هذا الساتل على تحسين نماذج مقاييس الارتفاع في مستوى سطح المحيط.

خاتمة

وتُحدث التكنولوجيا الساتلية قدرة على رصد التغيرات في صحائف الجليد، وتوفير بيانات حاسمة لفهم تغير المناخ والتنبؤ بارتفاع مستوى سطح البحر، وتُظهر الآن نظم التكيُّف القائمة على الرادار والليزر، وسواتل الرصد غير المتناظر، والمجسات البصرية، وتُسهم كل منها برؤية فريدة، من حيث التغيرات التصاعدية إلى الفقد الجماعي والديناميات السطحية.

For further reading, see NASA’s Ice Sheet Vital Signs, the ESA CryoSat mission page at ]ESA CryoSat, and the IMBIE project at