إن الرؤية الواردة أعلاه أصبحت هادئة لأكثر الأدوات حيوية في مجال الإدارة البيئية، إذ أن مئات سواتل رصد الأرض تدور حول الكوكب يوميا، وتولد بيانات محبوبة عن البيانات التي تسترشد بها القرارات الحاسمة بشأن تغير المناخ وإدارة الموارد والاستجابة للكوارث وصحة النظم الإيكولوجية، وما كان يوما ما مجالا متخصصا يقتصر على الاستخدام العسكري والعلمي قد تطور إلى قطاع يسهل الوصول إليه ويتجه نحو التجارة ويزود الحكومات باستمرار بصور ذات مسارات استخبارية.

The Mechanics of Earth Observation: How Satellites See the Planet

فالتصوير الساتلي أو الاستشعار عن بعد يعتمد على أجهزة الاستشعار المثبتة على منابر المدار التي تلتقط الإشعاع الكهرومغناطيسي المنعكس أو المنبعث من سطح الأرض، فهم الفيزياء الأساسية والهندسة وراء هذه الملاحظات أمر أساسي لتقدير قوتها وحدودها، وتعمل السواتل من مختلف الارتفاعات والممرات المدارية، وكلها تناسب مختلف أنواع الرصد، وتختلف أجهزة الاستشعار ذاتها اختلافا واسعا، وتكشف عن الطاقة.

المدارات واستراتيجيات المراقبة

إن ارتفاع مداري وطول ساتل يحدد تغطيته وتواتره وتسويته المكانية، وتوضع السواتل المدار الأرضي الثابت في موقع ثابت على مدار الأرض، ويزيد طوله على 786 35 كيلومتراً فوق خط الاستواء، ويطابق سرعة تناوب الأرض، ويتيح لها الحفاظ على موقع ثابت بالنسبة للأرض، وهذا الرأي الدائم يجعلها مثالية للرصد المستمر لظواهر الطقس، مما يتيح تحديثات سريعة عن تطور الأعاصير، والغلاف،

وعلى النقيض من ذلك، فإن السواتل ذات المدار الأرضي المنخفض تحلق بالقرب من السطح، حيث يتراوح عادة بين 400 و 800 كيلومتر، وهي تدور حول الكوكب بسرعة، وتستكمل مدارا كل 90 دقيقة أو نحو ذلك، ومعظم سواتل رصد الأرض التي تستخدمها المدارات ذات النسق الشمسي، مما يعني أنها تمر عبر موقع معين في نفس الوقت من الزمان الشمسي المحلي، وهذا الظل المستمر هو أمر حاسم بالنسبة للكشف عن التغيرات على مر الزمن.

ويعتبر المفاضلة بين منطقة الاستبانة المكانية والتغطية أحد الاعتبارات الرئيسية في تصميم البعثات، إذ يمكن للسواتل الموجودة في مدارات أعلى أن ترى مقايضة أوسع نطاقا للأرض ولكن في حل أشجار الفضاء، بينما يلتقط الموجودون في المدارات الأدنى تفاصيل أدق على مسار أضيق، وكثيرا ما يقوم مشغلو السواتل الحديثة بنشر مجموعات من السواتل الصغيرة المتعددة التي تعمل جنبا إلى جنب لتحقيق حل مكاني عال وتواتر فترات إعادة النظر.

الاستشعار عن بعد: ما بعد اللفترة المرئية

إن أدوات الاستشعار عن بعد هي مقاييس إذاعية أساسية تقيس كثافة الطاقة الكهرومغناطيسية عبر نطاقات موجية محددة، وتعكس مختلف المواد - النبات، والمياه، والتربة، والصخور الخالصة - الطاقة وتستوعبها بشكل مختلف في خطوط الموجات المتميزة، وتُعرف هذه الأنماط بالتوقيعات الطيفية، وبمقارنة القياسات عبر النطاقات المتعددة الأطياف، يمكن للمحللين أن يحددواد التي تُحدِّر، وتقيِّم،

وتلتقط أجهزة الاستشعار ذات الاحتياجات البصرية والشبه الحمراء الضوء على أن العين البشرية يمكن أن ترى، إلى جانب جزء من الطيف المفرط بالأشعة تحت الحمراء، وهو ما يفيد بشكل خاص في تحليل الغطاء النباتي، وتتجلى فيه الأوراق الخضراء الصحية السليمة بقوة في الزراعة القريبة من الأشعة تحت الحمراء، بينما يستوعب التركيز على الغطاء النباتي أو الموت قدرا أكبر من هذه الطاقة، ويعزز مؤشر الاختراق الطبيعي هذا التناقض على الصعيد العالمي، ويوفر نموذجا لنشاط الفيزيائي.

وتراعي نطاقات الموجات القصيرة (SWIR) محتوى المياه في النباتات والتربة، مما يجعلها قيمة لكشف الإجهاد الرطب والتمييز بين مختلف أنواع الصخور والمعادن، وتقيس أجهزة الاستشعار الحرارية ذات الظلام الحرارية التي تستخدمها أجهزة المسح الحراري، مما يتيح المراقبة الليلية وكشف الظواهر السحابية الحرارية مثل الحرائق البرية والنشاط البركاني، وساد الأشعة الحرارية.

حماية الكوكب: التطبيقات الرئيسية للبيانات الساتلية

وتترجم القدرات التقنية لسواتل رصد الأرض مباشرة إلى تطبيقات قوية لحماية البيئة والتنمية المستدامة، وتمثل الفئات التالية بعض أكثر الطرق تأثيراً التي تستخدم فيها البيانات الفضائية لرصد وإدارة الصحة الكوكبية.

Climate Change Monitoring and Carbon Accounting

وتوفر السواتل القياسات العالمية والطويلة الأجل التي تدعم فهمنا لتغير المناخ، كما أن سجل مستوى سطح البحر، الذي يستمد من أجهزة قياس الرادار على السواتل مثل جيسون - 3 وسينتيل - 6، يظهر اتجاها تصاعديا لا يقاومه، يحركه التوسع الحراري للمحيطات وذوبان الجليد الأرضي، وبالمثل، فإن مقاييس بعثة GRACE-FO على نحو غير عادي تُحدث تغيرات في ميدان الجاذبية الأرضية.

(ب) إنَّ سواتل التكوين الجوي، مثل سواتل (ناسا) و(أوك 2) و(أوك 3) إلى جانب (جيسات) اليابانية و(تانسات) الصينية، وخرائط ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وتركيزات الميثان، وتراقب هذه الأدوات استيعاب ضوء الشمس بواسطة جزيئات غازات الدفيئة، مما يتيح للعلماء اختلال مصادر الانبعاثات والبالوعات الطبيعية، وهذا المنظور الفضائي ضروري للتحقق من وجود سياسات وطنية لتخفيف انبعاثات غازات الدفيئة، وتقييم مدى فعالية

Ecosystem Protection and Biodiversity Tracking

ولا يزال إزالة الغابات أحد أكثر التحديات البيئية إلحاحا، مما يؤدي إلى انبعاثات الكربون وفقدان التنوع البيولوجي، وتوفر نظم رصد السواتل مثل نظام رصد الغابات العالمي إنذارات شبه آنية بشأن فقدان الغطاء الشجري عبر الكوكب، وقد أدت هذه الإنذارات، التي تستمد أساسا من بيانات لاندسات وسينتنل - 2، إلى تمكين السلطات المحلية والمجتمعات المحلية ومنظمات الحفظ من كشف عمليات قطع الأشجار غير المشروعة وإنفاذ أنظمة استخدام الأراضي، وقد أدى توافر هذه البيانات على نطاق واسع إلى تحويل مطالبات الحكومات المتعلقة باستدامة الغابات.

كما تؤدي الصور الساتلية دوراً متنامياً في حفظ البحار، ويمكن للمستشعرات البصرية العالية الاستبانة أن ترسم خرائط لأسر الصعاب البحرية، والغابات الكلبية، وقياسات الأعماق الشعاب المرجانية، بينما تكتشف أجهزة الاستشعار الحرارية وجود أوواها من الشواذ السطحية البحرية التي تسبب أحداثاً تبيض فيها الشعاب المرجانية، وتستخدم صوراً لوكالة الفضاء الروسية لتحديد الانسكابات النفطية، وتتبع حركة مرور السفن في المناطق المحمية، ورصد مدى استحالة قيام واضعي السياسات بتجميع الجليد البحري.

الحد من أخطار الكوارث والاستجابة الإنسانية

وعندما تضرب الكوارث، يكون الوقت هو ندرة الموارد، فالصور الساتلية التي تم الحصول عليها قبل وقوع الحدث وبعده توفر للمستجيبين في حالات الطوارئ تقييما سريعا وموضوعيا للمناطق المتأثرة، وينسق الميثاق الدولي بشأن الفضاء والكوارث الكبرى تفعيل الأصول الساتلية من وكالات الفضاء المشاركة عندما تحدث كارثة كبرى، وتوفر بيانات مجانية لمنظمات الإنقاذ والإغاثة في جميع أنحاء العالم، وقد تم تفعيل هذه الآلية مئات المرات للأعاصير والفيضانات والزل وأمواج التسونامي والنيران البرية.

(ب) إن رسم خرائط الفيضانات هو حالة استخدام شديدة بوجه خاص لصور منطقة البحث العلمي، ولأن الإشارات الرادارية تخترق الغطاء السحابي، فإن سواتل منطقة البحث يمكن أن تلتقط النطاق الكامل للتخلي حتى أثناء استمرار ظروف العواصف، كما أن مقارنة الصور التي تُلتقط بعد وقوع الأحداث ببيانات خط الأساس تتيح للمحللين توليد عمق الفيضانات وخرائط مدىها في غضون ساعات من الاحتياز، وتوجيه قرارات الإجلاء وتخصيص الموارد.

الموارد المائية والوصاية الزراعية

وتكثيف شح المياه العذبة في أنحاء كثيرة من العالم بسبب تقلب المناخ وتزايد الطلب عليها، وتوفر السواتل مجموعة أدوات شاملة لرصد موارد المياه، وتوفر بعثة الشبكة العالمية لرصد المياه الجوفية التابعة لمنطقة البحر الكاريبي/منظمة الأغذية والزراعة لمنطقة البحر الكاريبي قياسات شهرية لتخزين المياه الكلية، بما في ذلك المياه الجوفية، مما كشف عن معدلات نضوب مخيفة في طبقات المياه الجوفية الرئيسية في الهند، وادي كاليفورنيا الوسطى، والشرق الأوسط.

وبالإضافة إلى الكمية، ترصد أجهزة الاستشعار الساتلية نوعية المياه، وتكتشف أجهزة استشعار لون المحيطات مثل نظام رصد المياه ونظام رصد الأرض والتلوث البحري تركيزات الكلوروفيل، وعبء الرواسب، وزهرات الطحالب الضارة في البحيرات والمستودعات والمياه الساحلية، وتستخدم هذه المعلومات من جانب مرافق المياه لتعظيم عمليات المعالجة ومن جانب الوكالات البيئية لإصدار دراسات الكشف عن المحاصيل في مجال الصحة العامة.

Emerging Frontiers in Earth Observation Technology

ويمر ميدان الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل بتحول سريع، مدفوعاً بالتطورات في مجال تقليل الملاءمة وتجهيز البيانات وتصميم أجهزة الاستشعار، وهذه التغييرات توسع ما هو ممكن وتخفض الحواجز أمام دخول المستعملين في جميع أنحاء العالم.

The Rise of Small Satellite Constellations

أما النموذج التقليدي للسواتل الحكومية الكبيرة ذات المدار الأحادي مثل لاندسات، الذي يجري استكماله - وفي بعض الحالات التخطيط - بواسطة مجموعات من السواتل الصغيرة، وتدير شركات مثل مختبرات الكوكب مئات من الكوكيزات في مدار أرضي منخفض، وتوفر تغطية عالمية يومية في ثلاثة إلى خمسة ميغاتر، وهذا التردد الزمني هو متغير في استخدام الشعارات لأغراض الكشف عن التغيرات السريعة في المشهد الأرضي، بما في ذلك أنشطة البناء.

وعادة ما تكون للسواتل الأصغر جداول زمنية للتنمية أقل وتكاليف الإطلاق الأقل، مما يتيح دورات تجديد التكنولوجيا الأكثر تواترا، مما يتيح للمشغلين إدماج أحدث تكنولوجيات الاستشعار، وتخزين البيانات، ونظم الاتصالات في تصميماتها، ونتيجة لذلك وجود نظام إيكولوجي سريع التطور حيث تتحسن القدرات سنويا بدلا من عقد من الزمن، غير أن الاتجاه يطرح تحديات لإدارة حركة المرور الفضائي ويثير شواغل بشأن بروتوكولات الحطام المداري، التي تعالجها الصناعة بنشاط من خلال استراتيجيات الاصطدام بالكولات.

الاستخبارات الفنية والتحليل الآلي

ويتجاوز حجم البيانات التي تنتجها مجموعات السواتل الحديثة إلى حد بعيد قدرة المحللين البشريين على تفسيرها يدوياً، إذ أن خوارزميات التعلم الآلاتية أصبحت الآن أساسية لاستخراج معلومات قابلة للتطبيق من الصور الخام، كما أن نماذج التعلم العميق، ولا سيما الشبكات العصبية الملتوية ومحولات الرؤية، مدربة على تصنيف الغطاء الأرضي الميكانيكي أو كشف الأجسام اليدوية، وتحديد الشذوذات في مختلف المناطق الجغرافية الشاسعة.

والحساب الحاسوبي للسن هو حدود ناشئة يتم فيها نشر القدرة على المعالجة مباشرة على الساتل، ومن خلال تشغيل الخوارزميات الموجودة على متن الساتل، يمكن للسواتل أن ترشّح صوراً للغطاء السحابي، وأن تكتشف خصائص محددة من الاهتمام، وأن تخفض البيانات ذات الصلة لا المشهد الخام بأكمله، وهذا يقلل من متطلبات الترددات الترددية ومن الرطوبة، مما يتيح سرعة الاستجابة للتطبيقات الحساسة من حيث الوقت مثل رصد الكوارث والمراقبة البحرية.

أشعة الشمس والمحلل الجغرافي المكاني

وتأتي أكبر الأفكار من جمع البيانات من أجهزة الاستشعار المتعددة والمصادر، وتوفر الصور البصرية المزودة ببيانات البحث عن المعلومات صورة أكثر اكتمالا، وتعوض عن القيود التي يفرضها كل جهاز من أجهزة الاستشعار الفردية، وتدمج عمليات الرصد الساتلية مع شبكات الاستشعار الأرضية، والدراسات الاستقصائية للسيارات غير المزودة بأجهزة قياسية، والبيانات الاجتماعية - الاقتصادية، بيئة تحليلية غنية لفهم النظم البيئية المعقدة.

دال - التخفيف من تحديات الرصد الفضائي

وعلى الرغم من إمكاناتها الهائلة، فإن الاستخدام الفعال للصور الساتلية يواجه عقبات مستمرة، ومن الضروري التصدي لهذه التحديات لضمان توزيع منافع رصد الأرض على نحو عادل والحفاظ عليها على نحو مستدام.

سد الفجوة الرقمية والبيانات

وفي حين أن البيانات الساتلية أصبحت أكثر وفرة، فإن الهياكل الأساسية التقنية والخبرة اللازمة لتجهيزها وتحليلها لا تزال تتركز في الدول الغنية والمؤسسات ذات الموارد الجيدة، وقد تفتقر البلدان النامية، التي كثيرا ما تواجه أشد التهديدات البيئية، إلى إمكانية الوصول إلى الحاسوب السحابي، والتواصل الشبكي الموثوق به، والموظفين المدربين اللازمين للاستفادة من البيانات الساتلية بفعالية، كما أن برامج بناء القدرات وسياسات البيانات المفتوحة أساسية لسد هذه الفجوة.

ضمان استمرارية البيانات وإمكانية التشغيل المتبادل

ويتوقف الرصد البيئي الطويل الأجل على استمرار القياسات الرئيسية للسواتل، ويمكن للثغرات بين البعثات أن تعطل سجلات بيانات المناخ وتعرقل القدرة على كشف الاتجاهات، ويمكن أن يؤدي استمرار التمويل لبعثات المتابعة ووضع معايير بيانات قابلة للتشغيل المتبادل تتيح الجمع بين أجهزة الاستشعار المختلفة في سلسلة زمنية متسقة إلى أولويات مستمرة للوكالات الفضائية وهيئات التنسيق الدولية، وبدون تخطيط دقيق، يمكن أن يؤدي تقلص سجل البيانات الحاسم إلى مساندة جهود رصد المناخ بحلول سنوات أو عقود.

الخصوصية البحرية والأمن

إن تزايد توافر صور التسوية على مستوى المناطق الفرعية يثير أسئلة مشروعة بشأن الخصوصية والأمن الوطني، وفي حين توفر سياسات البيانات المفتوحة الشفافية والمساءلة، فإنها تتيح أيضا إمكانية إساءة الاستخدام، بما في ذلك مراقبة الأنشطة المدنية أو الهياكل الأساسية الحساسة، ويشكِّل تحقيق التوازن الصحيح بين الشفافية وحماية الخصوصية تحديا مجتمعيا معقدا يتطلب الحوار المستمر بين الحكومات والمشغلين التجاريين والمجتمع المدني، مع الحفاظ على مخاطر الاستخدام المسؤول، بما في ذلك القيود المفروضة على الوصول إلى البيانات أثناء الأزمات، وات التخفيف من مخاطر الكشف عن الهوية، هي أمور أخرى.

الاستنتاج: رؤية لا يمكن استيفاؤها من أجل مستقبل مستدام

وقد انتقلت عملية التصوير بواسطة السواتل من قدرة علمية متأصلة إلى بنية أساسية أساسية للإدارة البيئية الحديثة، حيث إن الرؤية من المدار توفر منظوراً مستمراً وموضوعياً وعالمياً يناسب بشكل فريد معالجة حجم التحديات الكواكبية وإلحاحها، ومن تتبع انبعاثات الكربون وإزالة الغابات إلى التصدي للكوارث وإدارة ندرة المياه، فإن عمليات الرصد الفضائية لا تزال تتيح اتخاذ قرارات مستنيرة على كل مستوى، بدءاً من المفاوضات الدولية بشأن المعاهدات إلى إدارة المزارع الفردية.