غطاء الثلج المناخ أنماط: رصد التغيرات الموسمية بواسطة السواتل

مقدمة: الرؤية من أ فوق

إن الغطاء الثلجي هو أحد أكثر السمات دينامية في الأرض)٢٨٢١(؛ السطح، التحول بشكل كبير مع المواسم والاستجابة بشكل حساس للتغيرات في درجة الحرارة والتهطال؛ وقد اعتمد العلماء على مدى عقود على القياسات الأرضية وشبكات محطات الطقس لتتبع مدى الجليد وعمقه؛ غير أن هذه الملاحظات تتيح تغطية مكانية محدودة، لا سيما في المناطق الجبلية النائية والمناطق ذات الغطاء الجليدي المرتفع التي يؤدي فيها الجليد دورا حاسما في نظام المناخ.

وتبحث هذه المادة كيف تتيح تكنولوجيا السواتل الرصد الدقيق للغطاء الجليدي، وما تكشفه البيانات عن التقلب الموسمي والسنوي، ولماذا تهم هذه الملاحظات علوم المناخ، وإدارة الموارد المائية، وصحة النظام الإيكولوجي.

تكنولوجيات السواتل لرصد الثلج

وتلتقط السواتل المجهزة بمستشعرات بصرية وثديية ودقيقة ودقيقة صوراً لأجهزة الاستشعار الأرضية - 817؛ وتظهر على فترات منتظمة، مما يتيح للباحثين رسم خرائط لمدى الثلج، والعمق، بل ومكافئات مياه الثلج على المناطق الكبيرة، والمبدأ الأساسي وراء الكشف عن الجليد البصري هو التأمل الكبير (البيدو) في السحابات المرئية ذات الموجات مقارنة بمعظم السطح الطبيعي.

أجهزة الاستشعار والمنصات الساتلية الرئيسية

وتوفِّر مجموعة من البعثات الساتلية حاليا بيانات عن الغطاء الجليدي في مختلف القرارات المكانية والزمنية، ويُقدِّم القرار الحديث الذي يُستخدم فيه جهاز الاستشعار عن بعد (MMODIS) على متن الساتل NASA، SBO-S، 817، وتُقدِّم سواتل " Terra " و " Aqua " تغطية عالمية يومية بـ 500 متر، مما يجعلها أحد أكثر المصادر استخداما لرسم خرائط الثلج، معدة، معدة، معدة، حيث تُعدَّدة، و " ، وتُعَتُتُتُتُعَتُعَتُتُتُتُتُتُتُعَتُتُتُتُتُتُتُعَتُعَتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتَّمَّمَّمَّمَّمَّمَتُتَّمَّتَّمَتَّتَّتُتَّمَّمَتَّمَتَّمَتَّمَتْتْ

وبالنسبة لقياس عمق الثلج وشبكة المياه الجوفية، فإن أجهزة الاستشعار المصغرة السلبية مثل جهاز الاشعاع المتطور للموجات الدقيقة ٢ )AMSR2( وجهاز الاستشعار الخاص للموجات الدقيقة )المعادن( تستخدم في استخدام الأشعة السينية )SMIS( لأن انبعاثات الموجات الدقيقة من الأرض تفرق بشكل مختلف عن طريق الثلج الجاف مقارنة بالأسطح الخالية من الثلج، ويمكن لهذه أجهزة الاستشعار أن تخترق الغطاء السحابي وتعمل في النهار والليل.

How Satellites Measure Snow Cover

وتعتمد رسم خرائط ثلوج السواتل الضوئية على مؤشر الاختلاف المطبعي (NDSI)، الذي يستخدم نسبة التأمل في نطاق مرئي (مثل 0.55 ميكروم) وفرقة قصيرة الموجات (مثل 1.6 ميكروغرام)، وتظهر الآن انعكاسا كبيرا في الثقوب السحابية المرئية والمنخفضة في الموجات القصيرة، مما ينتج عنه قيمة عالية من المسح الني.

وبالنسبة لغطاء الثلج المقطعي، تقدر الخوارزميات النسبة المئوية لبستة مغطى بالثلوج بتحليل التوقيعات الطيفية المختلطة، وهذا مفيد بصفة خاصة في المناطق الحرجية التي تحجب فيها الأشجار سطح الثلج، وتسمح تقديرات الجزء من الثلجي من البكسل برصد دقيق لتوقيت الصهر الجليدي والديناميات الإقليمية لخط الثلج.

كما أن أجهزة الاستشعار العاملة بالموجات الدقيقة مثل الرادار ذي الفتحة الاصطناعية على الساتل " سينتينيل-1 " ، تقدم نهجا آخر، وتخترق أجهزة الاستشعار الترددي السحابية ويمكنها اكتشاف التغيرات في الخواص الغذائية للثلوج المرتبطة بالأحداث المذوبة، ويمكن للباحثين، من خلال مقارنة إشارات التخلف من الثلج الرطب والثلج الجاف، تحديد بداية الصهر الجليدي، وتتبع التقدم المحرز في تطبيقات الميضية عبر المشهدات.

السلف في الاستشعار عن بعد لسنو

وستستمر التطورات الأخيرة في مجال تكنولوجيا السواتل في تحسين رصد الثلج، وستوفر بعثة رادار ذي فتحة اصطناعية من طراز ناسا - إسارو، المقرر إطلاقها في عام 2024، رصدا عالميا من منطقة البحث العلمي في الترددات L-band و الترددات S-band Frequencies، مما سيوفر حساسية أكبر لمكافئات مياه الثلج والظروف الأرضية الأساسية، وستحمل الوكالة الأوروبية ثلجية(ب)(8217)؛

Mchine learning techniques have also advanced snow mapping. Convolutional neural networks trained on multi-sensor datasets can now produce snow cover maps with improved accuracy in challenging conditions such as partial cloud cover, little snow, and mixed pixels. These methods are being integrated into operational products from agencies such as the National Snow and Ice Data Center (NSIDC) and the European Centre for Medium-Rangre Weather Fore.

Seasonal Changes in Snow Cover

وقد كشفت عمليات المراقبة الساتلية عن تمزق دورة الثلج الموسمية بوضوح لم يسبق له مثيل، ففي نصف الكرة الشمالي، يبدأ الغطاء الجليدي عادة في التوسع في أيلول/سبتمبر وتشرين الأول/أكتوبر، ويصل إلى أقصى حد له في كانون الثاني/يناير أو شباط/فبراير، ويتراجع بسرعة في آذار/مارس حتى أيار/مايو، وفي نصف الكرة الجنوبي، حيث تكون مساحة الأراضي أصغر بكثير، يكون موسم الثلج أقصر بكثير يقتصر أساسا على الأنديز، وأراض المرتفعة في باتاغونيا، وشبها.

ويصل متوسط الغطاء الجليدي الموسمي في نصف الكرة الشمالي إلى حوالي 47 مليون كيلومتر مربع، مما يجعله واحدا من أكبر التغيرات السطحية السنوية على الأرض، وهذه الدورة الموسمية لها تأثير عميق على ميزانية الطاقة: فالثلج المشرق يعكس الإشعاع الشمسي الذي يعود إلى الفضاء، ويبرد الكوكب، بينما تستوعب السطحات المظلمة الخالية من الثلج الحرارة، وبالتالي فإن توقيت ونطاق الغطاء الجليدي يؤثران تأثيرا مباشرا على درجات الحرارة الإقليمية والعالمية، وعلى التداول الجوي في الغلاف الجوي.

عدد المصابين بمرض السنو

وتظهر سلسلة زمنية ساتلية تمتد أكثر من أربعة عقود (منذ أواخر السبعينات من أجل الموجات الدقيقة السلبية، ومنذ عام 2000 بالنسبة لوزارة العلوم والتكنولوجيا والتنمية) أن دورة الثلج السنوية ليست ثابتة، وفي كثير من المناطق، اختصار موسم الثلج، حيث تساقط الثلج في الخريف وأوائل الثلج في الربيع، وفي نصف الكرة الشمالي، كان الاتجاه نحو الارتفاع في معدل النمو الجليدي في القطب الشمالي أكثر ما يتجلى في فترة العقد الثالث.

ففي القطب الشمالي السيبيري مثلا، انخفضت مدة الغطاء الجليدي المستمد من السواتل إلى 12 يوما في بعض المناطق منذ عام 2000، وهذا النمط ليس موحدا: ففي أجزاء من ألاسكا الداخلية وشمال كندا، تطول موسم الثلج بالفعل بسبب ارتفاع معدلات التهطال في الخريف حيث تهبط الجليد، حتى مع حدوث الانصهار الربيعي في وقت سابق، وتؤكد هذه الاختلافات الإقليمية أهمية الرصد الدقيق للسواتل من أجل التقاط الثلوج.

التغيرات الإقليمية التي ترصد من الفضاء

وتكشف البيانات الساتلية عن وجود تناقضات إقليمية قوية في تقلبات الغطاء الجليدي، ففي جبال الألب الأوروبية، انخفضت مدة الغطاء الجليدي بنحو 25 يوما منذ منتصف القرن العشرين في منتصف الارتفاعات، مع حدوث أكبر تغيرات في الربيع، فبعد أن كانت 1500 مترا، أصبحت الغطاء الجليدي متقطعة بشكل متزايد، مع حدوث أحداث أكثر أمطاراً وهبوط سابق، ولها آثار هامة على السياحة الشتوية، وتوليد الطاقة الكهرمائية، وتوافر المياه العذبة.

وفي منطقة آسيا المرتفعة، التي تشمل هيمالايا، وبطانة التبت، وتين شان، تظهر الملاحظات الساتلية صورة مختلطة، وقد شهدت تنبؤات المياه الرئيسية في الهند وغانغ زيادات طفيفة في الغطاء الجليدي الشتوي في العقود الأخيرة، بينما يظهر وجود اتجاه تناقصي واضح في أحواض التوليد في أعالي البحار وسهر داريا في آسيا الوسطى، وتعزى هذه التغيرات إلى اختلافات في تأثير درجات الحرارة في الهند مقابل الرهبان.

وتشهد منطقة القطب الشمالي أكثر التغيرات إثارة، إذ انخفضت نسبة الغطاء الجليدي الربيعي في نصف الكرة الشمالي بنحو 4.5 في المائة في العقد منذ عام 1979، مع أكبر الخسائر في حزيران/يونيه، حيث تسارع هذا الانخفاض: فقد حدثت جميع المستويات العشرة الأدنى من مستويات الثلج في حزيران/يونيه منذ عام 2010، وتبين الصور الساتلية أن خط الجليد في أرهيبيلا القطب الشمالي الكندي، وأن الاتجاهات الروسية في القطب الشمالي قد تحولت شمالاً بمئات من البوابات البصرية(ب)(ب:(ب)(بليوتراً مربعاً(ب(ب)(ب)(ب(ب(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب:(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب(ب(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب)(ب

الاتجاهات والأنومالي في منطقة الثلج الموسمي

فبعد الاتجاهات الطويلة الأجل، تلتقط عمليات المراقبة الساتلية تقلبات تتراوح بين سنة وأخرى وشذوذ شديد، وقد أدى الشتاء الذي يتراوح بين عامي 2019 و20 في الهيمالايا إلى تراكم ثلوج عالي، يليه زورق سريع غير عادي ساهم في الفيضانات في باكستان وشمال الهند، وعلى النقيض من ذلك، شهد الشتاء الذي يتراوح بين 2022 و2023 غطاء ثلجي منخفضا بشكل استثنائي في سييرا نيفادا في كاليفورنيا وجبال كولوري

كما تسمح البيانات الساتلية بالكشف عن الظواهر النادرة ولكن المؤثرة مثل الجفاف الثلجي، التي تعرف بأنها شتاء معادلة مياه ثلجية دون غير طبيعية، ومن خلال الجمع بين مدى الثلج البصري وتقديرات SWE القائمة على الموجات الدقيقة، يمكن للعلماء تقدير مدى خطورة حالات الجفاف الثلجي ونطاقها المكاني، وقد تم تحديد الجفاف الذي أصاب الجليد في عام 2015 في شمال غرب المحيط الهادئ، على سبيل المثال، بعجز قدره 30 في المائة في نيسان/أبريل/أبريل، ومتوسط متوسطه الصيفي، مع نتائج مباشرة بالنسبة للتدفقات المياه الجوفية في المنطقة.

Implications for Climate Patterns

والعلاقة بين الغطاء الجليدي والمناخ ثنائية الاتجاه: فالتغير المناخي يؤدي إلى تغير الغطاء الجليدي، وتعود الغطاء الجليدي إلى المناخ من خلال الطلاء، وتدفقات الرطوبة، والعزل الحراري للأرض، كما أن الرصد بواسطة السواتل أمر أساسي لتحديد كمية هذه التعليقات وتحسين نماذج المناخ التي يجب أن تمثل عمليات ثلج بدقة للتنبؤ بتصورات الاحترار في المستقبل.

"سنو ألبيدو"

إن التغذية المرتدة بالثلج هي واحدة من أقوى ردود الفعل الإيجابية في نظام المناخ، وعندما تنخفض الغطاء الجليدي، فإن السطح المظلم (السحل، والنبات، أو المياه المفتوحة) يستوعب مزيدا من الإشعاع الشمسي، مما يتسبب في الاحترار الذي يزيد من سرعة صهر الثلج، وهذه التغذية المرتدة قوية بشكل خاص في القطب الشمالي، حيث يُظهر الانتقال من الجليد البحري المغطى بالثلج إلى المحيط المفتوح تغيرا هائلا في الجيبودوزن، من 0.85 إلى حوالي 0.

وتميل نماذج المناخ التي تقلل من قيمة الغطاء الجليدي إلى أن تضعف درجة الحرارة في المناطق المزروعة، ولا سيما في المناطق المزروعة، حيث توفر قيوداً تجريبية على التغذية المرتدة بالثلج، يمكن أن يرصدها مصممو البيانات الساتلية كمواد للتكييف مع التضاريس السطحي والثلج، وعلى سبيل المثال، صب مقياس الجليد بسبب ترسيب الكربون الأسود والغبار الذي يقلل من المقياس المقياس إلى أقصى حد،

الآثار على الموارد المائية والهيدرولوجيا

فالغطاء الجليدي الموسمي يعمل كمستودع طبيعي، ويخزن المياه خلال الشتاء ويطلقها تدريجيا خلال فصلي الربيع والصيف، وبالنسبة للمناطق التي تعتمد على صهر الثلج في مياه الشرب والري والطاقة الكهرمائية، فإن التغييرات في توقيت الغطاء الجليدي وحجمه تترتب عليها آثار اقتصادية واجتماعية مباشرة، وتستخدم وكالات إدارة المياه خرائط الغطاء الجليدي المستمدة من السواتل في العمليات الغربية للولايات المتحدة والهند والصين وأوروبا على نحو فعال للتنبؤ بالهروب وكم.

The National Water Model in the United States, for instance, assimilates MODIS fractional ice cover data to update simulations of soil moisture and stream flow. Studies have shown that assimilating satellite snow cover improves forecast skills for spring flood tops by 10 -30% compared to simulation without these observations. Indus River basin, where irrigation depends heavily on snowFcipate from the Karakoram, satellite data

كما تكشف عمليات الرصد بواسطة السواتل عن مدى تأثير توقيت صهر الثلج على النظم الإيكولوجية في المناطق السفلية، حيث تحولت مصهر الثلج في وقت سابق توقيت تدفقات النهر التي تبلغ ذروتها، مما قد يعطل دورات حياة الأسماك واللافقاريات المائية، وفي حوض نهر كولومبيا، تبين السجلات الساتلية أن تاريخ فقدان الغطاء الجليدي بنسبة 50 في المائة قد تطور إلى 20 يوما منذ عام 2000، مما يغير نظم الحرارة والتدفق التي تعتمد على الصالمون أثناء عملية التصعيد في مجال الحفظ.

Permafrost, Vegetation, and Ecosystem Feedbacks

ويُعد الغطاء الثلجي الأرض، ويمنع التغلغل في الشتاء ويؤخر حرارة التربة في الربيع، ومن ثم فإن التغيرات في عمق الثلج ومدته تؤثر على درجة حرارة الأحواض وسماكة طبقات نشطة، وتدل عمليات رصد ثاني أكسيد الكربون بواسطة السواتل، إلى جانب بيانات الغطاء الجليدي، على أن مدة الموسم الخالي من الثلج قد طالت بعشرة إلى 20 يوماً في معظم أنحاء القطب الشمالي منذ عام 1979.

كما أن استجابات النباتات للغطاء الجليدي المتغير واضحة من الفضاء، حيث أن مؤشرات الغطاء النباتي بواسطة السواتل مثل مؤشر النباتات المتغيرة المطبعية (NDVI) تبين أن موسم النمو قد تطور استجابة لصهر الثلج السابق عبر توندرا القطبية الشمالية والغابات المزخرفة، غير أن بطيخ الثلج المتأخر بسبب ارتفاع معدلات الثلوج قد أوقف النمو في فترة مبكرة من النمو، وهذه التفاعلات هي بيانات معقدة وثابتة.

Snow Cover Data and Climate Modeling

وتعتمد نماذج المناخ على ملاحظات دقيقة عن الغطاء الجليدي من أجل الاستهلال والتثبت من صحتها وفهم العمليات، وتستخدم منتجات الغطاء الجليدي بواسطة السواتل لتقييم مدى ملاءمة النماذج التي تحفز الدورة الموسمية، والتباينات السنوية، والاتجاهات الطويلة الأجل للثلوج، وتظهر نماذج مشروع المقارنات النموذجية المتزامنة 6 (CMIP6) انتشارا واسعا في فقدان الغطاء الجليدي المتوقع بحلول عام 2100، حيث يتراوح بين 10 و 30 في المائة في حالة عدم التيار الحد من عدم التيار الشمالية.

وقد تبين أن تقنيات استيعاب البيانات التي تتضمن رصدات ثلوج السواتل في الدول النموذجية تحسن التنبؤات الموسمية لدرجات الحرارة والتنبؤات المتساقطة، حيث أن المركز الأوروبي لتوقعات الطقس المتوسطة المدى يستوعب الجزء من الغطاء الجليدي بواسطة السواتل من النظام القطبي التابع للاتحاد الأوروبي METSAT وسواتل Meteosat geostationary في نظام التنبؤات الجوية الرقمية التشغيلي.

وسيزيد الجيل القادم من البعثات الساتلية من تعزيز رصد المناخ، وستؤدي بعثة علم الأحياء السطحية والجيولوجيا، التي تشكل جزءا من مرصد النظم الأرضية، إلى زيادة تعزيز رصد المناخ، وسيحمل أيضا مطيافا للأشعة السينية يمكن أن يقاس حجم الجليد، ومحتويات الازدحام، واللبدو في حل مكاني رفيع، وستتغذى هذه القياسات في نماذج لتوازن الطاقة الثلجية وتوقعات الترددات السطحية)٢(.

الاستنتاج: سجل التغيير

وقد أحدثت عمليات المراقبة الساتلية ثورة في فهمنا للغطاء الجليدي وعلاقته بأنماط المناخ على مدى العقود الأربعة الماضية، إذ أن مجموعة أجهزة الاستشعار الساتلية توفر الآن رسم خرائط للثلوج التشغيلية مع التغطية العالمية، وتفاصيل مكانية جيدة، وسجلات زمنية متسقة، وتكشف هذه البيانات أن الغطاء الجليدي يتقلص، وموسم الثلجي يتقلص، وتوقيت الانصهار يتحول بطرق منها التعاقب الإيكولوجي.

واستمرار الاستثمار في البعثات الساتلية، وخوارزميات تجهيز البيانات، واستيعاب النماذج أمر أساسي للحفاظ على هذه القدرة وتحسينها، وبما أن دفء الكواكب والغطاء الجليدي لا يزال يتطور، فإن الملاحظات من الفضاء ستظل حجر الزاوية في علوم المناخ، وتسترشد باستراتيجيات التكيف لإدارة المياه والزراعة وحفظ النظم الإيكولوجية، وأن قصة الثلج، التي تُقال عن طريق الصور الساتلية، هي قصة تغير موسمي دينامي وتحول طويل الأجل إلى 8212؛