טכנולוגיית לווין למעקב אחר שינויי קרח: כלים וטכניקות

ארכיון תגיות: Ice Sheet Monitoring from Space

גליונות קרח בגרינלנד ובאנטארקטיקה מחזיקים מספיק מים קפואים כדי להעלות את רמות הים הגלובליות ביותר מ-60 מטרים אם הם היו צריכים להמיס לחלוטין.אפילו הפסד חלקי של ההמונים קרח אלה היה עמוק reshape חופים, מערכות אקולוגיות, תשתיות אנושיות ברחבי העולם. מדענים מסתמכים על טכנולוגיית לוויין לעקוב אחר שינויים בנפח הקרח, המסה, וזרימה עם דיוק חסר תקדים.

ניטור קרח לוויין מודרני החל בשנות ה-90 עם מכ"ם אלטרים על משימות כמו ERS-1 ו- ERS-2 היום, מערך של לווינים מסוכנויות חלל כולל נאס"א, סוכנות החלל האירופית (ESA), וארגונים לאומיים פועלים בקונצרט.מכשירים אלה מודדים גובה גיליון קרח, מהירות פני השטח, משיכה כבידה וטמפרטורת פני השטח. על ידי שילוב מקורות נתונים מרובים, מדענים יכולים להפריד יכולת טבעית ממגמות ארוכות טווח על ידי שינוי האקלים.

כלי לוויין בסיסיים ותפקידיהם

רדאר אלטר

רדאר אלטר שולח גלי מיקרו לעבר פני השטח של כדור הארץ ומדיד את הזמן שלוקח להדהד.זמן זה של טיסה מומר למרחק, נותן את גובה גיליון הקרח מעל פני אליפסואיד ההתייחסות. Radar altime מצטיין בכיסוי ענן חודר וניתן לפעול במהלך הלילה הקוטבי, מה שהופך אותם לבלתי תואמים במשך השנה.

CryoSat-2, שהושק ב-2010, נושאת מכ"ם אסטרומטי אלטר (SIRAL) רגיש במיוחד לשינויים בשוליי גיליון הקרח ועל פני שטח תלול, היכולת שלה למפות שינויים בגובה פני כל גרינלנד ואנטארקטיקה גליונות קרח חשפה עלייה במשקל של קרחונים בחוף הים בשנת 2011.

לייזר Altimeters

לייזר אלטרים - הנקרא גם לידר - משתמשים בסיסמאות קצרות של אור לייזר כדי למדוד את הגובה. כי דבורים לייזר הן צרות יותר ויש להן טביעת רגל קטנה יותר מאשר הדופק, הם יכולים לפתור תכונות בקנה מידה בסדר גודל כמו crevases, בריכות התכה, וזרמי קרח בודדים. ICESat-2 (ICESat-2) ו-Eevation Satellite-2), הושקו בשנת 2018, משתמשות ב-D-countn-counting לייזר המאפשרים של 2 מ-D.

לייזר אלטר רגישים יותר לכיסוי ענן ודורשים שמים ברורים, אך הנתונים שהם מספקים הם חיוניים לאימות מדידות מכ"ם ולזהות שינויים עדינים במגרעות קרח.שילוב של מכ"ם לייזר אל-זמןטרי שיפר מאוד את ההערכות של שינוי המוני קרח, עם ההחלטה הגבוהה של ICESat-2 מסייעת לצמצום משימות מכ"ם ישנות יותר.

לוויינים Gravimetric

לווייני Gravimetric לזהות וריאציות בתחום הכבידה של כדור הארץ הנגרמות על ידי שינויים בהתפלגות ההמונים.כ גיליון קרח מאבד מסה, המשיכה הכבידה המקומית יורדת מעט.ה GRACE (Gravide Experiment) המשימה, הושקה בשנת 2002, ויורשו GRACE-FO (2018) מורכב לווייני תאום טסים בהיווצרות, מדידה שינויים במרחק של דיוק מיקרומטר.

נתוני GRACE היו מהפכניים.הם מספקים מדידה ישירה של אובדן המוני קרח המשולב על כל גיליון הקרח, לא רק בנקודות על פני השטח.לדוגמה, GRACE הראה כי גיליון הקרח האנטארקטי איבד כ -1,2 מיליארד טון קרח בשנה מ-2002 עד 2016, עם שיעור הפחתת נתונים בדיוק. GRACE-FO ממשיך את השיא הזה, ומבטיח מעקב אקלים.אחד הוא פתרון מרחבי יחסית משותף (כ-300 ק"מ), שבו לא יכול להיות בדיוק מצבור עם אובדן נתונים.

אופטית ו- Thermal Imaging Sensors

חיישנים אופטיים על לווינים כגון Landsat 8/9, Sentinel-2, ו- MODIS (על טרה ואבוי) ללכוד תמונות גלויות ואדום של גליונות קרח.תמונות אלה חושפים תכונות משטח כמו בריכות התכה, שברים, ואת ההגירה של שולי גיליון קרח. להקות אינפרא אדום מדד פני השטח, אשר קריטי להבנת דינמיקה משולבת עם עלייה של נתונים, טמפרטורה לעזור למדענים במאזן הקרח.

MODIS, למשל, מספק כיסוי עולמי יומי ברזולוציה של 250-1000 מ', המאפשר ניטור רציף של תאריך ההיתוך, היקף הקיץ נמס, ואת התחדשות של חבילת השלג. חיישנים ברזולוציה גבוהה יותר כמו לנדסאט (30 מ') ו Sentinel-2 (10-20 מ') יכול לעקוב אחר מונחי קרחונים בודדים ו crevases יחד, נתונים אלה מהווים לטווח ארוך ארוך עד 70 שנים לאחור כדי לצפות במגמות, כדי לצפות במגמות קרח.

איסוף נתונים וניתוח טכניקות

Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR)

InSAR היא טכניקה עוצמתית למדידת מהירות פני השטח של קרח ועיוותים.על ידי השוואת שני תמונות מכ"ם או יותר של אותו אזור שנלקח בזמנים שונים, מדענים יכולים ליצור אינטרפרוגרם אשר מראה הבדלים בשלב הנגרמים על ידי תנועת פני השטח. הבדלים אלה בשלב זה מומרים מפות עם דיוק תת-ממדי.InSAR גילה כי קרחונים רבים מחוץ לגרינלנד והם להאיץ, מאיץ את המסירה של האוקיינוס לקרח.

משימות לוויין כמו Sentinel-1 (C-band מכ"ם) מספקות נתונים רגילים של InSAR כל 6-12 ימים על אזורי הקוטב.מדענים משתמשים ב-InSAR כדי לחשב שדות מהירות קרח, אשר לאחר מכן קלטו לתוך דגמי זרימת קרח.הטכניקה גם מזהה שינויים בקווים מעוקלים - הנקודה שבה הקרחון משאיר את המיטה ומתחיל לצף.

חזור על-Track ו- Cross-Over Altimetry

אלטרים יכולים למדוד שינויים בגובה לאורך זמן על ידי השוואת נתונים מעוברים חוזרים על אותו מיקום.עבור מכ"ם אלטר, הטכניקה נכונה עבור מדרונות וחוספס פני השטח באמצעות DEM (מודל עלייה דיגיטלית) לייזר אלטר יכול להיות מדויק יותר בגלל ניתוח טביעת הרגל הקטנה שלהם. קרוס-over-מאשר הבדלים שבהם גבהים לווייניטים - מספק שיטה חזקה כדי להפחית שגיאות למסלול וסחף.

ניתוח מעקב חוזר מ CryoSat-2 ו- ICESat-2 הראה כי כמה אזורים של גיליון הקרח של גרינלנד דקים בשיעורים יוצאי דופן.לדוגמה, הקרחון של איסבבן איסבנד (ICESat-2) ירד על ידי יותר מ-150 מטרים בחלק מהחלקים מאז שנות ה-90. המדידות נקודה אלה מנטרות לאחר מכן באמצעות שיטות סטטיסטיות כדי ליצור מפות של שינוי על פני גיליון הקרח כולו.

המונחים:

המרת גלי משקל GRACE /GRACE-FO לשינויים במסה קרח דורש עיבוד נתונים מורכב.הנתונים הגולמיים מורכבים מורכבים מורכבים מורכבים של קידוד הרמוני דרמטי חודשי המייצג את שדה הכבידה. מדענים מחילים כדי להפחית רעש מגאות האוקיינוסים, לחץ אטמוספירי, וגלסטרוי הוא התאמות גולגולתיותטטיות (GIA) - ריבאונדט איטי של כדור הארץ לאחר עידן הקרח האחרון הוא תיקון קריטי: אובדן מסיבי, אם לא יכול להסתנן, לאחר אובדן המוני, לאחר חודש.

הגישה הgravimetric מספקת הערכה המונית ישירה ללא צורך להניח צפיפות קרח או גסות פני השטח.עם זאת, כי GRACE יש פתרון coarse, אותות מאזורים הסמוכים (למשל, שינויים המוניים באוקיינוס) יכול לסווג את אות גיליון הקרח. כדי לטפל בזה, מדענים משתמשים במסכות או מודל קדימה.למרות האתגרים האלה, נתונים GRACE נשארים תקן הזהב עבור אובדן המוני קרח ודיווחים IPCC באופן קבוע.

Machine Learning and Data Fusion

ניטור קרח מודרני יותר ויותר מעסיק אלגוריתמי למידת מכונה כדי לעבד את הכרכים העצום של נתונים לווייניים.שיטות כמו יערות אקראיים, רשתות עצביות אבולוציה, ולמידה עמוקה משמשים כדי לסווג באופן אוטומטי תכונות פני השטח (למשל, זיהוי בריכות נמס או crevases), למלא פערים נתונים ולשפר את הטכניקות של היתוך נתונים משלבות altime, gravimetry, ודימוי אופטי כדי לייצר קרח מאוחד עם עודף של מוצרים מופחתים עם אי-ודאות.

לדוגמה, פרויקט Ice Sheet Mass Balance Inter-comparison (IMBIE) מביא קבוצות מחקר ברחבי העולם כדי לשלב את ההערכות שלהם באמצעות מסגרת קפדנית סטטיסטית של IMBIE הגישה האנסמבל סיפק הערכות אבטחה גבוהות מראה כי שני גליונות הקרח מאבדים כעת מסה בקצב מצטבר.

יתרונות הפיקוח על פני שיטות קרקע

כיסוי ספארי ללא תקדים

לווינים יכולים לצפות בכל גליונות הקרח של גרינלנד ואנטארקטיקה בתוך ימים עד שבועות, בעוד סקרים המבוססים על הקרקע מוגבלים לאזורים קטנים ביקרו באופן בלתי צפוי בשל מגבלות לוגיסטיות.אזורי הקוטב יש כמה תחנות מזג אוויר קבועות וקשה לגשת, במיוחד בחורף, לוויינים מספקים כיסוי עולמי ללא קשר לגבולות פוליטיים או לשטח.

תדירות ותשומת לב

לוויינים במסלולים הקוטביים חוזרים על אותו אזור במרווחים רגילים. CryoSat-2 משחזר כל 369 ימים (עם תת-מחזור של 30 יום), Sentinel-1 מספק 6-12 יום חזרה, ו-MoDIS נותן כיסוי יומי. תדר זמני גבוה זה מאפשר למדענים ללכוד וריאציות עונתיות - כגון עונת ההמיסה בקיץ - ולזהות שינויים פתאומיים כמו גלידת קרח או התמוטטות מדפים.

רשומות לטווח ארוך ו-Long-Term Records

אלטרים מודרניים יכולים למדוד שינויים בגובה של רק כמה סנטימטרים.ICESat-2 של מערכת ה- Geoscience לייזר Altimeter System (ATLAS) משיג דיוק אנכי של 2-4 ס"מ על פני משטחים שטוחים. GRACE-FO יכול לזהות שינויים המוניים המקבילים ל 1 ס"מ של מים מעל אזור 300 ק"מ.

מעקב אחרי שנת מבצע

אזורי הקוטב חווים תקופות ארוכות של חושך וכיסוי ענן תכוף.רדאר אלטרים ו מכ"מים סינתטיים יכולים לחדור עננים ולפעול באופן עצמאי מאור השמש, לתת נתונים אמינים גם בחורף הקוטבי. לייזר אלטרים דורשים שמים ברורים, אך ניתן להפעילם על הביקוש.קבוצת הסנטינל-1 מבטיחה שנתוני מכ"ם נאספים כל 6 ימים ללא קשר למזג אוויר או לחשיכה.

אתגרים ומגבלות של ניטור קרח לווייני

בעיות אורביטאל והאינסטינקטיות

יש צורך בזהירות מקיפים את כלי הלוויינים ולאומת נגד האמת הקרקעית. Drifts באלקטרוניקה, שגיאות שעון, ושפל מסלול יכול להציג שגיאות שיטתיות. עבור מכ"ם אלטר, חדירת האות לתוך שלג ופירן יכול לגרום להטיות כי הדופק הרדאר עשוי לשקף משכבות תת-קרקעיות ולא משטח אמיתי, לייזר אלטרים נמנעים, אבל יכול להיות מושפע מעננים ופיזור אטמוספרי.

פעפיים ספאריים ופיתוי

גם עם לווינים מרובים, פערים נשארים.מסלולים Polar מתאספים בקוטבים, אבל יש חור קטן בקוטב המדויק (בדרך כלל בתוך 1 מעלות) שאינו מכוסה כל מעבר. ביקורתי יותר, הספיגה בין מסלולים קרקעיים אלטר יכולה להיות עשרות קילומטרים בקו המשווה; בעוד צפופים יותר בקווי הרוחב גבוהים, אזורים עם מדרונות תלולים (כמו שולי הקרח של גרינלנד) עדיין יכולים להתרחש בין תקופות של הריסות או חוצות (מכסות), עדיין, במהלך פערים נוספים, או לוויינים).

הסתגלות של גליון Isostatic ותיקוןים אחרים

אחת הוודאויות הגדולות ביותר במאזן ההמונים Graclametric היא התיקון להתאמה קרחונים של קרחונים (GIA) הקרום של כדור הארץ ממשיך לעלות בתגובה להסרת קרח מן ה-Guracial מקסימלי, ותנועה אנכית זו תורמת לאות הכבידה. GIA משתנה בהתאם להנחה על פני סטיות והיסטוריה קרח, אשר הם חסרי מחוסנים באנטארקטיקה, כמו גם את רמת הקרח הגדולה, כמו גם עם רמות קרח.

נפח עיבוד ומורכבות

מעבר ICESat-2 יחיד מייצר מיליארדי ספירות פוטושופות.המידע הזה למוצרים שימושיים דורש מחשוב רב ואלגוריתמים מתוחכמים.יש לנקות את הנתונים הגולמיים, אפקטים אטמוספריים, וזיהום אור השמש באופן דומה, עיבוד InSAR דורש שלב זהיר ללא הפוגה כדי לחלץ אותות עיוות משמעותיים. בעוד מחשוב ענן ולמידה מכונה עוזרים, הנטל המחשוב נותר גבוה יותר, שמירה על רשומות לטווח ארוך דורשות זהירות כדי להבטיח התחדשות וניהול נתונים.

כיוונים עתידיים ב-Surnel Ice Sheet Monitoring

משימות מתוכננות ומפוכחות

כמה משימות מתקרבות ישפרו עוד יותר יכולות ניטור קרח.הכריז של נאס"א (נאס"א-סרוס סינתטי Aperture Radar), מתוכננות לשיגור ב-2024, יספק מכ"ם L-band המסוגל לחדור עמוק עוד יותר לתוך הקרח מאשר מערכות C-band הנוכחיות.זה ישפר מדידות אינטאר על גבי קרח ולעזור למפות 3D deformation של ESAsneys, כולל תוכניות לוח זמנים בינוניות, כולל Altiner (Alttinus) לטווח בינוני, כולל תוכניות לוח זמנים אלקטרונים לטווח בינוני (Alternance) לטווח בינוני, כולל תוכניות).

שילוב עם Situ Data

נתונים של לווין הם חזקים ביותר בשילוב עם מדידות קרקעיות.המאמץ הבינלאומי של Ice Sheet Mass Balance Inter-comparison (IMBIE) ממשיך לשלב נתונים לוויין עם סקרי לייזר אוטומטיים, תחנות GPS, ומדידות חלל בעתיד סביר להניח להפיץ חיישנים אוטונומיים (למשל, תחנות מזג אוויר אוטומטיות ו-GNSS על מדפי קרח) שיכולים לספק נתונים אמיתיים אימות של ד"ר ו- Uncremes (שמשו) ו-remes) לשימוש יותר ויותר עם סוללות אבטחה (כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו גם כן, כלי רכב).

Machine Learning and AI for Near-Real-Time Monitoring

ההתקדמות בבינה מלאכותית תאפשר עיבוד של נתונים לווייניים לטווח קצר.רשתות נילי יכולות להיות מאומן לזהות אירועים מקיפים, התכת פני השטח, ו crevases באופן אוטומטי, צמצום הלג בין רכישת נתונים וניתוח. לדוגמה, אלגוריתמים לעיבוד תמונה של בינה מלאכותית יכולים כעת לזהות calving הקרחון בתוך שעות.

לקראת גישה מקיפה של מערכת כדור הארץ

ניטור קרח עובר לכיוון נקודת מבט משולבת של מערכת כדור הארץ במקום לטפל בגליונות קרח בבידוד, מדענים משלבים נתונים לווייניים על גליונות קרח עם תצפיות של זרמי האוקיינוס, זרימת אטמוספרית, ו permafrost. Missions כמו פני המים והאוקיינוס העליון (SWOT) לוויין אשר הושק בשנת 2022, יכול למדוד את גובה פני האוקיינוס והאגמים; זה יעזור לשפר את המודלים של איך האוקיינוסים החמים עם משקעים אזוריים.

מסקנה

הטכנולוגיה של הלוויין הפכה את יכולתנו לפקח על שינויי קרח, לספק נתונים החיוניים להבנת שינויי האקלים וחיזוי עליית רמת הים. ראדר ו- לייזר אלטר, לווייני gravimetric, וחיישנים אופטיים כל אחד מהם תורמים תובנות ייחודיות, משינויים בהפסדים המוניים ודינמיקה של פני השטח.טכניקות כגון InSAR, מעקב חוזר אלטר, ו ⁇ לאחור במדענים מאפשרים לבנות תמונה מקיפה של התנהגות קרח וגילויית, כמו אתגרים מדויקים יותר, כמו תצפיות אבטחה, כמו שיטות אבטחה, כמו לוויינים, כמו שיטות מעקב, גם רדיקאליות, כמו שיטות אבטחה מתקדמות יותר, כמו שיטות אבטחה, כמו גרינלנד, ותצפיות אבטחה, כמו גרינלנד, כמו רדיקאליות, כמו שיטות אבטחה, כמו שיטות מעקב, כמו שיטות מעקב, ותצפיות אבטחה מתקדמות יותר, ושינויים, רדינל, רדינל, כמו רדינל, רדינל, וכן רדינל, ועוד, רדינל, רדיקאליות, כמו שיטות מעקב, בדיקות אבטחה מתקדמות יותר, כמו רדינל, בדיקות אבטחה מתקדמות יותר, בדיקות אבטחה מתקדמות יותר, כמו רדינל, כמו רדינל, כמו רדינל, רדיפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטומטיות, כמו רדי

(ב) ראה את ה-[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]