پایش اتمسفر: معرفی سنجنده ها (بخش اول: ذرات معلق)

اگر به سیر تحول سنجش از دور نگاه کنید، به سرعت متوجه می شوید اولین هدف سنجش از دور، مطالعات هواشناسی و پیش بینی آن بوده است. در واقع از اوایل دهه 1960 اولین نسل از ماهواره های هواشناسی به نام MetSat بوسیله ایالات متحده آمریکا جهت رصد شرایط هواشناسی به فضا پرتاب شد و از آن پس، پیشرفتهای متعدد در فناوری های ماهواره ای، این سیر تحول به سرعت برای پیش بینی های هواشناسی سپری شد (شکل زیر سیر تحول ماهواره های هواشناسی را نشان می دهد).

در حال حاضر تعداد زیادی ماهواره هواشناسی مدار ثابت و مدار قطبی وظیفه رصد هواشناسی را بر عهده دارند و هر یک در اتمسفر یک پارامتر یا مجموعه ای از پارامترهای خاص را دنبال می کنند.

اما نکته ای که در مورد این اندازه گیری هواشناسی وجود دارد، به ساختار اتمسفر و اثر چندگانه مولکولها بر تابش الکترومغناطیس بر می گردد. اصولاً جهت رصد یک پارامتر خاص در اتمسفر، پارامترهای متعدد دیگری هم وجود دارند که این بررسی را با مشکل مواجه می سازند. حتی رنگ بستر زیرین (رنگ اقیانوس یا خاک) و وضعیت ذرات معلق هم این موضوع را پیچیده تر می کنند.

از اینرو جهت کاهش این اثرات مزاحم در یک محدوده طیفی موثر در رصد یک پارامتر جوی، چندین ده کانال وجود دارند که در طول موجهای مختلف انرژی الکترومغناطیسی را اندازه گیری می کنند.

با این وجود، اندازه گیری های سنجش از دوری اتمسفری، غیر مستقیم هستند و نیاز به واسنجی دارند.

یک اعتبارسنجی کامل باید دارای این ویژگی ها باشد:

• همان پارامتر یا کمیت را بسنجند.
• حجم اندازه گیری یکسان باشد.
• زمان اندازه گیری، همزمان با ماهواره باشد.
• از یک فن مستقل نسبت به اندازه گیری ماهواره ای ناشی شده باشد.
• صحت و دقت بالاتر از اندازه گیری ماهواره ای داشته باشد.
• شرایط ژئوفیزیکی متنوع در اندازه گیری ها وجود داشته باشد.
• مکان اندازه گیری دارای اریبی نباشد (مثلاً فقط روی خشکی، در هوای پاک و … نباشد)
• خیلی گران نباشد.

متاسفانه هیچگاه امکان یک اعتبارسنجی کامل از آن نوعی که در بالا اشاره شد، وجود ندارد. بنابراین سعی می شود یک یا چند مورد از موارد اشاره شده تامین شود.

در بررسی پارامترهای اتمسفری معمولاً، تهیه نیمرخ عمودی آن کمیت، مدنظر پژوهشگران است، از اینرو برخلاف سنجنده های مشاهده گر سطح زمین (آب، خشکی و …)، سنجنده های پایش شرایط اتمسفری چندین روش مشاهده متمایز دارند (شکل روبرو):

دید عمودی (Nadir) : در این روش که بهترین قدرت تفکیک مکانی را دارد، سنجنده دقیقاً اتمسفر زیر خود را اندازه گیری می کند؛ دید افقی با زاویه نسبت به تابش خورشید (Limb): در این روش سنجنده در گوشه اتمسفر به صورت افقی رصد را انجام می دهد به گونه ای که تابش خورشیدی روبرو سنجنده نیست؛ دید کسوفی (Occultation): سنجنده در این روش به صورت افقی به اتمسفر دید می رود ولی خورشید درست روبروی آن قرار دارد. با توجه به وجود زمین بین سنجنده و خورشید به این روش دید کسوفی گفته می شود؛ و روش ترکیبی یا تطابق عمودی و افقی (Limb Nadir Matching) که سنجنده هم دید افقی و هم عمودی دارد و با ترکیب آنها، می تواند اندازه گیری دقیق تری صورت دهد و ستون یک گاز در تروپوسفر را اندازه گیری کند. به دلیل قطب گرد بودن این ماهواره ها یک بخش اتمسفر (تروپوسفر) از هم بخش عمودی و هم افقی قابل مشاهده است.

با توجه به اینکه ذرات معلق در تشکیل ابر، بودجه تابشی زمین، سلامت انسان و … نقش دارند، یکی از ماموریت های ماهواره ای مشاهده گر اتمسفر زمین، بررسی ذرات معلق در آن است. در این بین شاید بتوان بررسی ذرات معلق به کمک نور لیزری یا لیدار (LIDAR—Light Detection and Ranging) را یکی از منحصر به فردترین روشها در این زمینه به شمار آورد. در این روش انرژی الکترومغناطیس با طول موج های کوتاه مثل بخش مرئی و بالای بنفش متمرکز و تقویت می شود تا از آن جهت اندازه گیری استفاده شود. با توجه به کوتاه بودن طول موج در این روش امکان اندازه گیری ذراتی با قطر مشابه طول موج و بزرگتر وجود دارد، از اینرو نور لیزر برای رصد ذرات معلق و ابرها کارآیی بسیار بالایی دارد.

این فناوری بیشتر پیشرفت خودش را مرهون آزمایش 9 روزه لایت (Lidar In-space Technology Experiment (LITE)) بر روی شاتل دیسکاوری در 1994 است (شکل روبرو) که با این آزمایش توان استفاده از نور لیزر برای رصدهای دورسنجی بخصوص اندازه گیری ارتفاع و تراکم ذرات معلق به اثبات رسید.

پس از آزمایش موفق لایت، دو ماهواره CALIPSO و PARASOL از موفق ترین تجربه های استفاده از لیدار در دورسنجی به شمار می روند. سنجنده CALIOP ماهواره CALIPSO هنوز هم فعال است و در مدت 16 روز کل زمین را می پیماید. با این وجود به دلیل ماهیت لیزر این اندازه گیری ها در یک نوار به صورت متوسط یک عرض از زمین صورت می پذیرد و در آن غلظت ذرات معلق و ارتفاع آنها رصد می شود(شکل زیر).

اما به غیر از فناوری لیدار بسیاری از سنجنده های غیرفعال هم در اندازه گیری های خود ذرات معلق را مدنظر قرار داده اند. معمولاً در این سنجنده ها، از عمق اپتیکی هواویز (ضخامت اپتیکی:Aerosol Optical Thickness (AOT)) به عنوان معیاری برای ذرات معلق استفاده می شود. عمق اپتیکی محدوده ی عددی بین 0 تا 5 دارد و نشان می دهد نور یا تابش الکترومغناطیسی چقدر توان عبور از اتمسفر را دارا می باشد (عمق اپتیکی صفر به معنی عبور 100 درصد). در جدول زیر می توانید مهمترین سنجنده ها و ماهواره های کارآمد در اندازه گیری عمق اپتیکی به همراه سالهای فعالیت آنها را مشاهده بفرمایید.

بدون شک، سنجنده مودیس را به لحاظ قدرت تفکیک مکانی و طول دوره فعالیت، می توان یکی از بهترینها در رصد عمق اپتیکی دانست که قبلاً با این سنجنده در ماهواره ترا آشنا شده اید. در کنار مجموعه ماهواره های ترا و آکوا متعلق به ناسا (ماموریت مشاهده زمین) شاید بتوان ماهواره ENVISAT آژانس فضایی اروپا (ESA) را جزء بهترینها دانست.

در این ماهواره، سنجنده سیامِکی (SCIAMACHY) به دو شکل عمودی و افقی برداشت اطلاعات اتمسفری را انجام می دهد و ضمن بررسی شیمی اتمسفر می تواند اطلاعاتی از هواویز و ابر در اختیار علاقمندان قرار دهد.