مستشعر قمر صناعي يمكنه الرؤية في الظلام يكشف معلومات جديدة لخبراء الأرصاد الجوية ورجال الإطفاء وفرق الإنقاذ والباحثين حول العالم
لا أحد يحب أن يكون في الظلام بشأن ما يحدث حوله، وهذا صحيح بشكل مضاعف في أوقات الخطر. وهنا، عندما يحل ظلام الليل فجأة على الأرض أو المحيط، يتوقف العلماء والمتنبئون عن تلقي صور الأقمار الصناعية في نطاق الضوء المرئي، وبالتالي يفقدون معلومات عن العواصف الدوامية، وعن الدخان الخانق المتصاعد من الحرائق، وعن الأنهار الجليدية البحرية الكبيرة التي تعرض السفن للخطر. وحول السحب الأخرى والأكثر فظاعة.
يبدأ مستشعر جديد يسمى "Day Night Band" في ملء هذا الفراغ. المستشعر، وهو جزء من نظام التصوير المرئي والأشعة تحت الحمراء المعروف باسم VIIRS المحمول على القمر الصناعي Suomi-NPP، حساس للغاية لدرجة أنه يمكنه قياس وهج مصباح شارع واحد، وأضواء سطح سفينة واحدة في قلب العالم. المحيط الأطلسي الأسود الفحمي في الليل، أو هدير لهب الغاز الذي يومض عبر مساحات شاسعة من حقول النفط في داكوتا الشمالية. حتى في الليالي غير المقمرة، يمكن لجهاز الاستشعار اكتشاف السحب أو الحقول المغطاة بالثلوج المضاءة بواسطة وهج الليل الخافت للغلاف الجوي نفسه.
لاحظ الباحثون الذين يستخدمون المستشعر على مدى السنوات الثلاث الماضية سمات رائعة للقوى المؤثرة على الأرض، مثل موجات الطاقة الهائلة التي تطلقها العواصف الرعدية في الغلاف الجوي. كما أدت البيانات الواردة من أجهزة الاستشعار إلى تحسين قدرة المتنبئين على تحذير السكان الذين يعيشون في مسار الأعاصير، وساعدت رجال الإطفاء على تتبع حركة سحب الدخان القاتلة، وساعدت السفن الضالة على تجنب الجليد الطافي في المحيط.
يوفر المستشعر أيضًا معلومات تكميلية لتلك الواردة من مستشعرات الأشعة تحت الحمراء الأخرى لأن المستشعرات الأخرى تواجه صعوبة في اكتشاف الغطاء السحابي المنخفض والغطاء الثلجي، اللذين يميلان إلى الاندماج في محيطهما في الظلام. إلى جانب ذلك، بدأ العلماء بالفعل في إدخال البيانات القادمة من مستشعر "شريط النهار والليل" في البرنامج الذي يحسب مقدار ضوء القمر الموجود في ليلة معينة. ومن هذه المعلومات يمكن تحديد درجة انعكاس ضوء السحب وبالتالي استنتاج كمية الرطوبة المخزنة فيها. يمكن لخبراء الأرصاد استخدام هذه المعلومات للتنبؤ بكيفية تأثير الغيوم على درجات حرارة سطح الأرض بين عشية وضحاها، وكذلك لمساعدة الطيارين على تجنب الظروف الجوية حيث يمكن أن يتراكم الجليد على طائراتهم. يمكن أن تساعد البيانات الواردة من المستشعر أيضًا في التنبؤات الجوية اليومية المخصصة للمجتمعات الواقعة في خطوط العرض الشمالية أو الجنوبية للغاية، والتي تغمرها كل شتاء لعدة أشهر في ظلام دامس دون معلومات أساسية حول الظروف الجوية المحيطة بها.
في الوقت الحالي، يعمل مستشعر "نطاق الليل والنهار" واحد فقط في الفضاء. ويدور القمر الصناعي Suomi-NPP، الذي تديره الإدارة الوطنية الأمريكية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)، حول الأرض في مدار يبلغ ارتفاعه 800 كيلومتر ومتزامن مع حركة الشمس. ونتيجة لذلك، فإنه يمر فوق أي نقطة معينة على الأرض مرتين في اليوم: في حوالي الساعة الواحدة والنصف بعد الظهر والساعة الواحدة والنصف ليلاً، حسب التوقيت المحلي. إذا تم تركيب أجهزة الاستشعار هذه في الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض، بحيث يحوم كل جهاز استشعار باستمرار فوق نقطة واحدة على الأرض، فسيكون من الممكن تسجيل أفلام مستمرة لمصادر الضوء، وليس مجرد صور فردية.
إحدى المنصات المحتملة لمثل هذه الرؤية الليلية المستمرة هي سلسلة مستقبلية من الأقمار الصناعية البيئية المستقرة بالنسبة إلى الأرض، والمعروفة باسم GOES، والتي تخطط الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) لإطلاقها في ثلاثينيات القرن الحالي. وإذا حملت هذه الأقمار الصناعية أجهزة استشعار مشابهة لمستشعر "نطاق الليل والنهار"، فسيتمكن الباحثون من مراقبة مصادر الضوء في البحر وعلى الأرض بشكل مستمر وبالتالي رصد السحب والأمطار والبقع النفطية والحرائق والدخان والعواصف الترابية والبراكين والجليد. كتل طوال الليل. وسيكون بمقدورهم أيضًا تعقب سفن الصيد التي تبحر بشكل غير قانوني في مناطق محظورة بالصيد، والمساعدة في تحديد موقع الطائرات التي تحطمت في البحر، كما حدث مؤخرًا لطائرات الخطوط الجوية الماليزية، وطيران الجزائر، وطيران آسيا.
الإنقاذ في البحر
سفينة الصيد الأمريكية Kiska Sea، التي لعبت دور البطولة لفترة معينة في المسلسل التلفزيوني الشهير "Deadliest Catch"، هي جزء من أسطول من مياه السلطعون الضحلة في بحر بيرينغ. وفي فبراير/شباط 2014، هبت رياح شمالية قوية في وسط بحر بيرينغ، مما دفع كتل الجليد إلى المنطقة التي نصبت فيها أسراب السلطعون مصائد بحجم سرير مزدوج. في 10 فبراير، عندما كانت سفينة كيسكا سي هي السفينة الواقعة في أقصى الشمال في الأسطول، اتصل طاقم السفينة بمحطة مراقبة الجليد العائمة التابعة لخدمة الأرصاد الجوية الأمريكية في أنكوراج، ألاسكا، وطلبوا معلومات حول حالة الجبال الجليدية بالقرب من خط الفخاخ التي وضعتها السفينة. نشر.
وأكد أعضاء هيئة الأرصاد الجوية أن الكتل الجليدية تخترق بالفعل منطقة المصائد. يتحرك Kiska C نحو المصائد لجمعها والحفاظ على اتصال مستمر مع محطة مراقبة Anchorage. لكن في 13 فبراير، وجد طاقم سفينة كيسكا أنفسهم محاطين بجبال جليدية عائمة، يزيد سمك بعضها عن متر. لتجنب الانقلاب أو السحق، كان على Kiska C التحرك بسرعة، لكن النهار القصير والليل غير المقمر جعل الملاحة خطيرة. استخدمت محطة التتبع البيانات من مستشعر "شريط النهار والليل" لكشف أضواء السفينة وتحديد موقعها بدقة كبيرة (نقطة بيضاء في وسط الصورة على اليمين؛ يمكنك رؤية السفن الأخرى في أسفل اليمين ركن). استفاد المستشعر أيضًا من التوهج الليلي الخافت للغلاف الجوي لتحديد الخطوط الأمامية للجليد (خطوط متقطعة تشير إلى الأسفل من الزاوية اليمنى العليا).
وبهذه المعلومات التفصيلية، ساعد فريق خدمة الأرصاد الجوية القبطان في توجيه السفينة في اتجاه الغرب والجنوب الغربي، للخروج من حصار الكتل الجليدية العائمة. وهكذا ساعدت "أضواء الليل" الجوية للأرض في إعادة بحر كيساكا إلى المياه الآمنة.
صياد الإعصار
عند حدوث إعصار، من الضروري معرفة موقع عين العاصفة لأن أقوى الرياح وأقوى العواصف تحدث خارجها مباشرة. ومن الممكن أن يؤدي التتبع الأكثر دقة لعين العاصفة إلى إنقاذ الأرواح، والتأثير على قرارات مديري الطوارئ بشأن عمليات إجلاء المدنيين، وتوفير ملايين الدولارات من خلال تحديد مواقع رجال الإنقاذ بشكل أكثر دقة وتحسين تخصيص الموارد.
في 28 يوليو 2013، هدد إعصار بيلوسي جزيرة هاواي الكبرى. وتتبع خبراء الأرصاد الجوية موقع العاصفة عن كثب، ولكن بعد حلول الظلام فقدوا مسار عين العاصفة. وأخفت السحب الرقيقة العالية عين العاصفة المتواجدة على ارتفاعات منخفضة عن مستشعرات الأشعة تحت الحمراء المعتادة في الأقمار الصناعية (صورة بالأبيض والأسود). مع تقدم الليل، شعر المتنبئون بالانزعاج أكثر فأكثر من احتمال حدوث "مفاجأة شروق الشمس": وهو الوضع الذي يعتقدون فيه أنهم يتبعون المسار الليلي للإعصار بدقة ولكن عند شروق الشمس فقط يكتشفون أنه بسبب التغيرات في الرياح على ارتفاعات عالية، والتي تسبب انحرافات في مسار الأعاصير، فلا توجد عين العاصفة تحت الطبقة السميكة من السحب كما كانوا يعتقدون.
ولحسن الحظ هذه المرة، مر القمر الصناعي الذي يحمل جهاز استشعار "نطاق الليل والنهار" فوق العاصفة في الساعات التي سبقت الفجر. اخترق المستشعر بسهولة السحب الرقيقة في الطبقات العليا (اللون الأزرق في الصورة الملونة) واكتشف عين العاصفة على مستوى الأرض (اللون الأصفر). وأظهرت الصور أن مركز العاصفة يقع شمالًا أكثر مما كان متوقعًا (يتحرك في الاتجاه الشمالي الغربي للدائرة الزرقاء)، وبالتالي فإن التهديد الذي يتعرض له الجزيرة كان أقل مما تم تقديره سابقًا. أصدر المتنبئون في فرع هونولولو التابع لهيئة الأرصاد الجوية الأمريكية توقعات الساعة الخامسة صباحًا أبلغوا فيها قوات الطوارئ بالتغيير في مسار العاصفة وبالتالي منعوا الإخلاء غير الضروري للمواطنين ووفروا آلاف الدولارات.
نظرة خاطفة من خلال شاشة الدخان
عدد حرائق الغابات في غرب الولايات المتحدة آخذ في الارتفاع، ويرجع ذلك جزئيا إلى أشكالها الدائمة. نظرًا لصعوبة تتبع الدخان أو جبهات النار التي يخفيها الدخان في الظلام، غالبًا ما يجد رجال الإطفاء الذين يكافحون هذه الحرائق العنيفة أثناء النهار أن الحرائق تستغل الليل لإحراز تقدم.
يمكن أن تخلق حرائق الغابات أيضًا رياحًا قوية تغير سرعة النيران واتجاهها، مما قد يعرض فرق الإطفاء للخطر فجأة. يبرد الدخان بسرعة وتعادل درجة حرارته درجة حرارة الهواء المحيط به. وفي الليل، تصبح سحب الدخان غير مرئية تقريبًا لأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء الموجودة على الأقمار الصناعية. غالبًا ما تفشل هذه المستشعرات أيضًا في اكتشاف الشعلات الصغيرة على طول جبهات النار.
يعد عدم القدرة على مكافحة النيران أثناء الليل مشكلة محبطة لأنه خلال هذه الساعات تكون درجات الحرارة أقل والرطوبة أعلى والرياح أضعف، لذا فإن الليل هو الوقت المثالي لعمليات الإطفاء. يمكن لأجهزة الاستشعار الحساسة للضوء المنخفض أن تساعد، كما يمكن رؤيته في صور حريق غابات كبير وقع في كاليفورنيا في عام 2013 (أعلاه). أولاً، عندما يكون هناك ضوء القمر، يمكن لهذه المستشعرات في كثير من الأحيان رؤية سحب الدخان بوضوح وتقديم تحذير لرجال الإطفاء (أعلى اليمين)، على عكس أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء التي لا ترى هذا الدخان (أعلى اليسار). ثانيًا، يمكن لأجهزة الاستشعار أن تحدد بشكل أكثر دقة موقع جبهات النيران، بما في ذلك حالات التفجر الصغيرة (يمكنك أن ترى أن الصورة أعلاه على اليمين أكثر تفصيلاً). توفر سحب الدخان أيضًا معلومات قيمة حول الرياح القريبة من السطح والتي تنفخ الهواء في النيران. تُظهر الصورة العلوية اليمنى رياحًا جنوبية قوية تحمل الدخان شمالًا. وفي هذه الحالة، كانت الخطوة الصحيحة لرجال الإطفاء هي الاقتراب من النيران من الجنوب.
توهج الليل في الغلاف الجوي
إذا مددت يدك للأعلى، حتى في ليلة مظلمة بدون ضوء القمر وعندما تكون بعيدًا عن أي مصدر للضوء، فستظل قادرًا على رؤية صورتها الظلية غير الواضحة على خلفية السماء "السوداء". وذلك لأن التفاعلات الكيميائية المعقدة في الغلاف الجوي العلوي تنبعث منها ضوء خافت. ويسجل رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية بانتظام هذا التوهج الليلي، لكن هيكله التفصيلي لم يكن معروفا حتى الآن. اندهش الباحثون الذين يستخدمون مستشعر "نطاق الليل والنهار" عندما اكتشفوا أن ملامح الشفق القطبي ظهرت ذات ليلة بالقرب من عاصفة رعدية. وأظهرت الصور تموجات مميزة في توهج الليل. ترسل الطاقة المنطلقة خلال عاصفة رعدية موجات جوية تنتقل إلى الأعلى. وبعد حوالي ساعة إلى ساعتين، عندما يصل ارتفاع هذه الموجات إلى ما يقرب من مائة كيلومتر، أي بالقرب من حافة الميزوسفير، فإنها تهز طبقة التوهج الليلي وتخلق دوائر متموجة متوهجة ذات مركز مشترك. التقط المستشعر هذه الظاهرة أثناء عاصفة رعدية قوية في تكساس عام 2014 (أعلاه) وأحداث أخرى.
هذه الموجات أكثر من مجرد فضول؛ إنها تحمل الطاقة التي تحرك تيارات الهواء الدوامة في الغلاف الجوي العلوي. إن قدرة مستشعر "النطاق الليلي والنهاري" على اكتشاف هذه الموجات والتموجات تسد فجوة موجودة في النماذج التي تصف ديناميكيات الغلاف الجوي العلوي، وبالتالي تساعد الباحثين على التنبؤ بشكل أفضل بالطقس وفهم التغيرات المناخية. وقد ربطت الملاحظات التي تم إجراؤها من الأرض بين موجات الشفق والزلازل القوية، بما في ذلك الزلزال الذي أحدث تسونامي مدمر عام 2011 بالقرب من توهوكو في اليابان. يبدو أن الحركات الزلزالية تخلق موجات ضغط تتحرك للأعلى في الغلاف الجوي. ومن المحتمل أنه بمساعدة مستشعر "النطاق الليلي النهاري" سيتمكن العلماء من اكتشاف موجات التسونامي حتى أثناء عبورها المحيط من خلال متابعة الموجات الجوية التي تتحرك فوقها.
باختصار
- يستطيع مستشعر القمر الصناعي الجديد، المعروف باسم "نطاق الليل والنهار"، اكتشاف مصادر الضوء على الأرض التي تكون أضعف بعدة مرات مما تستطيع أجهزة الاستشعار القديمة اكتشافه.
- يمكن لهذا المستشعر أيضًا اكتشاف السحب والثلوج وغيرها من الميزات التي تختفي في الليالي الخالية من القمر ولا يتم إضاءتها إلا من خلال التوهج الجوي.
- تساعد البيانات الصادرة عن المستشعر الباحثين على تتبع الأجسام التي تكون غير مرئية تقريبًا في الليل، مثل الأعاصير ودخان حرائق الغابات والسفن الضالة.
- ستؤدي إضافة أجهزة استشعار مماثلة إلى الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض إلى توفير أفلام لمصادر الضوء على الأرض على مدار 24 ساعة بدلاً من الصور الفردية التي يتم التقاطها مرتين في اليوم.
عن المؤلف
ستيفن د. ميلر هو أحد كبار الباحثين في المعهد التعاوني لأبحاث الغلاف الجوي بجامعة ولاية كولورادو. وهو المسؤول عن العديد من الصور في هذه المقالة.
