القياس الراديوي والقياس الطيفي

القياس الراديوي والقياس الطيفي

القياس الراديوي والقياس الطيفي هما تقنيتا قياس تستخدمان بمفردهما أو مع طرق أخرى من أجل مراقبة التكوين الكيميائي للجو (ومنها الملوثات) والأحوال الجوية وبنية السحاب وخصائص سطح الأرض. وتعمل هذه التقنيات بترددات تمتد من ما فوق البنفسجي (أي طول موجة mm 0,4 <) إلى ما تحت الأحمر الحراري (أي طول موجة mm 10,0 <). وتستطيع أجهزة هذه التقنيات العمل بأسلوب المشط أو الكنس أو التسديد الثابت مع وضع أهداف على سطح الأرض وعلى حواف الأجهزة.

وتجرى قياسات المقياس الراديوي عادة في أقل من 50 نطاقاً مختلفاً دون ترشيح صارم. أما قياسات المقياس الطيفي فتجمع معطيات من ألوف النطاقات الضيقة في نفس الوقت. ويمكن الحصول على معلومات قيمة من كلا التقنيتين ليس من خلال تفحص المعطيات في النطاقات المختلفة وحسب بل من خلال تقدير المعطيات التفاضلية الناتجة عن المعطيات المجمعة من النطاقات المتعددة.

والنظام E1 جهاز محمول جواً ومصمم خصيصاً لقياس مؤشرات التغيرات المناخية على الصعيد العالمي. وهو قادر بتغطيته الطيفية الممتدة من 3,7 إلى mm 15,7 (من 81 إلى THz 19,5) على قياس كميات بخار الماء في الجو وغاز الانحباس الحراري، وعلى رسم خرائط دقيقة ثلاثية الأبعاد لبخار الماء وتتبع توزيع غازات الانحباس الحراري في الجو.

ويؤدي النظام E2 دوراً فعالاً في وضع نماذج لنظام الأرض صالحة وشاملة وتفاعلية وقادرة على التنبؤ بالتغيرات على الصعيد العالمي من خلال قياس معلمات مثل التضاريس الأرضية والسحب وحدود الهباء الجوي ودرجات الحرارة والكيمياء الحيوية لأرض المحيطات وارتفاع قمم السحب. ولهذا الجهاز حساسية قياس مرتفعة (12 بتة) في 36 نطاقاً للطيف تمتد على أطوال الموجات من mm 0,4 إلى mm 14,4 (من 750 إلى THz 20,8).

ويتيح النظام E3 قياسات المدى الطويل للمكونات الأساسية للغلاف الجوي الأرضي، وأهمها التوزيع الرأسي للهباء الجوي والأوزون وبخار الماء في الطبقة العليا من التربوسفير في الغلاف الزمهريري. وهذا الجهاز هو مقياس طيف شبكي يقيس طاقة الإشعاع فوق البنفسجي/المرئي باستعمال صفيف خطي CCD مؤلف من 800 عنصر لتوفير تغطية طيفية مستمرة بين 0,29 وmm 1,03 (من 1 034 إلى THz 291). وثمة معلومات إضافية عن الهباء الجوي يوفرها ثنائي مساري ضوئي مستقل بطول موجة (THz 193,5) mm 1,55.

وتتيح هذه التشكيلة للجهاز إجراء قياسات متعددة لخصائص امتصاص أنواع الغازات وقياس الانتثار عريض النطاق في العديد من أطوال الموجات بسبب الهباء الجوي.

والنظام E4 محساس بصري يراقب الإشعاع الشمسي المنعكس على سطح الأرض بما في ذلك اليابسة والمحيطات والسحب و/أو الإشعاع تحت الأحمر مع نظام متعدد القنوات لقياس المحتوى البيولوجي مثل اليخضور والمواد العضوية والرقم القياسي للنباتات ودرجة الحرارة والثلج والجليد وتوزيع السحب. وتستخدم هذه المعطيات في دراسة التغير المناخي والدوران العام للكربون.

والنظام E5 مقياس طيفي يرصد طيف امتصاص حافة الغلاف الجوي اعتباراً من الطبقة العليا من التربوسفير وحتى الغلاف الزمهريري باستعمال نور الشمس كمصدر ضوئي (تقنية خسوف الشمس). ويغطي المقياس الطيفي منطقتين طيفيتين من 3 إلى mm 13 (من 100 إلى THz 23,1) ومن 0,753 إلى mm 0,784 (من 398 إلى THz 383). وقد طُوّر من أجل مراقبة أوزون الغلاف الزمهريري على ارتفاعات عالية. وتنطوي أهداف النظام على مراقبة ودراسة التغيرات في الغلاف الزمهريري التي تنجم عن وجود مركبات الكوروفلور كربون (CFC) وعلى تقييم فعالية عمليات التحكم في انبعاثات هذه المركبات في أرجاء العالم. ويخصص النظام E5 لمراقبة المناطق عالية الارتفاع °73-°57 شمالاً و°64-°90 جنوباً) حصراً وذلك بسبب العلاقة الهندسية بين أحداث خسوف الشمس والمدارات شمسية التزامن. ويستطيع النظام E5 استناداً إلى هذه الملاحظات المتعلقة بالطيف أن يقيس المقاطع الرئيسية للأشكال المتصلة بظواهر تناقص الأوزون ومنه الأوزرن (O₃) وثاني أكسيد الكربون (NO₂) وحمض النتريك (NHO₃) والهباء الجوي وبخار الماء (H₂O) والمركبات CFC-11 وCFC-12 والميثان (CH₄) والنيتروجين (N₂O) ونترات الكلور (C1ONO₂) والحرارة والضغط.

والنظام E6 مقياس طيفي يعمل بمتحولة فورييه وبصبيب بصري عال واستبانة طيفية. وقد صمم الجهاز ليكشف الطيف SWIR الشمسي المنعكس على سطح الأرض وإشعاعات الطيف TIR الصادرة عن الأرض والجو. ويعطي هذا الجهاز مخطط تداخل الإشعاعات الواصلة. ثم يعالج المخطط باستعمال خوارزمية متحولة فورييه داخل الطيف الذي يتضمن طيف امتصاص غازات الانحباس الحراري. ويمكن حساب كثافة عمود الغاز من خلال تطبيق خوارزمية معالجة منع عدوى السحب والهباء الجوي للأطياف المتحولة.

والنظام E7 نظام مختلط للسبر البصري/التصوير بالموجات الصغرية للأحوال الجوية يستخدم في تحسس سطح المحيطات والتضاريس الأرضية عن بعد وفي قياس درجة حرارة الجو وخصائص بخار الماء على الصعيد العالمي.

ويستند مقياس الموجات الصغرية المرافق بالنظام E7 إلى التكنولوجيا التي تجمع قياسات تعدد الترددات والاستقطاب في المكان والزمان. وهو يعمل بالترددات الواقعة في النوافذ الشفافة للغلاف الجوي عند الترددات 6,9 و10,6 و18,7 و23,8 و31 و36,5 وGHz 91 وعند خطوط امتصاص الأوكسجين GHz 57‑52 وبخار الماء GHz 183,31. وإضافة إلى ذلك يضم هذا الجهاز بعض ترددات تشغيل إضافية غير عادية خاصة بالأبحاث الأوقيانوغرافية في النطاقين 42 وGHz 48. ويتيح الجهاز إجراء قياسات لخصائص حرارة الجو على بعد km 42 وبخار الماء على بعد km 6.

ومن خلال جمع المعطيات البصرية وترددات الموجات الصغرية في نفس الجهاز تنتج فوائد متبادلة تستخدم في تحديد المعلمات الجيوفيزيائية. إذ يمكن في نفس الوقت رصد خصائص حرارة الغلاف الجوي والرطوبة الجوية ودرجات حرارة سطح البحار وسرعة الرياح قرب سطح الأرض ولون المحيطات والعمليات البيولوجية في الطبقة العليا من المحيط، مما يتيح رؤية التيارات في المحيط ورصد المناطق التي ترتفع فيها مياه القاع إلى السطح بصورة أفضل. كما يتيح ذلك دراسة التفاعلات بين المحيطات والغلاف الجوي. وهكذا فإن مقدرات النظام E7 تساعد على تبديد الشكوك التي غالباً ما تظهر في عمليات الرصد متعدد الأطياف والترددات باستعمال أجهزة مختلفة ترصد أجزاءً مختلفة من الغلاف الجوي بزوايا مختلفة وأوقات مختلفة.

ويقدم الجدول 5 تلخيصاً للمعلمات التقنية لهذه الأجهزة النموذجية للقياس الطيفي - الراديوي.