قياس الارتفاع النشيط

         قياس الارتفاع - النشيط

تجري عمليات قياس الارتفاع من الجو باستعمال أنظمة كشف وقياس عن بعد ضوئية (LIDAR) تعمل قرب (THz 283) mm 1,064 و(THz 566) mm 0,532. F1 نظام يعمل بتردد THz 283 ويستخدم في قياس طبوغرافيا الصفيحة الجليدية والتغيرات الزمنية المرافقة لها، وخصائص السحب والجو وطبوغرافيا طولانية للبر والمياه. وفيما يتعلق بالصفيحة الجليدية بإمكانه مقياس الارتفاع الليزري أن يقيس ارتفاع المركبة الفضائية عن الصفيحة الجليدية بدقة تفوق بمقدار cm 10 لبقعة على السطح حجمها m 66. ويتيح اقتران قياسات الارتفاع بمعرفة موقع المدار تحديد طبوغرافيا السطح. وتستعمل خصائص نبضات الصدى لتحديد تضاريس السطح. وتعطي تغيرات سماكة الصفيحة الجليدية بمقدار بضعة سنتيمترات مقاسة حسب مقياس زمني معين معلومات عن توازن الغطاء الجليدي يمكن استعمالها في دراسات التنبؤ بتأثير التغيرات المناخية القادمة على الغطاء الجليدي للكرة الأرضية. كما يمكن مراقبة توازن الغطاء الجليدي وإسهاماته في تغير مستوى سطح البحر. ويمكن تقدير دقة قياسات الارتفاع عن سطح الأرض استناداً إلى منحني سطح الأرض وخشونة التضاريس. ويمكن رقمنة أصداء السطح في مدى دينامي كامل من m 30 فوق المحيطات وm 80 في الأماكن الأخرى.

ويقيس النظام F2 التوزيعات الطولانية لارتفاع السحب والهباء الجوي عند التردد THz 566 وباستبانة رأسية تتراوح بين 75 وm 205. وتتراوح الاستبانة الأفقية بين m 150 للسحب الكثيفة وkm 50 لبنية الهباء الجوي وارتفاع طبقة حدود الكوكب. وتدعم القياسات الموثوقة لارتفاع السحب والبنية الرأسية للسحب المتفرقة الدراسات التي تجرى عن تأثير السحب على الميزانية الإشعاعية للأرض والارتداد المناخي. وتستطيع المحاسيس المنفعلة كشف السحب القطبية والضباب واعتيانها بمزيد من الحساسية والاستبانة الرأسية والدقة. ويمكن قياس ارتفاع طبقة حدود الكوكب مباشرة وبدقة ثم إدخال هذه المعلومات إلى تدفقات السطح أو إلى النماذج التفاعلية جو-بحر وجو-أرض، وتساعد القياسات المباشرة للخصائص الرأسية للهباء الجوي على فهم الآثار المناخية للهباء الجوي ونقله.

ويقدم الجدول 6 تلخيصاً للمعلمات التقنية لأنظمة قياس الارتفاع LIDAR المحمولة جواً.

 تستخدم حالياً بعثات علمية كثيرة مخصصة للأرض أشعة الليزر المدارية ومعظمها يستخدم ليزر بأطوال موجات غير mm 0,532 وmm 1,064. وعلى سبيل المثال تذكر بعثة القياس النشيط للغاز CO₂ بقنوات ليزر تعمل بموجات طولها mm 1,570 وmm 0,770 ولربما mm 0,532. وهناك بعثات أخرى مثلاً تقيس الأوزون بطول موجات أقل من mm 0,400 وبخار الماء في نطاق الموجات mm 0,930.

3       المركبة الفضائية

على الرغم من عدم وجود إجراء رسمي لتسجيل أنظمة الخدمة EESS التي تستعمل الطيف فوق GHz 3 000. لكن هذه الأجهزة قد تتواجد في حوالي نصف مجموع المركبات الفضائية EESS. ويتوقع في المستقبل القريب إطلاق كل سنة أنظمة جديدة EESS يتراوح عددها بين 1 و3 تستعمل الطيف فوق GHz 3 000 مع أجهزة إضافية تنشر مؤقتاً في مركبات فضائية وفي المحطة الفضائية الدولية. وتشتمل غالبية أنظمة الخدمة EESS مدارات غير مستقرة بالنسبة إلى الأرض علماً بأن قدراً كبيراً من هذه الأنظمة تقع في مدارات شمسية التزامن.

4       حساسية النظام والانبعاثات الطبيعية

تجمع أنظمة الخدمة EESS معلومات تتعلق بخصائص الأرض والظواهر الطبيعية ومنها البيانات المتصلة بالحالة البيئية. ولكل نظام EESS خصائص تقنية ومتطلبات خاصة بمهمته تؤثر تأثيراً مباشراً على حساسية الجهاز. وتتغير متطلبات الحساسية أيضاً بتغير الإضاءة الشمسية وموضوع القياسات وحتى قدم الأجهزة.

1.4    حساسية المحاسيس

تتغير حساسية المحاسيس الخدمات EESS العاملة في ترددات فوق GHz 3 000 تبعاً لنمطها. ويبين الشكل 1 أمثلة لأدنى حساسية في ستة أنظمة EESS تعمل فوق GHz 3 000.

2.4    الحرارة الفعلية للأرض

تتراوح الحرارة الفعلية للأرض تبعاً لقدرة إشعاع الغرض في مجال رؤية المحساس وعامل انعكاس الغرض في طول الموجات التي تضيئه. وتجري عادة محاسيس الخدمة EESS العاملة بترددات فوق (mm 0,7 >) THz 420~ القياسات استناداً إلى الانعكاسية. أما المحاسيس العاملة تحت THz 420~ وخاصة تحت THz 100 فإنها تجري قياساتها عادة استناداً إلى قابلية الإشعاع.

والأنظمة EESS العاملة فوق GHz 3 000 قادرة على التمييز بين المواد التي ترصدها على سطح الأرض وذلك بفضل خصائص عوامل الانعكاس التي يمكن رصدها في أمدية طيفية تبلغ عدة مئات من THz (عدة mm). ويبين الشكل 2 مثالاً لخصائص عوامل الانعكاس هذه.

الشكل 2

إن محاسيس الخدمة EESS العاملة فوق GHz 3 000 والتي تقيس القدرة الإشعاعية تفترض عادة أن الغرض يرسل إشعاعات مثل جسم أسود متوسط قدرة إشعاعه أقل من 1,0. وتفترض نظرية الجسم الأسود سطحاً يمتص جميع الإشعاعات الواردة ويمتلك أكبر قدرة إشعاعية ممكنة نسبة إلى درجة حرارته. وتتحدد قدرة إشعاع عرض ما تبعاً لوظائف ثلاث هي: قانون تحرك فين، وقانون ستيفان بولتزمان ودالة بلانك.

وينص قانون فين على أن طول موجة أعلى انبعاث إشعاعي طيفي، _M لغرض ما يتناسب عكساً مع حرارة هذا الغرض.

(1)                                                  μm

حيث:

        A: ثابت فين (K·µm 2 897)

        T: درجة الحرارة

وينص قانون ستيفان بلوتزمان على أن القدرة الكلية التي تبثها وحدة مكانية من الجسم الأسود S، تتناسب طرداً مع القوة أربعة لدرجة الحرارة.

(2a)                                             W/m²

حيث:

        σ_B:   ثابت ستيفان بولتزمان (5,671  10⁻⁸ W/(m²K⁴))

لكن بما أن المواد الطبيعية ليست أجساماً سوداء تامة من حيث إشعاعيتها فإن درجة حرارة الضياء الفعلية تتناسب طرداً مع متوسط القدرة الإشعاعية للمادة  على نحو يمكن التعبير عنه في المعادلة التالية:

(2b)                                             W/m²                                  

حيث:

        :    متوسط القدرة الإشعاعية  (1 ≥ ³ 

وتستخدم دالة بلانك في حساب النصوع الذي ترسله الأجسام المشعة كجسم أسود مثالي.

(3)                                  W/(m²·m·sr)                      

حيث:

                 h:  ثابت بلانك  (J·s ³⁴⁻10  6,63)

                 c:  سرعة الضوء (m/s ⁸10  3)

                k_B:  ثابت بولتزمان  (J/K ^23–10  1,38)

وبتطبيق هذه المبادئ تنتج العلاقة الموضحة في الشكل 3 والتي تبين الإشعاعية النظرية W/(m²·m·sr) في عدة درجات حرارة الضياء (K).

5       ملخص

تستعمل الترددات فوق GHz 3 000 منذ سنوات عديدة في سلسلة من التطبيقات النشيطة والمنفعلة للخدمة EESS. ويتوقع أن تستمر وتيرة هذه الاستعمالات وأن تزيد مستقبلاً. ويستحسن أن تراعي الدراسات القادمة الخصائص التقنية والتشغيلية الواردة تفصيلاً في الفقرات من 2 إلى 4. ويقدم التذييل 1 لهذا الملحق إضافة