Table of Contents

مقدمة

ويعد قياس التهطال الدقيق حجر الزاوية في المشاريع الهندسية في المناطق القطبية الشمالية والمناطق دون الإقليمية، حيث تؤدي الاتجاهات الشديدة البرودة والثباتية ومحدودية إمكانية الوصول إلى هذه التكنولوجيات إلى عقبات هائلة، حيث يتسارع تغير المناخ في الاحترار بهذه السلاسل، فإن الطلب على بيانات هيدرولوجية موثوقة لم يكن أبداً أعلى، فالطرق والمطارات والسدود وتراكمات الجليد تعتمد جميعها على معرفة دقيقة بالنوعية السائدة في مجال التنبؤات.

التحديات الوحيدة في منطقة القطب الشمالي وقياس التهطال دون الإقليمي

وتواجه المشاريع الهندسية في المناطق المرتفعة الارتفاع مجموعة من العقبات التي نادرا ما تواجه في المناخات المتقلبة، ومن الضروري فهم هذه التحديات قبل تقييم الابتكارات التي تستهدف التغلب عليها.

الموانع الفيزيائية: بارد، وريح، و الجليد

انخفاض درجات الحرارة يسبب تباطؤ السائل لتجميد الاتصال بسطح أجهزة الاستشعار، أو التنظيف، وقطع المحركات، وتراكم الجليد على مقياس مائل من التصفيق،

مواقع ونفقات لوجيستيات: أماكن عن بعد

وكثيرا ما تكون محطات الطقس في القطب الشمالي وشبه القطبية على بعد مئات الكيلومترات من أقرب الطرق، ولا يمكن الوصول إليها إلا بالطائرات العمودية أو بضائع الثلج أو القارب أثناء النوافذ الصيفية القصيرة، وكثيرا ما تقتصر إمدادات الطاقة على الألواح الشمسية (التي تضاءل شتاء الشتاء المحدود) أو التربينات الريحية الصغيرة، التي تقيد ميزانية الطاقة بالنسبة لعناصر التدفئة ونقل البيانات، وتكون زيارات الصيانة باهظة ومعتمدة على الطقس؛ وقد تتحول إلى وجود ثغرات غير مبررة في أجهزة قياسية

قضايا نوعية البيانات: قياس القيد وبقايا النوافذ

ولا يزال قياس الثلوج أكثر صعوبة، إذ أن دورات التجليد اليدوية - التي يقيس فيها المراقبون عمق الثلج وكثافة المتخلفين - تتسم بكثافة اليد العاملة ومحدودة في الترددات، وتعطي أجهزة الاستشعار ذات العمق الآلي (الأشعة فوق الصوتية أو الليزرية) سلسلة زمنية مستمرة، ولكنها لا تستطيع تمييز الثلج عن الثلج المستقر أو قياس معادلة للسائل مباشرة.

الابتكارات الأساسية في تكنولوجيا القياس

واستجابة للتحديات المذكورة أعلاه، طورت مؤسسات التصنيع والبحث جيلا جديدا من أجهزة الاستشعار المصممة خصيصا للبيئات الباردة، وتتراوح هذه الابتكارات بين التحسينات التدريجية والتصميمات المثبتة إلى مبادئ قياس جديدة تماما.

قاذفات التهوية والتنقيب عن جميع أنواع الحيوانات

ويشتمل نظام القياسات الحديثة على تدفئة ذكية لا تستخدم إلا عند الحاجة، وتحافظ على الطاقة، وعلى سبيل المثال، يستخدم جهاز الترميز في تركيبة الترميز في موقع الترميز العالي، حيث يُستخدم جهاز التكتل الحراري الذي يُستخدم في قياس درجة الحرارة العالية، ويُمكن تسخين نسيج التداوي في التلويث، ويمنع تكوين الجليد.

مقاييس الضوئية وفوق الصوتية

وقد توفر التحللات الضوئية، مثل رصد تهيج كليما للليزر، وأجهزة التزييف التابعة لدائرة نقل الأسلحة النووية، شعاعا ليزريا لكشف حجم وسرعة فرادى الظواهر الهيدروجينية التي تمر بحجم العينات، ويمكن أيضا من خلال تصنيف الجسيمات حسب الحجم والسرعة، التمييز بين نماذج التحلل والمطر والثلج والتراكم وحتى الطفيليات.

أجهزة الاستشعار عن بُعد التهوية

فالابتكار الحديث نسبيا هو جهاز الاستشعار المزود بالأجهزة الساخنة، الذي طورته مختبر بحوث نظام الأرض التابع للرابطة، والذي تتاجر به شركات مثل النظم البيئية في يانكي، ويتكون جهاز الاستشعار من صفائح مسخنة - واحدة معرضة للسماء، وحمى واحدة - وتحافظ على درجة حرارة ثابتة، وتتناسب القوة اللازمة لإبقاء هذه المحطات عند درجة الحرارة مع التأثير الضار للهيكل (كما تقارنان باللوحة).

الاستشعار عن بعد وإدماج البيانات الساتلية

وفي حين توفر أجهزة الاستشعار الأرضية قياسات للجهات، فإن العديد من المشاريع الهندسية تحتاج إلى معلومات مكانية عن مستجمعات المياه الكبيرة أو المناظر الطبيعية أو المناطق الساحلية، والاستشعار عن بعد - سواء كان ساتليا أو أرضيا - يسد هذه الفجوة.

منتجات التهطال الساتلية (GPM, IMERG)

أما فيما يتعلق بتقديرات فترة الترجيح في منطقة شمال أفريقيا - جاكسا العالمية، فإن عملية قياس الأمطار في منطقة شمال شرق آسيا (GPM) قد أصبحت متغيرة في معدلات الأمطار العالية المستوى، حيث تُحدث نماذج التذبذب المزدوجة المدى في منطقة القطب الشمالي.

التقييم الأرضي والمعايرة

لا تزال التقديرات الساتلية في القطب الشمالي غير مؤكدة بسبب خلية الميكروويف المعقدة من السطحات المغطى بالثلوج والوجود المتكرر لسحب متعددة المراحل، ولذلك فإن شبكات الديتار الأرضية، والمقاييس، والمجسات الإشعاعية، هي عناصر أساسية للتحقق منها، ومشاريع مثل تركيبة النجم الفضائي الأوروبي، وأجهزة الرصد غير المستقرة في المنطقة القطبية الشمالية.

ليدار ورادار لسنوفال

ولا يمكن الآن للرادارات الجوية ذات النطاق الزاخر والقطارات ذات النطاق التقريبي قياس معدلات سقوط الثلج عند حلول مكانية عالية )١٠٠ متر أو أفضل( على المناطق التي تبلغ مساحتها ٣٠-٦٠ كم، حيث لا توجد نظم بحثية في الغلاف الجوي الكندي، وما شابه ذلك من منشآت في ألاسكا، تستخدم رادارا مزدوجا للتركيز على الجليد، وتميز الثلج عن الأمطار، وتُعد رادارات ذات نطاق ثابت لنشرها على منصة الطواي.

تطبيقات علوم البيانات والتعلم الآتي

ولا يُعد جمع المزيد من البيانات إلا نصف المعركة؛ إذ إن استخراج القيمة من المزعجات، وعدم اكتمالها، واشتباهها في الملاحظات يتطلب إجراء تحليلات متقدمة، ويتزايد تطبيق التعلم في مجال الآلات على تحديات قياس التهطال في المناطق الباردة.

تحسين التنبؤات مع منظمة العفو الدولية

ويمكن أن تُحلّ هذه التنبؤات التهطالية القصيرة الأجل (المناطق الآن) للمواقع الهندسية في المنطقة القطبية الشمالية - مثل منابر الحفر، ومعسكرات البناء، أو مهبط الطائرات - تعتمد على بيانات الرادارات المختلطة، والبيانات الساتلية، وبيانات المحطات السطحية، ويمكن أن تتعلم نماذج قياس مدى انتشار الأشعة تحتية، بما في ذلك الغابات العشوائية وشبكات التكاثر، العلاقات المعقدة بين هذه المدخلات، وتنتج تنبؤات من نوع التها، على فترات زمنية تتراوح بين 15 دقيقة.

ملء الثغرات وعدم اليقين

ويمكن سد الثغرات في السجلات الأرضية بسبب إخفاق أجهزة الاستشعار أو فقدان الطاقة باستخدام بيانات من المحطات المجاورة والمنتجات الساتلية، باستخدام أساليب التداخل المكاني مثل الحرق القائم على أساس الحرق أو التلقيم الآلي، وتُستخدم الأطر البيزيونية لتحديد كمية عدم التيقن من القيم المجهزة بالفجوات، وهو أمر حاسم بالنسبة للتصميم الهندسي الذي يجب أن يُحسب التوزيع الكامل لمنتجات التحلل المتطرف.

دراسات الحالة: مشاريع الهندسة في القطب الشمالي

وتوضح الأمثلة التالية كيف أن الابتكارات في قياس التهطال تسترشد مباشرة بالقرارات الهندسية للعالم الحقيقي في المناطق الباردة.

البنية التحتية والنقل في ألاسكا

وقد قامت إدارة النقل والمرافق العامة، مقارنة بمنطقة ألاسكا، بتشغيل شبكة من نظم المعلومات عن طقس الطرق، تشمل أكثر من 80 جهازا استشعاراً متردداً، ومثلت هذه الحساسات، مقترنة بالكاميرات البصرية ومجسات عمق الثلج المصوَّبة في الماضي، بيانات عن صيانة الطرق الشتوية، بما في ذلك قرارات مكافحة التغيُّر والتنب، بعد اعتماد أجهزة الاستشعار المثبِّرة في عدة ممرات الجبلية.

الطاقة الكهرمائية في مناطق الشمال

وفي النرويج والسويد، تنتج الطاقة الكهرمائية حوالي ٤٠ إلى ٦٠ في المائة من مجموع الكهرباء، حيث توجد العديد من الخزانات فوق دائرة القطب الشمالي، وتنتج عن ارتفاعات الجليد الدقيقة والتنبؤات ببطاقات الصهر الجليدية، عوامل أساسية لإدارة الخزانات ومراقبة الفيضانات.

Permafrost Monitoring and Climate Change

ويشكّل المنشار البرّي (Pemafrost) تهديداً لمباني وخطوط أنابيب وطرق وطرقات تشغيلية، وتراعي معدلات التلويث في المنطقة التي تُعدّ فيها المياه، وتُستخدم فيها نماذج التذبذبذب السطحي في كندا، وتُعدّل الجليد في المناطق التي تُعدّ فيها درجات الحرارة في الشتاء، وتُحدّد فيها نماذج مُثِّدة في إطار نظام الترسبة.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ولا يزال الابتكار يسير بسرعة، مدفوعاً باحتياجات التكيف مع المناخ، والهياكل الأساسية الرقمية، وخفض التكاليف.

شبكات الاستشعار المنخفضة - القطرية

ويمكن أن تكلف أجهزة الاستشعار ذات التهطال المرتفع ٠٠٠ ٥ دولار - ٠٠٠ ١٥ دولار لكل منها، مما يحد من كثافة الشبكة، بينما يؤدي تطوير أجهزة الاستشعار ذات القدرة المنخفضة على تحمل عبء العمل على المواطنين والمراعية لعلوم المواطنين، استنادا إلى شبكة " إيوت " الخلوية (شبكة الأشياء) إلى سد هذه الفجوة، فعلى سبيل المثال، فإن مشروع " راينكرود " في فنلندا يوزع أجهزة الاستشعار ذات المقياس العالي التدفئة التي تبلغ تكلفتها أقل من ٢٠ دولارا.

أجهزة الاستشعار الانضباطية والأهلية

أجهزة الاستشعار القادمة ستكون مُنَعَة ذاتياً، باستخدام خوارزميات مُضمَّنة للكشف عن العواصف العائمة أو القذف أو التعويق، أو التصحيح لها أو إطلاق إنذار بالنفقة، ومفهوم "قياس الذكاء" يشمل قياسات مرجعية مُبنى (مثل الكتلة الصغيرة المعروفة التي تُقيَّم دورياً للتحقق من خلية التحميلات الهوائية) ودرّة الريحية التي تُتُ على أساسها

التكامل مع رصد التغيُّر والتوقيت الحقيقي

إن توافر شبكات واسعة النطاق ذات قوة منخفضة (مثلاً، لوراواان، بيانات البيرست القصيرة) يتيح نقل بيانات التهطال من أكثر المواقع عزلة باستمرار، وتغذي البيانات الهندسية في الوقت الحقيقي مباشرة إلى توأم رقمي من الأصول الهندسية، مثل خط الأنابيب أو حفرة الألغام، حيث تؤدي بيانات الاستنشاق إلى التقارب الآلي (مثلاً، أغلق بوابة التلقيح، وعداً دقيقاً بالاختراع السطحي).

خاتمة

ويظهر قياس التهطال في المناطق القطبية الشمالية والمناطق دون الإقليمية من الدراسات الاستقصائية اليدوية للثلوج وقياسات التعرض للأخطاء إلى تخصص متعدد الجوانب وغني تكنولوجيا، ويظل قياس الوزن الحراري، والمواصفات البصرية، وأجهزة الاستشعار ذاتية الدفع، والمنتجات الساتلية مثل GPM/IMERG، والرادارات الأرضية، تمثل الآن صورة أكمل بكثير لعمليات التكيُّف قبل حدوث تغيرات في الاتجاهات.

قراءتها الأخرى ومواردها الخارجية: ]