وقد أصبحت نظم السواتل أدوات لا غنى عنها في رصد وفهم تغير المناخ العالمي، إذ تراوحت بين مئات و آلاف الكيلومترات فوق الأرض، توفر هذه البرامج نقطة تحول فريدة تتيح للعلماء مراقبة الكوكب بأكمله في وقت واحد من صحائف غرينلاند المتقلصة إلى أنماط النبات المتحول في الأمازون، وتُعد البيانات التي يجمعونها العمود الفقري لعلوم المناخ الحديثة، مما يتيح للباحثين أن يتتبعوا الاتجاهات الطويلة الأجل، ويثبتوا من صحة النماذج المناخية.

How Satellites Monitor the Climate

ويمكن أن تقيس السواتل المجهزة بأجهزة استشعار متنوعة المتغيرات المناخية الرئيسية في جميع أنحاء العالم بتناسق ملحوظ، وتلتقط هذه أجهزة الاستشعار أجزاء مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي وتستخدم مختلف المبادئ المادية لاستخلاص المعلومات عن الغلاف الجوي والمحيطات والأرض والجليد، ثم تُنقل البيانات إلى المحطات الأرضية، وتُجهز وتحلل لتوليد سجلات مناخية تمتد على مدى عقود.

المدارات والتغطية

وتستخدم نوعان من المدارات الأولية لرصد المناخ: المدار الثابت بالنسبة للأرض المدار الأرضي وال المدار القطبي، وتقفز السواتل ذات المدار الثابت بالنسبة للأرض على نقطة ثابتة على خط الاستواء، وتوفر التغطية المستمرة لمناطق كبيرة، وهي حرجة لتتبع أنماط الطقس القصيرة الأجل وتطوير العواصف، وتعتمد السواتل ذات المدار القطبي، على النقيض، على مدار القطب الجنوبي، وتغطي العالم كله مرتين في اليوم.

أجهزة الاستشعار الرئيسية

  • Radiometers:] Measure the intensity of radiation emitted or reflected by the Earth in different wavelength bands. Thermal infrared radiometers, for example, can detect sea surface temperature with high precision, while visible-wavelength radiometers track cloud cover and vegetation health.
  • Spectrometers and Spectroradiometers:] Split light into narrow spectral bands to identify specific gases such as carbon dioxide, methane, and ozone. Instruments like the Orbiting Carbon Observatory (OCO-2) and the Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI) are essential for greenhouse gas monitoring.
  • ]Lidar:] Uses laser pulses to measure distance and physical properties of the atmosphere and surfaces. Spaceborne lidar, such as the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) on the CALIPSO satellite, provides profiles of clouds and aerosols that affect Earth’s energy balance.
  • Radar and Altimeters:] Emit microwave pulses and measure their return time to determine surface altitude or structure. Radar altimeters aboard missions like Jason-3 and Sentinel-6 Michael Freilich monitor sea level rise by measuring ocean surface topography to within a few centimeters.
  • Synthetic Aperture Radar (SAR): ] Provides high-resolution images of land and ice surfaces regardless of cloud cover. SAR data are used to track glacial movement, land subsidence, and deforestation in tropical regions where optical sensors are blocked by clouds.

جمع البيانات ونقلها

وتتم معالجة بيانات الاستشعار فور جمعها على متن الساتل - أحياناً مع الإجهاد غير المفقود - ثم نقلها عبر الترددات اللاسلكية إلى محطات أرضية موزعة في أنحاء العالم، وتقوم وكالات مثل ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء اليابانية بتشغيل شبكات من محطات استقبال تجمع البيانات في وقت قريب من الواقع، وبعد ذلك، تُتاح قياسات التليفزيون الخام خطوات للارتقاء بقطع من الكربون المحولة إلى كميات مادية.

Types of Satellite Data Used in Climate Science

ويتطلب كل متغير مناخي نوعا محددا من القياسات الساتلية، ويعتبر فهم مواطن القوة والقيود التي تنطوي عليها هذه الأنواع من البيانات أمرا أساسيا لتفسير سجلات المناخ والنواتج النموذجية.

البيانات الحرارية ذات الأشعة تحت الحمراء

ويقاس جهاز الاستشعار الحراري بالأشعة تحت الحمراء الإشعاع الذي تطلقه الأرض والذي يرتبط مباشرة بدرجات الحرارة السطحية، مما يجعل القنوات الحرارية ضرورية لرصد درجة حرارة سطح البحر، ودرجة حرارة سطح الأرض، ودرجة حرارة الغلاف الجوي الأدنى، ويمكن للعلماء، عن طريق الجمع بين هذه القياسات وبين نماذج دقيقة للجوازات، أن يكتشفوا اتجاهات الاحترار في القطب الشمالي وتغيرات المحتوى الحراري للمحيطات.

بيانات الموجات الدقيقة

ويمكن لمستشعرات الموجات الدقيقة أن تخترق الغطاء السحابي وتقيس الانبعاثات الحرارية أو الطلقات الفوقية من السطح، كما أن مقاييس الموجات الدقيقة المارة - مثل تلك الموجودة في سواتل TRMM وسواتل رصد التهطال في جميع أنحاء العالم، كما أنها ترصد تركيز الجليد البحري ونطاقه عن طريق الكشف عن الفرق في قياسات الجرعات الدقيقة بين المياه المفتوحة والجليد، لأن السحابات الدقيقة أقل تأثراً بالأشعة.

البيانات الافتراضية والشبه الحمراء

وقد ظهرت في ضوء الشمس نسبة الضوء المرئي شبه المرتعب إلى مؤشر النباتات المتناظرة المُعادَل للضوء الأحمر - وهو مؤشر مستعمل على نطاق واسع لصحة النباتات وكثافة النباتات، كما أن سجلات الأشعة دون الحمراء الطويلة الأجل من سلسلة الاستشعار في الأراضي الجافة قد كشفت عن تغيرات في طول موسم النمو وأنماط التصحر.

بيانات رادار وآلتتري

وتوفر أجهزة التأجير الرادار قياسات حرجة لمستوى سطح البحر تغطيتها العالمية كل 10 أيام إلى 30 يوما، كما أن السجل المستمر من بعثة توبكس/بوسيدون إلى بعثات سيتينيل-6 الحالية قد أظهر تسارعا واضحا في ارتفاع مستوى سطح البحر خلال العقود الثلاثة الماضية، وبالإضافة إلى ذلك، فإن تقنيات الفرز المتقطع تتيح للعلماء قياس التغيرات في ارتفاع سطح الأرض بمليتر، مثل ضواحي المدن الساحلية.

البعثات والبرامج الرئيسية للسواتل

ولن يكون رصد المناخ ممكناً بدون برامج دولية منسقة تصمم وتطلق وتدير سواتل ذات أدوات ذات صلة بالمناخ وقد حددت عدة بعثات رئيسية هذا المجال.

نظام رصد الأرض التابع لناسا

ويشمل برنامج " إيوس " ، الذي بدأ في التسعينات، السواتل الرئيسية مثل " تيرا " (المطلقة في عام 1999) و " آكوا " (Aqua (2002)) و " Aura (2004) " ، وهي تحتوي على أدوات متعددة تقدم بيانات عن الأرض والمحيطات والغلاف الجوي والغلاف الجوي، وقد صممت البعثة على إنتاج سجل مناخي لمدة 15 عاماً أو أكثر؛ وما زالت أدوات عديدة تعمل بعد تصميمها، مما توفره من رصدها، مما يزيد كثيراً على مدى عقدين من الزمن، وهي مجموعة من الرصد.

ESA ' ' Copernicus Program

ويضم برنامج كوبرنيكوس التابع للوكالة الفضائية الأوروبية أسرة سينتينيل للسواتل، ويزود الساتل سينتينيل-1 بصور رادارية؛ ويقدم سينتينيل-2 بيانات بصرية عالية الاستبانة لرصد الأرض؛ ويحمل الساتل سينتينيل - 3 أداة متقدمة للزمن ولون المحيطات؛ ويحتوي على خرائط لون سينتينيل - 5 ب (Pilot) على غازات أثرية ذات حل مكاني غير مسبوق.

ساتل المدار القطبي التابع للشركة

وتدير الإدارة الوطنية لدراسة المحيطات والغلاف الجوي النظام الساتلي القطبي المشترك الذي يشمل برنامج " سومي " (المنطلق عام 2011) و " نوا " (NOAA-2017)، وتحمل هذه السواتل الساتلين الساتلين " الساتل " Imaging Visible Infrared Radiometer Sget " (VIIRS)، وهو جهاز استشعار يجمع بين قدرات نظام " MODIS " و " AVHRR.

التعاون الدولي وتبادل البيانات

ولا يمكن لأي دولة بمفردها أن تغطي احتياجات الرصد العالمي، وتقوم اللجنة المعنية بسواتل رصد الأرض بتنسيق عمليات المراقبة الفضائية المدنية وتشجيع تبادل البيانات، ويعمل الفريق المعني برصد الأرض على بناء نظام عالمي للنظم لرصد الأرض، وهذه الأطر تكفل توافق البيانات المستمدة من مصادر مختلفة، وتمكن من معالجة الثغرات في مجال القياس التعاوني، كما أن التعاون الدولي يمتد ليشمل الفريق العامل المعني بالمقاييس والمواصفات والمواصفات والمواصفات والمواصفات القياسية.

أثر البيانات الساتلية على علوم المناخ

وقد غيرت عمليات الرصد بواسطة السواتل بصورة أساسية كيف يفهم العلماء نظام الأرض، فقبل فترة الساتل كانت البيانات المناخية متفرقة وكثيرا ما تكون متحيزة نحو المناطق المأهولة بالسكان، واليوم توفر السجلات الساتلية منظورا عالميا ومتجانسا حقا أتاح عدة أوجه تقدم علمية رئيسية.

Long-term Climate Records

وتمتد السجلات الساتلية الثابتة حالياً أكثر من 40 عاماً لبعض المتغيرات، مثل درجة حرارة سطح البحر (من سلسلة AVHRR) والثلج البحري (من المراقبة الدقيقة السلبية) وتظهر سجلات الحرارة السطحية العالمية المستمدة من السواتل اتجاهاً للاحترار يبلغ نحو 0.13 درجة مئوية في العقد منذ السبعينات، بالاتفاق الوثيق مع البيانات الموقعية، ويظهر سجل النطاق الجليدي في القطب الشمالي انخفاضاً هائلاً في طول العقد الواحد وهو 13٪.

Improving Climate Models

وتُحاكي نماذج المناخ العمليات المادية التي تدفع نظام الأرض، ولكن يجب تقييمها من خلال الملاحظات الرامية إلى بناء الثقة، وتوفر البيانات الساتلية التغطية الواسعة النطاق والتواتر الزمني المرتفع اللازم للتحقق من النموذج، وعلى سبيل المثال، تستخدم التقديرات الساتلية للتوازن الإشعاعي فوق الغلاف الجوي لاختبار مدى حفز النماذج على التغذية المرتدة من السحب.() ويُستخدم مشروع المقارنة النموذجية المزدوجة التي تغذي [FIPT:0]

Informing Policy and Decision Making

ويحتاج مقررو السياسات إلى بيانات واضحة وموضوعية لصياغة استراتيجيات التخفيف من حدة المناخ والتكيف معه، وتستخدم اتفاقية الأمم المتحدة الإطارية بشأن تغير المناخ بيانات ساتلية لرصد انبعاثات غازات الدفيئة وعمليات إزالتها في البلدان بموجب اتفاق باريس، وعلى سبيل المثال، يستخدم المشروع العالمي للكربون عمليات رصد ساتلية لثاني أكسيد الكربون لتتبع اتجاهات الانبعاثات وكفاءة مصارف الكربون الطبيعية.

رصد جهود التخفيف

كما تساعد السواتل على تقييم فعالية مشاريع التخفيف من آثار تغير المناخ، ويمكن للصور العالية الاستبانة أن ترصد التوسع في منشآت الطاقة المتجددة، واستعادة الأراضي المتدهورة، والتغيرات في الممارسات الزراعية، ويُظهر مرصد الأرض التابع للناسا صور ساتلية كثيرا ما توثق إعادة التحريج، وبناء المزارع الشمسية، وجهود التخفيف من حدة حرارة المناطق الحضرية.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من قدرتها، تواجه النظم الساتلية عدة عقبات يمكن أن تؤثر على جودة البيانات واستمراريتها، فهم هذه القيود أمر حاسم في استخدام البيانات الساتلية على نحو مسؤول.

الثغرات في البيانات واستمراريتها

وتستلزم سجلات المناخ ملاحظات متسقة وطويلة الأجل، ولكن يمكن أن تحدث ثغرات بين نهاية بعثة واحدة وبدء عملية إطلاق خلفها، فعلى سبيل المثال، كانت هناك فجوة قصيرة في بيانات قياس وقت المحيطات بين نهاية بعثة جيسون - 2 والعمل الكامل لجيسون - 3، ويمكن أن تكسر هذه الثغرات تجانس سجل المناخ وتعقد تحليل الاتجاهات، ومن أجل التخفيف من ذلك، تخطط الوكالات لتداخل البعثات والاستثمار في مبادرات استمرارية البيانات، ولكن المخاطر لا تزال قائمة في الميزانية.

معايرة وتقييم

فالأدوات الساتلية تتحلل بمرور الوقت بسبب التعرض للإشعاع، وارتفاع درجة الحرارة، وغير ذلك من عوامل البيئة الفضائية، ويجب أن يتواصل معبر الاستشعار باستخدام مصادر على متن السفن )مثل المصابيح، والأجسام السوداء( ، والمعايرة المتبادلة مع السواتل الأخرى والقياسات الأرضية ، كما أن عملية المعايرة لها أهمية خاصة بالنسبة للتطبيقات المناخية ، حيث يمكن أن تؤدي الانجرافات الصغيرة في الحساسية الى التخفيف من الاتجاهات الحقيقية للمناخ.

العقد المداري ونهاية الحياة

ويفقد سواتل مدار أرضي منخفض الارتفاع تدريجيا بسبب جر الغلاف الجوي، ويعود في نهاية المطاف إلى الغلاف الجوي، مما يحد من فترات عملها التشغيلية إلى ما يتراوح بين ٥ و ١٥ سنة، وهذا يعني أن السجلات المناخية مجزأة من أجهزة الاستشعار المتعددة المتعاقبة، وكل جهاز استشعار جديد يجلب تحيزا خفيا يجب التوفيق بينها وبين عملية معروفة بالتجانس، وأن بعض المقاييس المتطورة وفترات التداخل تساعد دائما على خلق سلسلة زمنية متواصلة.

الوصول إلى البيانات والتصدي للتحديات

ويمثِّل الحجم الهائل للبيانات الساتلية الخام في كل سنة تحديات حسابية وتخزينية، إذ يفتقر العديد من البلدان النامية إلى البنية التحتية اللازمة لتحميل البيانات الساتلية وتجهيزها محلياً، غير أنَّ منابر مُقرَّرة على الكلاود مثل غوغل إينيين الأرضي ] قد عالجت هذا جزئياً باستضافة بيانات ساتلية مُشفَرة وتوفير قدرات التجهيز على الإنترنت.

الاتجاهات المستقبلية

والجيل القادم من البعثات الساتلية يبشر بحل أفضل، وبزيادة التغطية، وبقدرات قياس جديدة من شأنها أن تعزز رصد المناخ.

أجهزة الاستشعار القادمة

Additionally[FLT:]Surface Biology and Geology (SBG) planned for NASA’s Earth System Observatory, which will carry an imaging spectrometer capable of measuring hundreds of narrow bands to map ecosystem composition and health. The ESA’s Earth Explorer

السواتل الصغيرة والوصلات

وقد مكّنت أوجه التقدم في مجال التقليل من النفايات من إنشاء مجموعات من السواتل الصغيرة (مثلاً، كويبسات) التي يمكن أن توفر فترات إعادة نظر يومية وتسوية مكانية أعلى، ويعمل المشغلون التجاريون مثل مختبرات الكوكب مئات من سواتل " كيوبسات " لتصوير الأرض بأكملها كل يوم، أما بالنسبة للتطبيقات المناخية، فإن بإمكان جمعيات سد الثغرات التي تتركها سواتل أكبر وأبطأ من أجل إعادة النظر فيها.

التعلم في مجال الآلات ودمج البيانات

كما أن تقنيات التعلم الآلي الحديثة تؤدي إلى ثورة طريقة تجهيز البيانات الساتلية وإدماجها، ويمكن للشبكات العصبية أن تدمج البيانات من أجهزة الاستشعار المتعددة بواسطة السواتل، وفي عمليات الرصد الموقعي لإنتاج منتجات مناخية ذات استبانة عالية، مثل سجلات Climate Data Records التي تنتجها [أجهزة كشف البيانات]

خاتمة

وقد تطورت النظم الساتلية من التكنولوجيا التجريبية إلى عنصر أساسي في رصد تغير المناخ العالمي، وهي توفر الوسيلة الوحيدة للحصول على ملاحظات منهجية ومكررة وعالمية لغلاف الأرض والمحيطات والأراضي والجليد، كما أن البيانات التي تجمعها تشكل أساس كل جانب تقريبا من جوانب علوم المناخ - من الكشف عن الفقد المتسارع للجليد البحري في القطب الشمالي للتحقق من التعهدات الدولية بتخفيض غازات الدفيئة، ومع تشديد الآثار المناخية، فإن دور السواتل لن ينمو إلا في عمليات تجهيز الاستشعارات الجديدة.