وفي السنوات التي أعقبت الانهيار الكارثي في محطة فوكوشيما دايشي للطاقة النووية، تحولت المنطقة المحيطة إلى مختبر حي للرصد البيئي والابتكار الهندسي، حيث كان الإصدار غير المسبوق للمواد المشعة يتطلب أساليب سريعة ودقيقة وآمنة لجمع البيانات تتجاوز نطاق الدراسات الاستقصائية اليدوية التقليدية، وتعاون العلماء والمهندسون والوكالات الحكومية على تصميم ونشر مجموعة جديدة من أدوات الاستشعار عن بعد، وعينتاً مستقلة

كارثة فوكوشيما وولادة مرصد

وفي 11 آذار/مارس 2011، أحدث الزلزال الكبير في شرق اليابان تسونامياً غرق موقع فوكوشيما دايتشي، وعطل نظم التبريد، وتسبب في انفجارات هيدروجينية وانهيارات أساسية في المفاعلات في الوحدات 1 و2 و3.

بعد الحدث مباشرة، تمّت القراءات الإشعاعية المؤقتة باستخدام أجهزة المسح اليدوية وأجهزة الكشف عن الطّائرة، وقد أعطت هذه الجهود المبكرة صورة واسعة النطاق، لكنها عانت من انخفاض في حجم التصرّف المكاني وخطر المشغل، حيث أصبح نطاق التلوث أكثر وضوحاً، كان من الواضح أنّه يلزم اتباع نهج جديدة تماماً لتحديد أنماط التلوث، وتتبع هجرة النويدات المشعة، والتحقق من فعالية العلاج على مدى عقود.

وقد أضاف البعد الإنساني للكارثة إلحاحاً في جهود الرصد، حيث تم إجلاء أكثر من 000 150 شخص من السكان من منطقة الاستبعاد، ولا يزال الكثيرون مشردين بعد مرور أكثر من عقد من الزمن، كما أن القرارات المتعلقة بمتى وحيثما يكون من الآمن العودة إلى بيانات ذات مصداقية عالية، وقابلية للثقة، إذ يتعين على المزارعين معرفة ما إذا كان بإمكان تربةهم أن تدعم المحاصيل؛ ويحتاج الصيادون إلى ضمان أن المنتجات البحرية آمنة؛ كما أن الأسر تحتاج إلى تقييم المخاطر التي تواجه أطفالها من حيث تكون متفوق.

Unique Challenges of Post-Disaster Environmental Data Collection

وقد شكلت المشهد الفيزيائي والكيميائي لفوكوشيما مجموعة من التحديات خلافا لأي حادث نووي سابق، إذ كان من غير الملائم، في ظل ظروف معينة، أن تراقب استراتيجيات الرصد التقليدية - أخذ العينات، والتحليل المختبري، ومراكز الرصد الثابتة - القيود المفروضة على نطاق الكارثة وسرعة وسلامة أراضيها، وكان على الأفرقة الهندسية أن تتنافس مع حقول الإشعاع المتطرف، والأرض الصعبة، والحاجة إلى استمرار تدفق البيانات، وكلها تعمل تحت رقابة عامة صارمة وجداول زمنية ضيقة.

الحقول الإشعاعية العالية والسلامة البشرية

وقد تعذر الوصول المباشر إلى العديد من المناطق المحيطة بالمصنع خلال المرحلة الحادة، بل وحتى بعد سنوات، فإن المناطق المرتفعة من معدلات الجرعات تظل مستمرة داخل مباني المفاعلات وتؤهل للتلوث، وقد تضطر قيود التعرض للأفراد إلى الاعتماد على النظم القائمة على التشغيل عن بعد ونظم مستقلة، كما أن أي معدات يتم نشرها قد تحدد الإشعاعات المؤينة التي يمكن أن تحل محل التصاميم المحملة بالإشعاع وتزيد من وزنها في العناصر الحرجة.

فبعد مباني المفاعل، تتطلب البؤر الخارجية الساخنة في الغابات، وقنوات الصرف، وشباك الطرق رصد الموظفين للتخطيط الدقيق لمسارات المسح للتقليل من التعرض إلى أدنى حد، وقد أدى مبدأ " ALARA-As Low As Reasonably Achievable-gover " إلى تقليص جميع العمليات الميدانية، حيث أدت عمليات الاستنفار إلى الإجلاء الفوري إذا تجاوزت معدلات الجرعات العتبات المسبقة، وقد أدت ثقافة الأمان هذه إلى الاستثمار في تكنولوجيات الرصد عن بعد.

التضاريس والتضاريس غير الميسرة

وقد تفرقت معظم الخريفات المشعة عبر الغابات الجبلية، وغطت الوديان النهرية، والمنحدرات الساحلية حيث لا يمكن للمركبات السفر بسهولة، وكانت الدراسات الاستقصائية الأرضية كثيفة العمالة وخطيرة، بينما كانت الدراسات الجوية التي تستخدم طائرات الهليكوبتر المأهولة مكلفة ومحدودة بسبب القيود على الطقس والرحلات، وقد أدى تسارع ثلج المنطقة وموسومات التيفوون إلى زيادة العقبات التي تحول دون جمع البيانات بصورة مستمرة.

وقد تجلى التعقيد الطوبوغرافية لمحطة فوكوشيما في تعقيد نمط التلوث نفسه، حيث أن تركيزات الأمطار والقشرة الجليدية تركز على الجسيمات المشعة في المناطق الوديعة مثل قاعات الوادي، والأراضي الرطبة، ورواسب الخزانات، مما يؤدي إلى حدوث موجات من البراغي الساخنة تتحول بمرور الوقت، وكان على أفرقة المسح أن تعطي الأولوية للمناطق التي يحتمل أن يتراكم فيها التلوث باستخدام نماذج تآكلية لاسترشادية في مواقع النقل.

الطلب على البيانات المستمرة والحقيقية

إن فقدان المفاعلات لم يكن مُنتشراً من خلال مستجمعات المياه، وحجزها على جزيئات التربة، وإعادة تركيزها على الرواسب بعد أحداث الأمطار، وفهم هذه الديناميات يتطلب وجود بيانات عن المُزارعين المُستهلكين في المُسافات المُلوثة بسنوات، و الكثافة الكافية لالتقاط المُسامير أثناء العواصف أو التغييرات الموسمية.

وقد تم توسيع نطاق الطلب على البيانات المستمرة إلى ما وراء الزراعة، حيث كانت البلديات بحاجة إلى إدارة الأماكن العامة مثل المدارس والمتنزهات وملاعب اللعب، حيث يمكن أن يتعرض الأطفال للتربة والغبار الملوثة، كما أن رصد معدلات الجرعة في الوقت الحقيقي الذي يتم تركيبه في هذه المواقع قد سمح للحكومات المحلية بإصدار مقارنات صحية فورية إذا تجاوزت القراءات حدود الأمان، كما دعمت شبكة الرصد رفع أوامر الإجلاء تدريجيا، مما وفر البيانات اللازمة لإثبات أن معدلات التلوث في المناطق التي كانت قيد الاستبان في السابق(24).

الابتكارات الهندسية في مجال اقتناء البيانات: نظرة أقرب

وقد أدى التصدي لهذه التحديات إلى حفز مجموعة من الابتكارات الهندسية التي تدمج الروبوتات وتكنولوجيا الاستشعار وشبكة المعلومات والتعلم الآلي، وتوضح النظم التالية كيف أعادت الهندسة المتعددة التخصصات تشكيل الرصد البيئي في فوكوشيما، وقد تطورت كل تكنولوجيا بشكل متكرر، حيث تم وضع نماذج أولية تتيح المجال لصيغ أكثر قوة وقدرة كتجربة تشغيلية تراكمت، ولكن سرعة الابتكار أثبتت نتيجة لذلك.

النظم الجوية غير المأهولة لأغراض المسح الإشعاعي

وقد كشفت هذه العمليات عن وجود عدد من المركبات الجوية غير المأهولة ذات النطاق المتوسط، التي كانت مجهزة بمطيافات أشعة غاما، ومستشعرات ليدار، وكاميرات عالية الاستبانة، وبقيت ] الوكالة اليابانية للطاقة الذرية () رائدة في نظام مسح الإشعاعات غير ملوث بالطائرات الآلية يمكن أن يُحدث أنماطاً للإشعاع قبل البرمجة على ارتفاع منخفض.

وتتجه المنصات الحديثة من طراز UAV إلى حمل كاميرات مراقبة الوزن الخفيف وأجهزة الكشف عن الصواريخ من طراز زيد من النيتروز، مما يتيح إمكانية استخدام المئات من أجهزة الكشف عن المواد الكيميائية التي تستخدم في كل من مناطق التطهير الطبيعي، مما يتيح إمكانية استخدام هذه المركبات في عمليات التطهير من الأشعة المميتة، حيث تخفض هذه المركبات من حيث التكلفة إلى مصادر التصويرية التي تستخدم فيها أجهزة التصفيق الثقيلة.

كما تم تكييف تكنولوجيا الطائرات بدون طيار للعمليات الليلية باستخدام كاميرات ذات أشعة تحت الحمراء التي تكشف عن فروق درجات الحرارة الضئيلة الناجمة عن حرارة التحلل الإشعاعي، وفي حين أن هذا النهج أقل حساسية من مطياف غاما، فإنه يوفر أداة فحص سريعة لتحديد المواقع التي يمكن أن تلوث بالأشعة في الحالات التي يكون فيها الوقت حرجا، مثل بعد إطلاق جديد.

الأجهزة المستقلة لرصد المياه البحرية والمائية

ونظراً لأن جزءاً كبيراً من الإطلاق الإشعاعي دخل المحيط الهادئ، وأن تدفق المياه الجوفية عبر قاعات المفاعلات ظل ناقلاً رئيسياً للتلوث، فقد أصبح رصد البيئات المائية أولوية، حيث طور المهندسون أسطولاً من المركبات السطحية المستقلة ومركبات تحت الماء، مصممة بسهولة، مصممة خصيصاً لظروف بحرية قاسية، وقد استبدلت هذه المركبات الآلية المياه البحرية، والمياه الدرقية، والضغط البحري المصممة على أعماق متعددة.

ومن بين النظم البارزة سلسلة القوارب الآلية التي تنشرها مؤسسة TEPCO ومؤسسات البحوث لتسيير الميناء داخل مياه النبات، وهذه السفن، المجهزة بمستويات الأشعة تحت سطح السفينة، والتي توفر مستويات منخفضة من نوعية المياه، وتحيل البيانات ذات الوقت الحقيقي عن مستويات الإشعاع، والاضطرابات، ودرجة الحرارة، والملوحة.

وفي عمليات النقل البحري الأعمق، تتبع أجهزة الإحداثيات ذاتيا تحت الماء تفكك التريتيوم وغيرها من أجهزة تتبع، مما يسهم في الجهد الدولي الأكبر للتحقق من سلامة بيئة المحيطات بعد إطلاق المياه المعالجة بمبيدات الآفات، ويمكن لهذه المواد أن تعمل لأساطيل واحدة من البطاريات، وأن تبرز عمود المياه إلى 200 متر، وأن ترسل البيانات عبر السواتل كل مرة ترتفع فيها.

أما بالنسبة لبيئات المياه القريبة من الشاطئ والمستترات، فقد طور المهندسون طوافات رصد ثابتة مجهزة بمطياف غاما تحلل تلقائيا عينات المياه في كل ساعة، وترتكز هذه الطوافات على مواقع رئيسية مثل أفواه الأنهار ومداخل المرفأ، حيث يلتقي المحيط بموجات المياه العذبة والملحة، مما يؤدي إلى حدوث تذبذبات في الإذاعات العالية.

شبكة الاستشعار الموزعة وإدماج تكنولوجيا المعلومات

وكانت مراكز الرصد الثابتة أداة قياسية، ولكن الحادث كشف ثغراتها في الغطاء الحرفي، ومخاطر الفشل من نقطة واحدة، والتأخير المتأصل في استرجاع البيانات يدوياً، واستجابت الأفرقة الهندسية بنشر شبكات مكثفة لاسلكية تغطّي المحافظ المتضرر، وتم تركيب آلاف من أجهزة قياس المقاييس ذات المقياس الصلب وأجهزة رصد غاما، التي لا يتجاوز عدد المطابقات في المدارس والمتنزهات والملازلات.

إن إدماج هذه الرموز في إطار تعليمي مختلط يتيح تجميعاً مركزياً وتخزيناً مبنياً على الغيوم، كما أن كل جهاز استشعار فريد من نوعه، وموقعه، وقياسه، مجهز في بحيرات البيانات، حيث يتم فحصها بصورة تلقائية على أساس الجودة، وتتاح من خلال وصلات برمجة تطبيقية، وتشمل عملية مراقبة الجودة عمليات التحقق من القيم الخارجية، والتأكد من عدم وجود علامات قياسية، والثباتية.

وتمتد شبكة الاستشعار إلى ما هو أبعد من رصد الإشعاع بحيث تشمل معايير بيئية تكميلية مثل رطوبة التربة ودرجة الحرارة والضغط الجوي، وهذه مجاري البيانات الإضافية تساعد العلماء على تفسير التغيرات في عمليات الأشعة - مثل، يمكن أن تدر التربة الرطبة أشعة غاما، مما يؤدي إلى التقليل من تقدير مستويات التلوث الفعلية، ومن خلال قياس عوامل الارتباك هذه، يمكن للمهندسين أن يقدموا تقديرات أكثر دقة للمخزون من الأشعة المتناقلة في البيئة.

منابر تحليل البيانات المتقدمة والرؤية

إن جمع البيانات البيئية مفيد فقط إذا أمكن تفسير المعلومات واتخاذ إجراءات بشأنها، وقد قام المهندسون وعلماء البيانات ببناء منابر متطورة تصل إلى أحدث الطوافات من الطائرات بدون طيار وشبكات الاستشعار ورادار الوصل الاصطناعي لتوليد خرائط ذات مواعيد حقيقية، وتوقعات الاتجاهات وتقييمات المخاطر.

وكثيراً ما تشمل هذه البرامج لوحات تفاعلية قائمة على شبكة الإنترنت يمكن للمستعملين اختيار فترات زمنية، وتكبير مناطق محددة، وتلوث بيانات زائدة بالمعلومات الديمغرافية أو الزراعية، وتنتج عن ذلك بيانات عن حالات التلوث في المناطق المحيطة بالشبكة، وتنتج عن ذلك نماذج لرصد موجات الأمطار التي تُنشر في الآونة الأخيرة، وتُستخدم فيها أجهزة الإنذار بالأشعة، وتُستخدم فيها نماذج لأجهزة قياس الأمطار التي تُستخدم في مواقع مُعدّدة زمنياً.

كما أن التعلم من الآلات في مجال الأشعة هو أيضاً من أجل الكشف عن مصادر الإشعاع الشاذة وتصنيفها، مثل مصادر الأيتام أو إغراق المواد الملوثة بصورة غير قانونية، وقد تم تدريب أجهزة الكشف على آلاف من الأمثلة المميزة للتغيرات الطبيعية في الخلفية والأنماط المعروفة للتلوث، مما يتيح لها أن تُعلّم القراءة غير العادية ذات الحساسية العالية، ومعدلات التصريف المنخفضة.

نظم أخذ العينات الآلية والتدابير الداخلية

وربما نشأت أكثر التحديات الهندسية حدة داخل مباني المفاعل نفسها، حيث ظلت مستويات الإشعاع مميتة بالنسبة للبشر، ولرسم خرائط لحالة الوقود المتضرر وتقييم السلامة الهيكلية، قام المعهد الدولي لبحوث إزالة الانبعاثات النووية ومختلف الشركاء الصناعيين باستحداث مجموعة من الروبوتات المتعقبة، وأجهزة التصفيق المتحركة، وأجهزة التنقيب عن الأنابيب، باستخدام كاميرات المكسورة، وأجهزة التصوير الميكانيكية ذات الكمائن.

أما فيما يتعلق بفحص الأسلحة النارية، فإن بعض الروبوتات تحمل أجهزة التلاعب لاستعادة العينات المادية من الغبار والحطام والمياه لأغراض التحليل خارج الموقع، وفي عام 2022، قامت مركبة تعمل عن بعد بجمع عينة من الحطام الآلي المذوب من الوحدة 2، وهو معلم قدم بيانات حاسمة لعملية استرجاع الوقود في المستقبل، وكانت العينة أقل من غرام في الحجم، ولكن تحليلها كشف عن تفاصيل رئيسية عن الوضع الكيميائي لمدى موثوقية الوقود وعن وجود عمل ثانوي متطور

وفي داخل مباني المفاعل، لا يواجه الآليون إشعاعا عاليا فحسب، بل أيضا الطوابق المتروكة، والمرور الضيقة، والمناطق المغمورة التي تجمع فيها المياه من نظم التبريد الطارئة، ويضع المهندسون آليين في مواقع متطورة، ويستخدمون فيها أجهزة السحب الآلي التي تستخدمها المفاعلات ذات الطابع المتعقب والتي يمكن أن تتسلق الحطام، والآلات التي تشبه الثعابين التي يمكن أن تزيلها من خلال الثغرات الصغيرة، وتفكيكات.

التنفيذ العالمي الحقيقي والأطر التعاونية

وقد كشفت مجموعة تكنولوجيات الرصد المذكورة أعلاه عن عدم تطويرها في عزلة، وقاد التعاون المحلي والدولي على نطاق واسع المعايير وتبادل البيانات وتوفير التمويل، كما أن الوكالة الدولية للطاقة الذرية () قد أجرت بعثات متابعة متعددة مجهزة لتقييم نوعية وشمولية برامج الرصد في اليابان، كما أن توصياتها تحفز على إدخال تحسينات على أساليب حفظ البيانات والاتصالات العامة.

أما على الصعيد الأكاديمي، فقد احتفظت جامعة طوكيو وجامعة كيوتو ومختلف أفرقة البحث الدولية بمراكز ميدانية طويلة الأجل لدراسة استعادة النظام الإيكولوجي، وقد ساهمت بياناتها عن عوامل نقل التربة إلى النباتات، ومعدلات تعرض الأحياء البرية، وديناميات الغابات من خلال مستودعات مفتوحة، وشكلت موردا قيما للإيكولوجيا المشعة.

وقد كان الاستثمار المالي في رصد الهياكل الأساسية كبيرا، حيث خصصت الحكومة اليابانية أكثر من 100 بليون ين (حوالي 700 مليون دولار) للرصد والبحث البيئيين في العقد الذي يلي الحادث، وقد أدى هذا الاستثمار إلى نشوء تركة من المعدات المتقدمة، والموظفين المدربين، والمعارف المؤسسية التي تمتد إلى أبعد من فوكوشيما نفسها، كما أن شبكات الرصد المنشأة في فوكوشيما تستخدم الآن كقائنات في مجال تكنولوجيات الاستشعار الجديدة والإطار التحليلي، مما أدى إلى التعجيل بالاختبارات.

الأثر على أفضل الممارسات العالمية في مجال الرصد البيئي

وقد أعاد إطار الرصد البيئي الذي أقيم في فوكوشيما تحديد ما يمكن تقنيا واجتماعيا في أعقاب حدث نووي، وبرزت عدة آثار دائمة تتجاوز القطاع النووي للتأثير على ممارسات الرصد البيئي بصفة عامة.

(أ) أن تكون مبادرة " فاكهة " (FLT: 1) هي: [FLT:]]، عن طريق إتاحة بيانات الإشعاع في الوقت الحقيقي مجاناً على شبكة الإنترنت، ساعدت السلطات اليابانية والجماعات المستقلة على التصدي للإشاعات، ووفرت للمواطنين الوسائل اللازمة لاتخاذ قرارات مستنيرة، وقد تم دراسة نموذج " فوكوشيما " للبيانات المفتوحة واعتماده جزئياً في مناطق أخرى تتناول التلوث الصناعي، مثل مواقع التعدين في أستراليا والانسكابات الكيميائية في أوروبا.

إن تركيبة أجهزة الاستشعار المتعددة المستويات التي توفر القدرة على الاستشعار بالأشعة، هي: ]FLT:[[[1]]، وتركيب الطائرات المأهولة، وأجهزة الاستشعار الأرضية الثابتة، وأجهزة الاستشعار المتنقلة التي توفر شبكة الاستشعار ذات القدرة على الاستبانة العالية، التي هي أكثر قدرة بكثير من أي تكنولوجيا واحدة، وهذا المفهوم يجري تطبيقه الآن لرصد الحرائق البرية، والاختلالات البركانية، والاختلالات القصوى في العالم)٢(.

(أ) إن القدرة الاستيعابية على العمليات ذات الأثر الحسن، والتعلم عن عمليات التصعيد في مجال الطاقة النووية، والتواصل اللاسلكي البعيد المدى، والعملية المعتمدة على الطاقة، قد أبلغت تصميم نظم الرصد البيئي لمرافق نووية أخرى، ومشاريع إزالة الانبعاثات في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك في تشيرنوبيل والمواقع القديمة في الولايات المتحدة وأوروبا، واستخدام عبوات قياسية من نظام " التصاميم الآلية " ، التي يمكن استبدالها

وقد أدت الحاجة إلى إدماج البيانات من مصادر متعددة وعبر الحدود المؤسسية إلى وضع نماذج موحدة للبيانات ومعايير البيانات الفوقية وبروتوكولات الاتصالات، وقد اعتمدت هذه المعايير من قبل هيئات دولية مثل الوكالة الدولية للطاقة الذرية ومنظمة الصحة العالمية، مما أدى إلى خفض تبادل بيانات الرصد البيئي عبر البلدان والقارات.

الاتجاهات المستقبلية والتحديات المستمرة

ومع تحول فوكوشيما من الاستجابة لحالات الطوارئ إلى وقف التشغيل الطويل الأجل وإعادة تنشيط المنطقة، فإن تكنولوجيات الرصد ستظل تتطور، حيث تُختبر أجهزة الاستعلام الآلي التي تُسترشد بها في عمليات الاستخبارات الاصطناعية بحيث تشمل أعلى المناطق نمواً، وتُكتشف تلقائياً وجود أوجه خلل، مثل التغيرات المفاجئة في مستويات الإشعاع التي قد تدل على حدوث تسرب، وقد يؤدي هذا التوليد إلى استخدام أجهزة الحاسوب في تقاسم المهام - طائرة بدون طيار - كجهاز رصد

ومن بين الحدود الرئيسية التالية دمج بيانات الرصد مع المحاكاة الرقمية المزدوجة لبيئة فوكوشيما بأكملها، ويمكن أن تؤدي نماذج التحلل العالية التي تغذيها مجاري الاستشعار في الوقت الحقيقي إلى التنبؤ بانتشار التلوث، وأن تُحدِّد جداول الملاحة على الوجه الأمثل، وأن تُنشئ خريطة مخاطر دينامية للمقيمين العائدين، وأن تُجرى بحوثاً في أجهزة الاستشعار القابلة للتحلل الأحيائي، التي يمكن أن تنتشر عبر الغابات الملوثة وتُترك لتكتمل بعد ذلك.

إن حجم البيانات يتطلب استخبارات صناعية متقدمة للتنقيب دون فقدان إشارات حرجة، والحاجة إلى رصد ثلاثي وكربون 14 في المحيط بعد تصريف المياه المعالجة تتطلب أجهزة استشعار ذات أساليب منخفضة للكشف عن ثلاثية الأبعاد، مع استمرار حساسية التقويم في الترايتيوم، مع وجود فترة تحول في الأسابيع.

إن عصر البنية التحتية هو شاغل آخر: أجهزة الاستشعار والآلات التي تم نشرها في الجيل المبكر في أعقاب الكارثة مباشرة قد وصلت إلى نهاية حياتها التشغيلية ويجب استبدالها أو تحسينها، ويستفيد من البدائل من تحسين التكنولوجيا والدروس المستفادة، ولكن الانتقال يجب أن يدار بعناية للحفاظ على استمرارية البيانات، كما أن مجتمع الرصد يتصدى للتحدي المتمثل في حفظ البيانات وإمكانية الوصول إليها على مدى فترات زمنية طويلة.

وتدل الابتكارات الهندسية التي تم الاضطلاع بها في فوكوشيما على أنه بفضل الإبداع والتعاون المتعدد التخصصات والالتزام بالشفافية، يمكن حتى إنجاز أكثر مهام الرصد البيئي المرهقة، وهذه النظم لا تحمي السكان والنظم الإيكولوجية في المنطقة المتضررة فحسب، بل توفر أيضا نموذجا قويا يمكن للمجتمعات المحلية في كل مكان أن تتكيف عند مواجهة أزماتها البيئية، بل إن تركة فوكوشيما ستقاس ليس فقط في إزالة الإطار البيئي المدمر بل في الهياكل الأساسية المستقرة.