وقد أدى زلزال وسونامي الذي ضرب شرق اليابان في آذار/مارس 2011 إلى حدوث إخفاق كارثي في محطة فوكوشيما دايشي للطاقة النووية، حيث أدى إلى إطلاق كميات كبيرة من النظائر المشعة في الغلاف الجوي والتربة والمحيطات، وفي السنوات التي انقضت منذ ذلك الحين أصبح برنامج الرصد البيئي الواسع النطاق من أكثر الأساليب صرامة في الهندسة - العلوم في التاريخ البيئي.

نطاق وأهداف حملة الرصد

الهدف الرئيسي لشبكة رصد الفوكوشيما هو تتبع توزيع وديناميات منتجات الإنشطار الرئيسية - السائلة - 134 من الناحية الوبائية، وقيمت شبكات التحلل الأحيائي في منطقة الاستيعاب الحراري، وقيمت فيها، إلى حد أقل، عمليات إزالة الملوثات العضوية الثابتة من التربة،

ويميز هذا الجهد الرصدي بمدة وكثافة، فخلافا لحملات الاستجابة القصيرة الأجل للحوادث التي تلت سنوات قليلة، استمر برنامج فوكوشيما لأكثر من عقد دون موعد لإنهاء الخدمة، وتشتمل الشبكة الآن على أكثر من 000 3 وظيفة ثابتة للرصد، وآلاف نقاط المسح المتنقلة، ومئات الآلاف من العينات البيئية التي حللت المختبرات، ولا تقتصر بياناتها على نمط الانهيار البيئي، بل وتتحكم أيضا في عمليات الانتقال المتعددة السنوات.

نظم جمع البيانات الهندسية - الدريفن

ويعتمد الرصد الحديث في فوكوشيما على مجموعة من الأدوات الهندسية التي تكيفت صراحة لكشف الإشعاعات المنخفضة المستوى في بيئات خارجية صعبة، ويجب أن تعمل هذه الأدوات بشكل موثوق به على الرغم من درجات الحرارة الشديدة، والرطوبة العالية، والتدخل من حين لآخر من بروز الرادون، وتشكل التكنولوجيات التالية العمود الفقري لاقتناء البيانات الميدانية.

أجهزة قياس ذات كهرباء محمولة ومتحركة

كما أن بعض المطيافات المحتوية على أشعة غاما المجهزة بمطياف عالية النقاء أو اليوديوم المحتوي على مطياف حرجي متطورة تستخدم بشكل منتظم في القياسات الموجودة في الموقع، وتسمح هذه الأجهزة لفرق المسح بأن تتمشى مع أنماط الأشعة المكشوفة، وتجهز فيما بعد لتمييز الصبغة-137 عن النسيجات البلاستيكية التي تحدث في آن واحد مثل البوتاسيوم.

ومن بين الابتكارات الجديرة بالذكر على وجه الخصوص استخدام التحليلات المتعلقة بالنوافذ على مدار الزمن، ] في النظم المركبة، وبدلا من تسجيل معدلات الإحصاء الإجمالية، فإن هذه الأجهزة تعمل باستمرار على إبطال طيف الطاقة باستخدام أجهزة التجهيز المحتوية على لوحة، مما يتيح للمشغلين تصور مساهمة الاستطلاع اليدوي على أساس السرعة القصوى المحددة في الاختبارات الميدانية التي تقدم في وقت قريب من الزمن الأمثل.

محطات رصد ذاتية الدفع الثابتة

(أ) أكثر من 000 3 وظيفة رصد ثابتة في محافظة فوكوشيما، والكثير من البيانات التي تنقلها في الوقت الحقيقي عن طريق القياس عن بعد بواسطة الخلايا أو السواتل، وتشغل كل محطة عادة جهازاً للتصوير الضوئي أو جهازاً لرصد المركبات، إذا كان يمكن أن يفحص أجهزة قياس معدل الجرعات الجوية، ويستكملها أجهزة الاستشعار عن طريق الجو وبطاريات احتياطية.

وتستحق هندسة موثوقية هذه المحطات إشارة خاصة، حيث أن كل وحدة مصممة لفترة زمنية قصيرة بين الإخفاقات التي تتجاوز خمس سنوات في الظروف الخارجية، وتوضع أجهزة الكشف عن الإشعاع نفسها في مضبوطات معدة للطقس مع مجموعات من الحلوى وعناصر التدفئة النشطة لمنع الارتداد على أسطح مراعية حساسة، وتعالج إدارة الطاقة بواسطة مقاييس مكيفة تعطي الأولوية لنقل البيانات أثناء ساعات النهار.

نظم جوية غير مأهولة لأغراض رسم الخرائط الإشعاعية

(ج) يمكن أن تؤدي الطائرات الآلية إلى إحداث ثورة في الوصول إلى المناطق الجبلية العميقة، والداخلية الحرجية، والمستودعات الساخنة للتلوث التي لا تصلح لطاقات الأرض(37).

كما أن التقدم المحرز في التخطيط الجوي المسموع ] قد زاد من كفاءة الرصد الجوي، ويسمح برنامج التحكم في المركبات الجوية الحديثة الآن باستخدام خرائط معدل الجرعات الموجودة مسبقاً، ويولد تلقائياً مسارات طيران تخصص وقتاً أطول في المناطق التي تشهد مستويات أعلى من التلوث المتوقع، ويكفل هذا النهج القائم على أخذ العينات المكيّفة أعلى مستويات من التلوث في الخرائط

ساتل وأجهزة استشعار عالية الاستقطاب

وفي حين توفر الطائرات المسيرة تفاصيل مكانية جيدة، فإن منابر السواتل توفر التغطية الاصطناعية اللازمة لتتبع التغير البيئي الواسع النطاق، كما أن الوكالة اليابانية لاستكشاف الفضاء الجوي (JAXA) و خرائط الطاقة الذرية قد تستخدم بيانات من سلسلة أجهزة قياس الأرض المتطورة لرصد الأرض، وغير ذلك من أجهزة الاستشعار البصرية/الرادارية لرسم خرائط تغيرات التربة

كان تكامل التحليلات الأولية لسلسلة البحث العلمي ذات قيمة خاصة لفهم مسارات النقل الهيدرولوجي، من خلال مقارنة صور الاتساق بين المناطق المتقطعة التي تم الحصول عليها قبل أحداث الإعصار الكبرى وبعدها، يمكن للباحثين تحديد مجالات التحات والترسيب الناموسياتي النشط التي من المحتمل أن تعيد توزيع الأعاصير المشعة.

بروتوكولات الجمع العيني والتحليل المختبري

ويجب التحقق من صحة الاستشعار عن بعد والمطياف الميداني واستكماله بعينات مادية تم تحليلها في ظروف خاضعة للرقابة، وحجم برنامج عينات فوكوشيما هائل: فقد تم تجهيز أكثر من 000 200 تربة وماء ومطياف بيولوجية منذ عام 2011.

عينات التربة والارتباط

تستخدم الأطقم الميدانية بروتوكولات موحدة لجمع نواة التربة المجهزة بالعمق، والتي تقسم عادة إلى 0-5 سم، و5 إلى 10 سم، وطبقات أعمق، يتم اختيار مواقع العينات باستخدام تصميمات عشوائية مفصّلة على أساس خرائط لمعدلات الجرعات المحمولة جواً.

ومن التطورات المنهجية الرئيسية توحيد فترات العمق بين العينات في مختلف أفرقة البحث، وقد أدى عدم الاتساق في برنامج الرصد إلى صعوبة مقارنة النتائج بين الدراسات، وفي الاستجابة لذلك، وضع اتحاد جامعات ووكالات حكومية يابانية بروتوكولاً مشتركاً يحدد التربة السطحية بأنها طبقة من 0-5 سم و30 متجانسة.

المياه ورصد الأحياء

وتُجمع مياه الأنهار والمياه الجوفية والمياه البحرية باستخدام عينات آلية يمكن أن تُطلق بواسطة قياسات الأمطار، وتُسجَّل الرواسب المعلَّقة أثناء أحداث التدفق المرتفع، وتشمل عينات من المواد الغذائية المزروعة، والحيوانات، والأسماك، والمنتجات الزراعية، وتُعد عينات من المواد التي تُستخدم في إطار تحليلات المواد الغذائية المجمدة والمتجانسة، وتُحسب في حالة مركبات غاما؛ وتُستخدم عينات مُقيَّدة مُخَنَعَتَتَتَتَتَتَتَتَتَة في إطارها.

وتمثل عينات المياه الآلية المستخدمة في رصد الأنهار إنجازا هندسيا هاما في حقها، وهذه المحطات مجهزة بنظم الضخ التي يمكن أن تسحب المياه من عمق يصل إلى 10 أمتار، وترشيح كل من المرحلتين المذوفة والجسيمية من خلال نظم الترسبات التي تُجرى في خط التلال، وتُجمع أجزاء الجسيمات على مرشحات الألياف الزجاجية للتحليل الكيميائي الإذاعي، في حين تمر معظم الأليارات

تكامل البيانات والإدارة وتحليل الاتجاهات

وتتمحور مختلف مسارات البيانات - من المطياف اليدوية، والرحلات الجوية فوق البنفسجية، والصور الساتلية، والمجسات الميدانية، وأدوات المختبرات - في قاعدة بيانات جغرافية مركزية تضم الآن عدة أنواع من المعلومات عن السلسلة الزمنية، وتتبع إدارة البيانات مبادئ FAIR (القابلية للتداول، والمتاحة، والممكنة التشغيل، والمراجعة)، مع تطبيقات إلكترونية مفتوحة تتيح للباحثين أن يستجوبوا كلا من المواد الخام والجودة.

الأطر الجغرافية المكانية ولوحات إدارة الوقت الحقيقي

وتُعَمَّم جميع القياسات الميدانية بالموقع والزمن والبيانات الوصفية المستشعرة قبل أن تُستَغَل في بنية أساسية للبيانات المكانية تُبنى على نظام ما بعد نظام المعلومات الجغرافية ومؤسسة آرك جي، وتُنتج أيضاً نصوص التجهيزات الجغرافية الآلية خرائط يومية للجرعة الجوية، تُنشر كخرائط تفاعلية على الشبكة العالمية.() وتجمع لوحات دعم القرارات بين البيانات الإشعاعية وبين الطبقات الديموغرافية ومناطق الإجلاء وتصنيفات الاستخدام البصري للأرض

خط ضمان الجودة بالنسبة للبيانات الواردة صارم بشكل خاص، وكل قياس يتم بصورة تلقائية عن القضايا المحتملة مثل الانجراف في النظام العالمي لتحديد المواقع، أو ازدحام درجات الحرارة خارج نطاق معايرة الأداة، أو التدخل المشتبه به من مصادر الإشعاع القريبة، وتستعرض نقاط البيانات المشتعلة بواسطة محلل بشري في غضون 24 ساعة، وتكون مصحوبة أو مستبعدة من مجموعة البيانات العامة.

التحليلات المتقدمة والنماذج الافتراضية

ويكشف تحليل السلاسل الزمنية لنشاط السيزيوم - 137 في التربة والمياه عن انخفاض في نصف العمر الإيكولوجي الذي يقل كثيرا عن نصف العمر المادي الذي يبلغ 30 عاما، بسبب عمليات التخفيف الطبيعية، إذ أن خوارزميات التعلم الماكنة تُطبق الآن على مجموعة البيانات الضخمة: إذ تتوقّع نماذج الغابات العشوائية معدلات الجرعات غير المميتة في مواقع غير مرئية تستخدم نماذج للتكاثر، وتعطي الأولوية لمنتجات التفشيع.

وقد ثبت أن تطبيق أشجار القرار المزروعة بمواد متطورة قد أصبح فعالاً بشكل خاص في التنبؤ بتركيزات السيزيوم-137 في التربة الزراعية، ومن خلال التدريب على أكثر من 000 50 عينة من عينات التربة ذات الصلة بتاريخ استخدام الأراضي ونوع التربة وجانب المنحدرات، يمكن أن يقدر النموذج مستويات التلوث في المواقع غير المشمولة بالتقييم والتي تُستخدم فيها الحكومات المحلية لخطاء مربعي من أقل من 20 في الخرائط المستمرة.

التحديات والابتكارات الهندسية

وقد تطلب تشغيل شبكة رصد من هذا المقياس في مشهد ما بعد الكوارث إجراء العديد من التكييفات الهندسية، ولا تزال إمدادات الطاقة تشكل عقبة رئيسية في المناطق الحرجية النائية؛ وتعتمد الآن محطات عديدة على نظم الوصل الكهربائي بالطاقة الشمسية ذات الرياح الشمسية التي تستخدم فيها أجهزة التحكم بالطرق المائية التي تنطلق من مستويات قياسية، ويحتاج نمو الغطاء النباتي السريع حول أجهزة الاستشعار إلى آليات لنقل البيانات ذاتياً أو الصيانة المقررة.

وثمة تحد آخر مستمر يتمثل في معادلة أجهزة الكشف في الموقع بسبب تقلبات درجات الحرارة وشيخوخة المكونات، وقد نشر المهندسون نظماً ذاتية المقياس تُعرِّض المكتشف دورياً لمصدر مرجعي داخلي صغير وتُعدل المكسب تبعاً لذلك، وبالإضافة إلى ذلك، يجري اختبار أجهزة الاستشعار المكونية للأشعة الكونية لتصحيح آثار رطوبة التربة التي يمكن أن تُحدث إشارات مائلاً يدوية للكشف عن المأشيرات الأشعة غاما، وهي مصدر هام للغم.

وقد أصبحت أيضاً مسألة أمن الكتمان لشبكة الرصد أولوية متزايدة نظراً إلى أن البنية التحتية قد أصبحت أكثر ارتباطاً بها، حيث أن شبكات الميوشات اللاسلكية ونقاط نهاية المنشور العامة يمكن استغلالها في حقن بيانات زائفة أو في عمليات رصد معطلة، ولمعالجة ذلك، نفذ مشغلو الشبكة قرارات كشف نهائية بشأن جميع عمليات نقل المعلومات ذات الصلة،

الاتجاهات المستقبلية والعلامات العالمية

وقد تطور برنامج رصد فوكوشيما إلى مرجع دولي للتقييم الإشعاعي البيئي، حيث إن المنطقة تنتقل من الاستجابة الطارئة إلى الإدارة الطويلة الأجل، فإن البنية الأساسية لجمع البيانات يجري إعادة استخدامها لدراسة التحولات المتصلة بالمناخ، مثل زيادة عدد الطغاة المجهزة بأجهزة الطغاة التي قد تعجل بإعادة توزيع النويدات المشعة القديمة، كما أن الخطط جارية لإدماج الشبكة مع نظم الضغط الشاملة على الإشعاعات، ونظام الإنذار المبكر بالأخطار.

ومن التطورات المثيرة دمج الحمض النووي البيئي (eDNA) في بروتوكول الرصد، حيث يقوم الباحثون حاليا بجمع عينات من المياه والتربة للتحليل الوراثي إلى جانب القياسات الكيميائية التقليدية، وتوفر بيانات التشخيص الإلكتروني معلومات عن تكوين المجتمعات البيولوجية وصحتها، مما يتيح للعلماء تقييم الآثار الإيكولوجية للتعرض للإشعاع على مستوى النظم الإيكولوجية(ب).

فالدروس المستفادة في فوكوشيما قابلة للنقل مباشرة إلى مواقع نووية أخرى، ومخازن النفايات القديمة، والسيناريوهات المحتملة للحوادث في جميع أنحاء العالم، وقد أثرت بالفعل في وضع أجهزة استشعار الإشعاع ذات الموارد المنخفضة، ونشر بروتوكولات ميدانية موحدة على برامج الرصد في تشيرنوبيل وجزر مارشال، حيث أن التعاون الدولي، مثل تلك التي يسرها مشروع " فوكوشيما دايشي " (FLT)، الذي وضعته([FL.

خاتمة

الرصد الإيكولوجي الطويل الأجل لـ(فوكوشيما) هو دليل على الهندسة المنهجية والعلوم المتعددة التخصصات التي تطبق على أزمة بيئية عميقة، من خلال الجمع بين أجهزة الكشف الإشعاعي الحساسة، والطائرات الآلية ذاتيا، والصور الساتلية، والتحليل المكثف للمختبرات، ومخططات التكامل المتطورة للبيانات، توفر شبكة الرصد صورة مستمرة وشفافة للانتعاش الإيكولوجي، وتنتج مجموعات البيانات المحفوظة، والابتكارات الناشئة عن الضرورة،