بررسی توانایی و کاراییهای ماهواره «SMAP»
چرا رطوبت خاک مهم است؟
سیدحامد آلمحمد .پژوهشگر پسادکترا در رشته عمران و محیطزیست موسسه تکنولوژی ماساچوست (امآیتی)
در طبیعت سه چرخه داریم: چرخه آب، چرخه کربن و چرخه انرژی. چرخه آب شامل فرآیندهایی است که باعث گردش آب در طبیعت میشوند، شامل باران، تبخیر و تعرق، روانابهای سطحی (رودخانهها)، نفوذ آب در خاک و... . چرخه کربن (در سطح خشکی) نیز شامل دو فرآیند بسیار مهم است؛ یکی جذب دیاکسیدکربن موجود در جو توسط گیاهان طی فرآیند فتوسنتز و دیگری آزادسازی دیاکسیدکربن در جو توسط گیاهان طی فرآیند تنفس. چرخه انرژی هم به تبادل انرژی بین جو و سطح زمین (طی فرآیندهای تبخیر و تعرق، فتوسنتز و بارش) مرتبط است. رطوبت خاک مهمترین متغیری است که با کنترل تبخیر و تعرق از سطح خاک و گیاهان، هر سه چرخه آب، کربن و انرژی را به هم مرتبط میکند. در نتیجه اندازهگیری و مطالعه نوسانهای این متغیر در سطح کره زمین، این امکان را فراهم میآورد که به بررسی دقیقتر و جامعتر این سه چرخه مهم طبیعت بپردازیم. اگر بخواهیم مثال سادهای بزنیم، خاک را میتوان به یک اسفنج تشبیه کرد که میتواند میزان مشخصی آب را در خود نگه دارد. رطوبت خاک توسط باران (و نفوذ آب در خاک) تامین میشود و در اثر تبخیر و تعرق از دست میرود. دانستن اینکه خاک چه زمانی خشک است، کمک میکند
که پیشبینی دقیقتری از خشکسالی داشته باشیم و همچنین جنگلهایی را که در اثر گرما و خشکی شدید در خطر آتشسوزی هستند، شناسایی کنیم. بهطور مشابه، دانستن اینکه خاک چه زمانی در وضعیت مرطوب قرار دارد، کمک میکند که سیلابها را دقیقتر پیشبینی کنیم و مناطقی را که در خطر زمینلغزه در اثر باران هستند، شناسایی کنیم. تا پیش از این، اندازهگیری رطوبت خاک توسط دستگاههای زمینی و به صورت نقطهای انجام میشد که به دلیل ناکافیبودن و پراکندگی مکانی این دستگاهها، مقادیر اندازهگیریشده کارایی لازم را برای استفاده در مدلهای پیشبینی نداشتند. در حال حاضر، مقادیر رطوبت خاک را با استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی و اندازهگیریهای بارش و دما تخمین میزنند و در مدلهای پیشبینی، از آنها استفاده میکنند.
ماهواره «SMAP» اولین ماهوارهای است که با هدف خاص اندازهگیری رطوبت سطحی خاک (تا عمق پنج سانتیمتر) ساخته شده است. این ماهواره موثرترین و به لحاظ تکنولوژیکی، پیشرفتهترین ابزار برای اندازهگیری رطوبت خاک است. پیش از این از دو ماهواره «SMOS» و «Aquarius» هم برای اندازهگیری رطوبت خاک استفاده شده ولی چون هدف اصلی این دو ماهواره اندازهگیری رطوبت خاک نبود، مشاهدات آنها دقت مکانی و زمانی لازم برای استفاده در مدلهای پیشبینی را ندارد. بررسیهای مربوط به روشهای سنجش از دور اندازهگیری رطوبت خاک، حدود 25سال پیش آغاز شد و در نهایت در سال2000 پروژه «SMAP» توسط سازمان فضایی آمریکا (ناسا) تایید و شروع شد. این ماهواره قابلیت اندازهگیری رطوبت سطحی خاک را با تفکیکپذیری مکانی بالا (9 کیلومتر) دارد و هر دو، سهروز یکبار، مقدار رطوبت خاک در تمام نقاط سطح زمین را اندازهگیری میکند. این ماهواره با داشتن دو دستگاه اندازهگیری که در فرکانس حدود 4/1گیگاهرتز کار میکنند، میتواند با دقت خوبی میزان رطوبت خاک را اندازهگیری کند. این فرکانس پس از سالها تحقیق و مطالعه، انتخاب شده و دلیل آن هم حساسیت بالای این فرکانس به
میزان آب موجود در خاک است. به این معنی که با تغییر میزان رطوبت، میزان انرژی دریافتی از خاک در این فرکانس تغییر میکند. در نتیجه میتوان با اندازهگیری میزان انرژی دریافتی از سطح زمین و استفاده از یک مدل معکوس، میزان رطوبت خاک را اندازهگیری کرد. به علاوه در این طول موج، اتمسفر و پوشش گیاهی به صورت نامرئی عمل کرده و هیچگونه تداخلی در امواج دریافتی ایجاد نمیکنند. از دیگر ویژگیهای منحصربهفرد این ماهواره، داشتن یک آنتن دایرهای به قطر ششمتر است که حول یک محور قائم میچرخد. طراحی و ساخت این آنتن به لحاظ عملکرد چرخشی آن (که 6/14دور در دقیقه میزند) از پیچیدهترین بخشهای این پروژه است. این چرخش امکان اندازهگیری در پهنه وسیعتری را فراهم میآورد. اندازهگیریهای رطوبت خاک توسط این ماهواره، کاربردهای فراوانی دارد. از دادههای این ماهواره، به عنوان اطلاعات ورودی (شرایط اولیه) در مدلهای پیشبینی استفاده خواهد شد. در حالیکه هماکنون از تخمینهای رطوبت خاک (که توسط مدلهای هیدرولوژیکی تولید میشوند)، در مدلهای پیشبینی استفاده میشود. خلاصه آنکه با استفاده از این دادهها، هم پیشبینیهای کوتاهمدت هواشناسی و
هم پیشبینیهای بلندمدت اقلیمی بهبود مییابند. اطلاعات دریافتی از این ماهواره به بحثهای مرتبط با تغییر اقلیم نیز بسیار کمک خواهند کرد. تحقیقات نشان میدهد در اثر گرم شدن جهانی و تغییرات اقلیمی، تا پایان قرن بیستویکم، احتمال وقوع خشکسالی در بعضی از مناطق دنیا سهبرابر میشود. به عنوان نمونه میتوان در طول بهرهبرداری از این ماهواره، نحوه تغییرات رطوبت خاک در مقیاسهای زمانی بلندمدت در یک منطقه را ارزیابی و تاثیرات احتمالی تغییر اقلیم و گرمشدن جهانی را روی آن بررسی کرد. همچنین اطلاعات رطوبت خاک در تعیین زمان کشت و آبیاری گیاهان به کشاورزان کمک میکند. گیاهان جهت رشد به مقدار مشخصی آب نیاز دارند و هر میزان آب بیشتر یا کمتر از آن، باعث کمشدن رشد گیاه میشود. اطلاعات دریافتی از ماهواره «SMAP» این امکان را به کشاورزان میدهد که بهطور پیوسته و مستقیم، میزان خشکسالی یا ترسالی را اندازهگیری کنند. در سطح جهانی هم اطلاعات این ماهواره به مدیران سازمانهای بینالمللی این امکان را میدهد که در شرایط بحرانی در مناطق محروم دنیا، ارزیابی بهتری از وضعیت موجود داشته باشند و به صورت موثرتری کمکرسانی کنند. درنهایت،
هرچند مشاهدات این ماهواره باعث جلوگیری از وقوع حوادث طبیعی چون خشکسالی نخواهد شد، ولی کمک شایانی به کمکردن اثرات اقتصادی و انسانی چنین حوادثی خواهد کرد. به علاوه با استفاده از مشاهدات این ماهواره میتوان مناطق مستعد برای رشد بیماریهای مسری (مانند مالاریا) را شناسایی کرد و با مدیریت مناسب از شیوع آن جلوگیری کرد. پشه مالاریا برای گسترش و تکثیر نیاز به یک حوضچه آبی یا تالاب کوچک دارد که معمولا در فصل گرم و پس از بارانهای شدید در مناطق خشک تشکیل میشوند. مشاهدات ماهواره «SMAP» به شناسایی این حوضچهها کمک شایانی میکند. در پایان باید اشاره کنم دادههای دریافتی از این ماهواره به صورت رایگان در سایت ناسا در سایت ناسا در اختیار همه محققاق و علاقهمندان خواهد بود.
در طبیعت سه چرخه داریم: چرخه آب، چرخه کربن و چرخه انرژی. چرخه آب شامل فرآیندهایی است که باعث گردش آب در طبیعت میشوند، شامل باران، تبخیر و تعرق، روانابهای سطحی (رودخانهها)، نفوذ آب در خاک و... . چرخه کربن (در سطح خشکی) نیز شامل دو فرآیند بسیار مهم است؛ یکی جذب دیاکسیدکربن موجود در جو توسط گیاهان طی فرآیند فتوسنتز و دیگری آزادسازی دیاکسیدکربن در جو توسط گیاهان طی فرآیند تنفس. چرخه انرژی هم به تبادل انرژی بین جو و سطح زمین (طی فرآیندهای تبخیر و تعرق، فتوسنتز و بارش) مرتبط است. رطوبت خاک مهمترین متغیری است که با کنترل تبخیر و تعرق از سطح خاک و گیاهان، هر سه چرخه آب، کربن و انرژی را به هم مرتبط میکند. در نتیجه اندازهگیری و مطالعه نوسانهای این متغیر در سطح کره زمین، این امکان را فراهم میآورد که به بررسی دقیقتر و جامعتر این سه چرخه مهم طبیعت بپردازیم. اگر بخواهیم مثال سادهای بزنیم، خاک را میتوان به یک اسفنج تشبیه کرد که میتواند میزان مشخصی آب را در خود نگه دارد. رطوبت خاک توسط باران (و نفوذ آب در خاک) تامین میشود و در اثر تبخیر و تعرق از دست میرود. دانستن اینکه خاک چه زمانی خشک است، کمک میکند
که پیشبینی دقیقتری از خشکسالی داشته باشیم و همچنین جنگلهایی را که در اثر گرما و خشکی شدید در خطر آتشسوزی هستند، شناسایی کنیم. بهطور مشابه، دانستن اینکه خاک چه زمانی در وضعیت مرطوب قرار دارد، کمک میکند که سیلابها را دقیقتر پیشبینی کنیم و مناطقی را که در خطر زمینلغزه در اثر باران هستند، شناسایی کنیم. تا پیش از این، اندازهگیری رطوبت خاک توسط دستگاههای زمینی و به صورت نقطهای انجام میشد که به دلیل ناکافیبودن و پراکندگی مکانی این دستگاهها، مقادیر اندازهگیریشده کارایی لازم را برای استفاده در مدلهای پیشبینی نداشتند. در حال حاضر، مقادیر رطوبت خاک را با استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی و اندازهگیریهای بارش و دما تخمین میزنند و در مدلهای پیشبینی، از آنها استفاده میکنند.
ماهواره «SMAP» اولین ماهوارهای است که با هدف خاص اندازهگیری رطوبت سطحی خاک (تا عمق پنج سانتیمتر) ساخته شده است. این ماهواره موثرترین و به لحاظ تکنولوژیکی، پیشرفتهترین ابزار برای اندازهگیری رطوبت خاک است. پیش از این از دو ماهواره «SMOS» و «Aquarius» هم برای اندازهگیری رطوبت خاک استفاده شده ولی چون هدف اصلی این دو ماهواره اندازهگیری رطوبت خاک نبود، مشاهدات آنها دقت مکانی و زمانی لازم برای استفاده در مدلهای پیشبینی را ندارد. بررسیهای مربوط به روشهای سنجش از دور اندازهگیری رطوبت خاک، حدود 25سال پیش آغاز شد و در نهایت در سال2000 پروژه «SMAP» توسط سازمان فضایی آمریکا (ناسا) تایید و شروع شد. این ماهواره قابلیت اندازهگیری رطوبت سطحی خاک را با تفکیکپذیری مکانی بالا (9 کیلومتر) دارد و هر دو، سهروز یکبار، مقدار رطوبت خاک در تمام نقاط سطح زمین را اندازهگیری میکند. این ماهواره با داشتن دو دستگاه اندازهگیری که در فرکانس حدود 4/1گیگاهرتز کار میکنند، میتواند با دقت خوبی میزان رطوبت خاک را اندازهگیری کند. این فرکانس پس از سالها تحقیق و مطالعه، انتخاب شده و دلیل آن هم حساسیت بالای این فرکانس به
میزان آب موجود در خاک است. به این معنی که با تغییر میزان رطوبت، میزان انرژی دریافتی از خاک در این فرکانس تغییر میکند. در نتیجه میتوان با اندازهگیری میزان انرژی دریافتی از سطح زمین و استفاده از یک مدل معکوس، میزان رطوبت خاک را اندازهگیری کرد. به علاوه در این طول موج، اتمسفر و پوشش گیاهی به صورت نامرئی عمل کرده و هیچگونه تداخلی در امواج دریافتی ایجاد نمیکنند. از دیگر ویژگیهای منحصربهفرد این ماهواره، داشتن یک آنتن دایرهای به قطر ششمتر است که حول یک محور قائم میچرخد. طراحی و ساخت این آنتن به لحاظ عملکرد چرخشی آن (که 6/14دور در دقیقه میزند) از پیچیدهترین بخشهای این پروژه است. این چرخش امکان اندازهگیری در پهنه وسیعتری را فراهم میآورد. اندازهگیریهای رطوبت خاک توسط این ماهواره، کاربردهای فراوانی دارد. از دادههای این ماهواره، به عنوان اطلاعات ورودی (شرایط اولیه) در مدلهای پیشبینی استفاده خواهد شد. در حالیکه هماکنون از تخمینهای رطوبت خاک (که توسط مدلهای هیدرولوژیکی تولید میشوند)، در مدلهای پیشبینی استفاده میشود. خلاصه آنکه با استفاده از این دادهها، هم پیشبینیهای کوتاهمدت هواشناسی و
هم پیشبینیهای بلندمدت اقلیمی بهبود مییابند. اطلاعات دریافتی از این ماهواره به بحثهای مرتبط با تغییر اقلیم نیز بسیار کمک خواهند کرد. تحقیقات نشان میدهد در اثر گرم شدن جهانی و تغییرات اقلیمی، تا پایان قرن بیستویکم، احتمال وقوع خشکسالی در بعضی از مناطق دنیا سهبرابر میشود. به عنوان نمونه میتوان در طول بهرهبرداری از این ماهواره، نحوه تغییرات رطوبت خاک در مقیاسهای زمانی بلندمدت در یک منطقه را ارزیابی و تاثیرات احتمالی تغییر اقلیم و گرمشدن جهانی را روی آن بررسی کرد. همچنین اطلاعات رطوبت خاک در تعیین زمان کشت و آبیاری گیاهان به کشاورزان کمک میکند. گیاهان جهت رشد به مقدار مشخصی آب نیاز دارند و هر میزان آب بیشتر یا کمتر از آن، باعث کمشدن رشد گیاه میشود. اطلاعات دریافتی از ماهواره «SMAP» این امکان را به کشاورزان میدهد که بهطور پیوسته و مستقیم، میزان خشکسالی یا ترسالی را اندازهگیری کنند. در سطح جهانی هم اطلاعات این ماهواره به مدیران سازمانهای بینالمللی این امکان را میدهد که در شرایط بحرانی در مناطق محروم دنیا، ارزیابی بهتری از وضعیت موجود داشته باشند و به صورت موثرتری کمکرسانی کنند. درنهایت،
هرچند مشاهدات این ماهواره باعث جلوگیری از وقوع حوادث طبیعی چون خشکسالی نخواهد شد، ولی کمک شایانی به کمکردن اثرات اقتصادی و انسانی چنین حوادثی خواهد کرد. به علاوه با استفاده از مشاهدات این ماهواره میتوان مناطق مستعد برای رشد بیماریهای مسری (مانند مالاریا) را شناسایی کرد و با مدیریت مناسب از شیوع آن جلوگیری کرد. پشه مالاریا برای گسترش و تکثیر نیاز به یک حوضچه آبی یا تالاب کوچک دارد که معمولا در فصل گرم و پس از بارانهای شدید در مناطق خشک تشکیل میشوند. مشاهدات ماهواره «SMAP» به شناسایی این حوضچهها کمک شایانی میکند. در پایان باید اشاره کنم دادههای دریافتی از این ماهواره به صورت رایگان در سایت ناسا در سایت ناسا در اختیار همه محققاق و علاقهمندان خواهد بود.