شناسایی و پایش آئروسل ها با استفاده از سنجش از دور – با معرفی ماهواره ها و داده های کاربردی آن

مقاله تخصصی پایش آیروسل ها با استفاده از سنجش از دور منتشر شد! آیروسل ها ذرات مایع و جامد معلق در هوا هستند که از لحاظ اندازه، عموما ضخامتی کمتر از موی انسان ها دارند. با این حال عموما در سنجش از دور از آن ها به عنوان ذرات تشکیل دهنده جو یاد می شود که اثرات قابل توجهی را بر روی امواج رسیده به سنجنده دارند. در این مقاله شما با کاربرد سنجش از دور در مطالعه آیروسل ها، به همراه ماهواره ها و سنجنده های کاربردی آن آشنا می شوید. 

---

مقدمه

همواره موضوع آیروسل ها بدلیل اثراتی که بر روی اقیلم و سلامتی انسان ها دارد مورد توجه است. همچنین پدیده آیروسل ها در انتقال بیماری ها از مکانی به مکان دیگر اثر گذار است. ابعاد این ذرات بین 0/05 تا 10 میکرومتر است که در برهمکنشی که با امواج دارند اثرات قابل توجهی را ایجاد می کنند. آیروسل ها تحت تاثیر عوامل مختلفی ایجاد می شوند، مانند : آتش سوزی های جنگل ها و مراتع، فوران های آتش فشانی، بادهای مناطق بیابانی و غیره.

---

فعالیت های انسانی مانند سوخت های فسیلی، فعالیت های کارخانه ها، تغییرات کاربری های اراضی از جمله عواملی است که باعث ایجاد 10 درصد تمامی آیروسل ها در سراسر جهان شده است. آیروسل هایی که منشا انسانی دارند عموما در نزدیکی سکونت گاه های بزرگ انسانی دیده شده و اثرات منفی قابل توجهی را بر روی سلامتی انسان ها خواهند داشت. 

---

مطالعه آیروسل ها همیشه با چالش های خاصی مواجه است. دلیل این امر تنوع بسیار زیاد گونه های مختلف آن است که بدلیل تفاوت های ترکیبات شیمیایی و ساختار فیزیکی آن ها ایجاد شده است. بر خلاف گازهای موجود در جو که پایداری طولانی مدتی دارند، آیروسل ها بواسطه تغییرات اقلیمی مانند بارش و گرانشی به سرعت از لحاظ زمانی و مکانی تغییرپذیر هستند. بر همین اساس، سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای بصورت کاربردی برای شناسایی و پایش دقیق آن ها در مقیاس جهانی مورد استفاده قرار می گیرد. 

---

آیروسل ها و سنجش از دور

امروزه با استفاده از تصاویر ماهواره ای شناسایی و پایش آیروسل ها امکان پذیر است. پارامتر دورسنجی که در این رابطه استفاده می شود، عمق اپتیکی اتمسفر و یا Aerosol Optical Depth یاد می شود که اصطلاحا به عنوان AOD نام گذاری شده است. شاخص AOD معیاری برای اندازه گیری آیروسل موجود در جو است که بر اساس نسبت امواج خورشیدی پخش و جذب شده در اتمسفر (بر اثر برهمکنش با ذرات) و طول مسیر طی شده آن، محاسبه می شود.

---

شاخص AOD یک پارامتر کمی بدون بعد برای نشان دادن تراکم و تمرکز ذرات موجود است. عموما AOD در طول یک مسیر عمودی محاسبه می شود. ویژگی های فیزیکی و شیمیایی ذرات، مانند اندازه، روشنایی، ترکیب همگی قابل اندازه گیری بوده و نشان دهنده میزان اثر آن ها بر روی اقلیم و سلامتی انسان ها است. اما این در حالی است که اندازه گیری دقیق این ویژگی ها با استفاده از تصاویر ماهواره ای سنجش از دور هم چنان به عنوان یک چالش بزرگ شناخته شده است. 

---

از اواخر دهه 70 میلادی، تصاویر سنجنده AVHRR ماهواره NOAA برای تولید داده های روزانه اقلیمی در مقیاس جهانی مورد استفاده قرار گرفت. این سنجنده ابتدا برای مطالعه سطح زمین و تصحیحات اثر اتمسفر (اثرات ناشی از گازها و ذرات) به همراه پردازش های مرتبط با آن طراحی شده بود. در همین راستا ابتدا باند قرمز آن (0/63 میکرومتر)  برای شناسایی بازپراکنش های ناشی از آیروسل ها بر فراز اقیانوس ها مورد استفاده قرار گرفت. 

---

سپس با استفاده از داده های این سنجنده، نقشه های آیروسل در مقیاس های زمانی فصلی و کوتاه مدت تر برای سراسر جهان تولید شد. نقشه های آیروسل تولید شده از AVHRR مسیرهای حرکتی آیروسل ها در مقیاس های مکانی متفاوت را به خوبی نمایش می داد بطوریکه مسافت های طی شده توسط این ذرات به همراه حجم تغییرات آن در مسیر به خوبی قابل تشخیص بود. بر اساس پایش های صورت گرفته مشخص شد که آیروسل ها بر روی چرخه بیلان انرژی و اقلیم سیاره زمین بسیار اثرگذار هستند.

---

شناسایی و پایش آیروسل ها با استفاده از تصاویر ماهواره ای با چالش های زیادی نیز مواجه است. به عنوان مثال جداسازی آیروسل های جو از بازتاب های پس زمینه های خاکی در سطح زمین یکی از مهم ترین چالش ها است. درصورتی که برای این هدف، از استراتژی مناسبی استفاده نشود، نتایج حاصله قابل اطمینان نخواهد بود.

---

یکی دیگر از محدودیت های جدی در این زمینه فقدان اطلاعات کافی در ارتباط با  ویژکی های ذرات موجود در منطقه است که این عامل باعث ایجاد مشکلاتی در ارزیابی اثر آیروسل ها بر اقلیم و سلامتی می گردد. یکی دیگر از این مشکلات، جداسازی بازتاب های ابر و آیروسل ها از یکدیگر است که خود منجر به ایجاد خطا در فرایند های پردازشی می گردد. با این حال طی سال های اخیر داده ها و روش های ارایه شده در حدی توسعه یافته اند، که برخی از این مشکلات به حداقل کاهش یافته است. به عنوان مثال به منظور جلوگیری از اثر بازتاب های پس زمینه، در سال 1979 میلادی سنجنده SAGE به فضا پرتاب شد. این سنجنده برای پایش سولفات آیروسل در استراتوسفر مورد استفاده قرار گرفت که برای این هدف بسیار موفقیت آمیز بود. 

---

بدلیل پخش شدید امواج ماوراء بنفش خورشیدی رسیده به سطح زمین، در طول موج های 330 تا 380 نانومتر، اگر در این محدوده طیفی از فضا به زمین نگاه کنید، بصورت کاملا تار دیده می شود. در اواخر دهه 90 میلادی محققین سنجش از دور دریافتند که بر اساس خاصیت جذب و بازپراکنش امواج ماوراءبنفش اتمسفر، باندهای سنجنده TOMS می تواند در زمینه شناسایی و پایش آیروسل ها در پهنه های آبی و خشکی قابل استفاده باشد.

---

همین امر باعث شد تا با استفاده از باند ماوراءبنفش، شاخصی برای شناسایی میزان آیروسل های جوی طراحی گردد. این شاخص که با عنوان UV Aerosol Index از آن یاد می شود معیاری کیفی از جذب امواج UV توسط گرد و غبار و دود موجود در جو است. مهم ترین مزیت این شاخص آن است که تابعی از ارتفاع است و عموما قابلیت شناسایی آیروسل هایی را دارد که در ارتفاع بالاتری از سطح زمین قرار گرفتند. 

---

یکی از نخستین روش های پرکاربرد سنجش از دور برای شناسایی آیروسل ها، روش فوتومتری است. این روش بر اساس تغییرات شدت تابش خورشیدی متناسب با تغییرات حرکت ظاهری خورشید در آسمان عمل می کند. در این روش از تصاویر ماهواره ای استفاده می شود که تابش خورشید در آنها مایل تر بوده و امواج خورشیدی مسافت بیشتری را طی می کنند تا به سطح زمین برسند. در این شرایط با فرض بر یکپارچگی افقی آیروسل ها، ستون عمق اپتیکی آیروسل ها با استفاده از طول موج ها گوناگون قابل محاسبه و شناسایی بوده و در نتیجه سایز آیروسل ها نیز قابل محاسبه خواهد بود. 

---

با آغاز دهه 90 میلادی، سازمان فضایی اتحادیه اروپا، ماموریت ماهواره ATSER را آغاز کرد. این سنجنده بر خلاف روش فتومتری، تابش خورشیدی بازپراکنش شده از هر منطقه را اندازه گیری می نمود. عملکر این ماهواره در شناسایی آیروسل ها به این صورت است که با افزایش زاویه دید و مایل تر شدن تصویر برداری، امکان جداسازی بازپراکنش های صورت گرفته از سطح زمین و اتمسفر به شکل مطلوبی فراهم می شود. هم چنین این تکنیک، امکان شناسایی لایه های نازکتری از آیروسل را فراهم می کند. 

---

نسل جدید ماهواره های پایش آیروسل

بعد از AVHRR، سنجنده MODIS به عنوان مهم ترین سنجنده کاربردی سنجش از دور در مطالعات مربوط به شناسایی و پایش آیروسل ها است. درحقیقت MODIS ادامه دهنده راه سنجنده AVHRR در این زمینه علمی محسوب می شود. با این حال MODIS از امکانات بهتر و بیشتری در مقایسه با AVHRR برخوردار است. به طوریکه 36 باند طیفی و توان تفکیک مکانی 250 تا 1000 متر و توان تفکیک زمانی روزانه به عنوان مهم ترین مشخصه های این سنجنده نوین در مقایسه با نمونه های قبلی در نظر گرفته می شود.

---

امروزه با استفاده از داده های MODIS پروداکت AOD برای مناطق آبی و خشکی در سراسر جهان با استفاده از باند آبی طیف الکترومغناطیسی تولید شده است. سنجنده مادیس 16 باند حرارتی دارد که برای پایش گرد و غبار های ناشی از آتش سوزی ها در سراسر جهان کاربردی و قابل استفاده است. هم اکنون سنجنده مادیس در دو ماهواره آکوا و ترا بصورت روزانه تصویر برداری نموده و در هر روز  4 تصویر ماهواره ای (2 تا روز و 2 تا شب) را در اختیار کاربران قرار میدهد. 

---

سنجنده MISR به عنوان بهترین مکمل سنجنده MODIS برای شناسایی و پایش گردو غبار است. این سنجنده با 4 باند طیفی و توان تفکیک مکانی 274 متر و توان تفکیک زمانی 7 روزه برای برآورد عمق اپتیکی اتمسفر و پایش آیروسل ها استفاده می شود. مهم ترین ویژگی این سنجنده آن است که در 9 زاویه دید متفاوت تصویر برداری می کند که بر اساس منطق فوتومتری امکان تشخیص دقیق تر آیروسل ها به همراه جداسازی آن از بازتاب های پس زمینه را به شکل مطلوبی فراهم می آورد. زوایای دید گوناگون سنجنده، امکان شناسایی بازپراکنش های صورت گرفته را از جهت های مختلف فراهم می کند. این امر باعث افزایش دقت در ثبت اطلاعات مربوط به ویژگی های فیزیکی آیروسل ها را فراهم می کند. 

---

درحقیقت، دقیق ترین اطلاعات در ارتباط با آیروسل ها از طریق داده های سنجنده LiDAR تولید می شود. در سنجنده های غیرفعال مانند مادیس از اثر بازپراکنش امواج برای شناسایی آیروسل ها استفاده می شود اما این در داده های LiDAR از امواج لیزری ارسال شده توسط سنجنده اطلاعات مذکور بدست می آید. دقت داده های تولید شده از سنجنده های لایدار به اندازه ای است که تمامی ویژگی های میکروفیزیکی ذرات نیز در تمامی ساعات شبانه روز در آن قابل شناسایی است. سنجنده های LITE و GLAS نمونه های فضابرد لایداری هستند که برای مطالعه آیروسل ها تا کنون مورد استفاده قرار گرفته است. 

---

اثرات زیست محیطی آیروسل ها

آیروسل ها بیش از 90 درصد امواج مریی رسیده به جو را بازتاب می کنند، این در حالی است که 70 درصد سطح زمین توسط پهنه های آبی پوشانده شده است. بازپراکنش امواج رسیده از خورشید توسط آیروسل ها باعث کاهش انرژی رسیده به سطح زمین شده و در نتیجه زمین خنک تر می شود. مدل های اقلیمی به خوبی می توانند این اثرات را شبیه سازی کنند اما این در حالی است که داده های ماهواره ای تنها اطلاعات یک زمان مشخص را از وضعیت آیروسل ها نمایش می دهند.

---

در این میان ماهواره های زمین آهنگ وضعیت بهتری دارند. در حقیقت با استفاده از ماهواره های زمین آهنگ تغییرات آیروسل ها بصورت لحظه ای قابل پایش است اما این پایش تنها بصورت کیفی بوده و برای برآورد اطلاعات کمی چندان مناسب نیستند. با این حال استفاده ترکیبی از داده های ماهواره ای و مدل های اقلیمی امکان جبران محدودیت مدل ها و تصاویر را فراهم می آورد.

---

ارزیابی های کنونی صورت گرفته در مقیاس جهانی نشان دهنده آن است که آیروسل ها به اندازه 0/1 تا 0/9 (وات در مترمربع) در کاهش گرمای زمین تاثیرگذارند اما این در حالی است که کربن دی اکسید به اندازه 1/66 (وات در مترمریع) در افزایش گرمای زمین اثر می گذارد. با این حال فراموش نکنید که آیروسل ها از لحاظ مکانی و زمانی بسیار پویا و متغیر هستند و اثرات محلی آنها از میانگین اثر آن در مقیاس جهانی بسیار بیشتر است. بررسی های صورت گرفته با استفاده از پروداکت AOD نشان داده که از دهه 90 میلادی تا کنون روند تغییرات آیروسل ها در اروپا بسیار کاهش یافته اما این در حالی است که در مناطق غرب و جنوب غربی آسیا بر میزان آن افزوده شده است. 

---

آیروسل ها علاوه بر اثری که بر روی تابش خورشیدی رسیده دارند، به عنوان یک عامل موثر در شکل گیری ابرها در اتمسفر نیز شناخته می شوند. در حقیقت، آیروسل ها در جو به عنوان تکیه گاه هسته اولیه ذرات بخار آب در جو هستند که امکان شکل گیری ابرها را فراهم می کنند. آیروسل ها می توانند باعث قوی و یا ضعیف شدن ابرها شوند. به عنوان مثال آیروسل های تیره مانند ذرات دود، انرژی خورشیدی را جذب کرده و باعث تبخیر رطوبت ابرها می گردد. ترکیبات آیروسل موجود در ابرها می تواند یخ زدن ترکیبات مرطوب ابر را با تاخیر مواجه کند.

---

فایل PDF

به منظور دانلود رایگان PDF این مقاله بر روی گزینه زیر کلیک کنید. 

[purchase_link id=”77741” style=”button” color=”orange” text=”دانلود مقاله پایش آیروسل ها در سنجش از دور”]

---

لینک های مفید

• پروداکت AOD سنجنده MODIS
• سری زمانی آیروسل ها در Google Earth Engine

---