آشکار سازی غبار با استفاده از تصاویر ماهواره ای و سنجش از دور – بخش اول

با استفاده از فاکتور عمق اپتیکی اتمسفر میتوان اطلاعات با ارزشی را در ارتباط با آئروسل ها در سنجش از دور و بر اساس تصاویر ماهواره ای استخراج کرد. عمق اپتیکی اتمسفر به عنوان یک معیار موثر برای برآورد میزان آئروسل موجود در جو مورد استفاده قرار میگیرد. مبنای عمق اپتیکی اتمسفر  میزان پخش و جذبی است که توسط آئروسل ها در اتمسفر ایجاد میشود. عمق اپتیکی آئروسل به عنوان یک فاکتور بدون بعد است که نشان دهنده میزان تراکم آئروسل ها در جو زمین بوده و میتواند برای برآورد اندازه ذرات و اندازه گیری طول  مسیری که امواج در اتمسفر طی کرده اند مورد استفاده قرار بگیرد.  این فاکتور معمولا در راستای یک مسیر عمودی اندازه گیری میشود. برای ارزیابی اثر آئروسل ها بر روی سلامتی انسان ها و وضعیت اقلیمی باید اطلاعات کافی در ارتباط با ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آنها داشت. با این حال اندازه گیری ویژگی ها و خصیصه های هریک از ذرات آئروسل به عنوان یکی از موارد مهمی است که از دیر باز با مشکلات و محدودیت های جدی مواجه بوده است.

از اواخر دهه 70 میلادی تصاویر ماهواره NOAA سنجنده AVHRR بصورت چند طیفی و با توان تفکیک زمانی روزانه  شروع به برداشت شدند. سری سنجنده های AVHRR ماهواره های NOAA در گام اول در ارتباط با مشاهده سطح زمین و تحلیل داده ها خصوصا در زمینه تصحیح اتمسفری و حذف اثر گازها و ترکیبات موجود در جو  طراحی شدند. در ابتدا با استفاده از باند قرمز سنجنده AVHRR الگوریتم هایی طراحی شد که میتوانستند میزان افزایش و کاهش آئروسل را بر فراز مناطق اقیانوسی برآورد نمایند (در طول موج 0.63 میکرومتر.

پس از مدتی  نقشه های تغییرات فصلی و جهانی آئروسل در مناطق مختلف جهان مدل سازی و نقشه های آنها تهیه گردید. آئروسل ها معمولا ترکیبی از گرد و غبار نواحی بیابانی، آلودگی های ایجاد شده توسط فعالیت های صنعتی در شهرها خاکسترهای حاصل از آتش سوزی ها و غیره است. داده های سنجنده AVHRR برای نخستین بار شناسایی کردند که آئروسل ها مسافت های بسیار زیادی را طی کرده و مناطق مختلف جهان را تحت الشعاع قرار میدهند. به عنوان مثال انتقال آئروسل های بیابان های صحرا آفریقا را به اقیانوس اطلس و رسو شدن آن در منطقه کاراییب اشاره نمود که توسط تصاویر ماهواره NOAA به ثبت رسیده است. مطالعات و تحقیقات نشان داده است که  آئروسل ها بر روی بیلان انرژی در مناطق مختلف جهان نیز اثر گذار هستند.

در فرایند برآورد آئروسل ها با استفاده از تصاویر ماهوراه ای محدویت های جدی از جمله اثر پدیده های پس زمینه وجود دارد.  به عنوان مثال جداسازی و تفکیک آئزوسل ها از  ابرها خود به عنوان یکی از چالش های هم در این زمینه است. در همین راستا طی سال های اخیر مطالعات و تحقیقات بسیاری به منظور ارتقای دقت الگوریتم های برآورد آئروسل صورت گرفته است.

با توجه به اثرات پدیده های پس زمینه بر روی سیگنال های آئروسل ها، و تلاش هایی که به منظور حذف اثر آنها صورت گرفته است، در سال 1979 میلادی سنجنده SAGE طراحی و پرتاب شد. این سنجنده با ارزیابی مسیر تابشی خورشید در اتمسفر زمین و ایجاد پروفیل های اتمسفری توانست نقش مهمی را در زمینه شناسایی و برآورد سولفات آئروسل تولید شده از فوران آتش فشانی در سال 1991 ایفا نماید.

با توجه به شدت پخش امواج الکترومغناطیسی در محدوده مادون ماوراءبنفش، سطح زمین در این طول موج از فضا بصورت کدر دیده میشود. در اواخر دهه 1990 میلادی سنجنده TOMS  که سری های مختلف آن به اندازه 20 سال پیش تر به نمونه برداری از سیاره زمین پرداخته بودند، از باند های طیفی برخوردار بود که میتوانست برای برآورد آئروسل بر فراز نواحی خشکی و دریایی مورد استفاده قرار بگیرد و این امر بر اساس قابلیت این سنجنده در جذب امواج ماوراءبنفش برگشتی ایجاد گردید. همین امر باعث ایجاد شاخص آئروسل شد که به عنوان یک معیار کیفی با توجه به جذب امواج uv توسط آئروسل ها به مانند غبار و دود مورد استفاده قرار مگیرفت. این الگوریتم نسبت به آئروسل های نزدیک به سطح زمین از محدودیت برخوردار بود و در عین حال حساسیت بالایی نسبت به ارتفاع آئروسل های موجود در جو داشت. با این حال با استفاده از این الگوریتم نخستین نقشه های جامع از آئروسل ها ، توزیع و مراجع آنها برای تمامی نقاط جهان برای بازه های زمانی طولانی مدت تولید شد.

یکی از اولین و در عین حال پرکاربردترین تکنیک های سنجش از دوری فوتومتری خورشیدی مبتنی بر سطح زمین است که از طریق تغییرات شدت های صفحات خورشیدی با در نظر داشتن تغییرات ارتفاعی خورشید در آسمان به شناسایی آئروسل ها کمک میکرد. پیش از استفاده از روش های ماهواره ای برای پایش غبار از روش های ارزیابی میزان شفافیت آسمان و میزان نور خورشیدی رسیده به سطح زمین استفاده میشد.

با آغاز سال 1991 میلادی سازمان فضایی اتحادیه اروپا ماهواره ATSR را برای مطالعه غبار طراحی نمود. با استفاده از داده های این سنجنده نخستین نمونه های فاکتور AOD در تصاویر ماهواره ای مورد محاسبه قرار گرفت. با این حال همچنان اثر سیگنال های ایجاد شده توسط اتمسفر بر روی نتایج الگوریتم های موجود بسیار زیاد بود و مانع از این میشد که بتوان نتایج بهینه ای را استخراج کرد. در حقیقت مسیر طی شده توسط سیگنالها بر روی نتایج الگوریتم های غبار بسیار تاثیر گذار است اما در مقایسه با سطح هرچه میزان طول مسیر مایل نورخورشیدی بیشتر شود بهتر میتوان سطح و اتمسفر را از یکدیگر جدا نمود. به عنوان مثال هرچه زاویه نور عبوری (بصورت مایل) تند تر باشد بهتر میتوان لایه های آئروسل کم ضخامت تر را در اتمسفر شناسایی کرد.

در سال 1996 میلادی آژانش فضایی کشور فرانسه از تصویربردار POLDER برای جمع اوری داده های چند زاویه ای و چند قطبشی استفاده نمود که برای مطالعه و ارزیابی آئروسل ها در استفاده ترکیبی به همراه داده های اپتیکی مورد استفاده قرار گرفت. گاهی اوقات آئروسلها به دو گروه مختلف بر اساس سایز شان دسته بندی میشوند. آئروسل هایی با سایز 1 میکرومتر برای مشاهدات ماهواره ای و 2.5 میکرومتر برای ارزیابی اثر آن بر روی سلامتی. بر همین اساس بخشی از آئروسل ها را fine مینامند که به دلیل فعالیت های شیمیایی و آلودگی های ناشی از آن تولید میشوند. اما این در حالی است که فعالیت های مکانیکی باعث تولید آئروسل های coarse میگردد.

ادامه دارد . . .

نویسنده امیرحسین احراری