چگونه نسل جدید ماهواره‌های سنجش از دور، اقلیم‌شناسی را تغییر می‌دهند؟
در تاریخ ۱۵ سپتامبر و دقیقا در ساعت ۶:۰۲ صبح، یک موشک دلتا۲ در ابری از آتش و دود از پایگاه نیروی هوایی وندنبرگ روی سواحل کالیفرنیای مرکزی از زمین بلند شد. بار این موشک یک ماهواره‌ی دیده‌بانی ناسا موسوم به آیس‌ست۲ (ICESat-2) هم‌اندازه‌ی تقریبا یک خودرو با وزن ۱۵۱۴ کیلوگرم بود. ماهواره در ارتفاع ۴۹۹ کیلومتر بالاتر از سطح زمین از موشک جدا و وارد مدار شد و پس از آن آغاز به کار کرد.
آیس‌ست۲ که با سرعت ۲۵٬۲۰۲ کیلومتربر‌ساعت حول زمین به گردش درآمده است، ۶ پرتو لیزر سبز را به سمت سطح زمین می‌تاباند. هدف آن برای سه سال و شاید هم تا هفت سال آینده، درصورتی‌که تجهیزات آن همچنان به کار خود ادامه دهند، اندازه‌گیری مداوم صفحات یخی، اقیانوس‌ها و تاج درختان است که بسیار پایین‌تر از آن قرار گرفته‌اند.
پرتاب این ماهواره خبر چندان بزرگی نبود. وقتی مأموریت آغاز شد، صحبت کمی درمورد پیشرفتهای بزرگ یا ایده‌های انقلابی مطرح شد. درواقع، حتی نام ماهواره (به‌عنوان جایگزینی برای آیس‌ست اول که در سال ۲۰۰۳ پرتاب شد و در سال ۲۰۱۰ از کار افتاد)، این تصور را ایجاد می‌کرد که این ماهواره نیز مانند ماهواره‌ی اولی هیجان‌انگیز نیست. از آن‌جایی که ما درمورد زمین اطلاعات زیادی داریم و مخصوصا دراین‌باره که چگونه صفحات یخی در گرینلند و جنوبگان تحت‌تأثیر گرمایش زمین قرار گرفته‌اند، این ماهواره تا چه حد می‌توانست اطلاعات جدیدی در اختیار ما قرار دهد؟
موشکی از پایگاه نیروی هوایی وندنبرگ در ۱۵ سپتامبر سال ۲۰۱۸ پرتاب شد که ماهواره‌ی آیس‌ست ۲ را با خود حمل می‌کرد
البته گاهی اوقات تکامل می‌تواند به اندازه‌ی انقلاب مهم باشد. یک شگفتی غیرمنتظره‌ی آیس‌ست۲ این است که این ماهواره می‌تواند آب‌های کم‌عمق خطوط ساحلی آمریکای شمالی را تحت نظارت قرار داده و اطلاعات ارزشمندی را در اختیار دانشمندان قرار دهد. تنها مدت کوتاهی پس از قرار گرفتن در مدار، این ماهواره و همراهِ دیگرش یعنی ماهواره‌ای که گریس‌فو نام دارد و چندین ماه زودتر از آیس‌ست۲ پرتاب شده است، داده‌های مشاهده‌ای ارزشمندی را از کرایوسفر یا مناطق منجمد زمین در اختیار دانشمندان قرار دادند.
از آنجا که تغییرات اقلیمی، زمین را به شیوه‌های آشکار و پنهان تغییر می‌دهد، نسل جدید ماهواره‌های سنجش از دور اطلاعات دقیقی را درمورد آنچه در دورترین و غیر قابل دسترس‌ترین عرض‌های جغرافیایی درحال رخ دادن است، فراهم می‌کند. فلیکس لندرر، دانشمند پژوهشگر آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا می‌گوید:
درک چیزی که باعث رفتار صفحاتی یخی می‌شود، برای مشخص کردن اتفاقاتی که در آینده رخ خواهد داد، مهم است.
با داشتن مشاهدات بهتر، مدل‌های مربوط به صفحات یخی که هنوز به اندازه‌ی مدل‌های اتمسفری دقیق نیستند، پیشرفت قابل‌توجهی خواهند کرد.
از بسیاری جهات، موضوع دریافت چنین اطلاعاتی از راه فضا خبر خوبی است اما خبر بد اینکه داده‌هایی که از جنوبگان و گریلند به دست ما می‌رسد، نشان می‌دهد این صفحات یخی هرگز تا این حد متزلزل نبوده‌اند.
در اوایل سال ۲۰۱۸، پژوهشگران درحال تکمیل ساخت یکی از ابزارهای محوری آیس‌ست۲ در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا در گرینبلت مریلند بودند. در همین زمان تام نویمان، معاون علمی پروژه‌ی آیس‌ست۲ برای نظارت به ساختمان مونتاژ در پردیس گرینبلت رفت. گروهی از مهندسان درحال انجام آخرین مراحل آماده کردن اطلس (Atlas) بودند؛ لیزر پیشرفتهای که به‌عنوان ابزار اصلی دیده‌بانی به‌وسیله‌ی آیس‌ست۲ حمل می‌شد. نویمان توضیح داد که کلمه‌ی آیس‌ست (ICESat) از کلمات ماهواره، یخ، ابر و ارتفاع زمین گرفته شده است. اطلس نیز از سرنام‌های سیستم ارتفاع‌سنجی توپوگرافی پیشرفته لیزری گرفته شده است.
لیزر اطلس با سرعت زیادی پالس‌هایی از تریلیون‌ها فوتون را به سطح زمین ارسال می‌کند. این فوتون‌ها مسیر ۳۱۰ مایلی (۴۸۳ کیلومتر) را طی کرده و به سطح زمین می‌رسند و در آنجا با برخورد با یخ، آب، زمین و تاج درختان منعکس و پراکنده می‌شوند. تعداد کمی از فوتون‌ها پس از انعکاس جمع‌آوری می‌شوند. در اینجا، یک اندازه‌گیری اساسی نهفته است. آیس‌ست۲ با زمان‌بندی مسیر فوتون‌ها درنتیجه‌ی انتشار از اطلس، انتشار به سطح زمین و سپس بازگشت به ماهواره در فضا، می‌تواند تغییرات جزئی در ارتفاع جهان زیر پایَش را تشخیص دهد. برای مثال، اگر یخ‌های روی یخچال‌های طبیعی جنوبگان یا گرینلند طی دوره‌ی چندین ماهه حتی به اندازه‌ی چند سانتی‌متر ذوب شده و کاهش پیدا کنند، آیس‌ست۲ متوجه می‌شود. همین موضوع درمورد یخ دریا نیز صادق است. نویمان توضیح داد:
آیس‌ست۲، پالس‌های ۶ پرتو لیزر را به‌طور هم‌زمان، ۱۰ هزار بار در ثانیه می‌فرستد.
به‌گفته‌ی نویمان، این سرعت زیادی است، اگر شما چشمک بزنید، نیم ثانیه زمان می‌برد. در همین زمان، اطلس ۵ هزار بار لیزر خود را می‌تاباند و با درنظر گرفتن ۶ پرتو، درمجموع ۳۰ هزار اندازه‌گیری جمع‌آوری می‌کند. در جریان مسیر ماهواره، این داده‌ها طبق برنامه‌ی منظمی در یک ایستگاه زمینی در سوالبارد (گروه کوچکی از جزایر واقع در شمالی‌ترین نقطه‌ی شمالگان)، دانلود می‌شود.
نویمان معتقد است ماهواره‌ی جدید اطلاعات فوق‌العاده‌ای را درمورد مناطق قطبی زمین جمع‌آوری می‌کند. از نظر او، این پیشرفت قابل‌توجهی نسبت‌به آیس‌ست اولیه است که به‌جای ۱۰ هزار اندازه‌گیری، تنها ۴۰ اندازه‌گیری جمع‌آوری می‌کرد. او گفت:
اطلاعات ما در زمینه‌ی صفحات یخی، یخچال‌های خروجی و یخ دریا بهبود پیدا خواهد کرد اما من اطمینان دارم که ما می‌توانیم با این ابزارها و اطلاعات کاری را انجام دهیم که قبلا هرگز به آن فکر نکرده‌ایم.
مجموعه داده‌های بلندمدت حاصل از ماهواره همچون سفر فضانوردان به مریخ موجب جلب توجه مردم نمی‌شود، اما در طول دو دهه‌ی گذشته، این ماهواره‌های دیده‌بان زمین، بیش از فناوری‌های دیگر یا مطالعات زمینی، دیدگاه ما را درمورد نحوه‌ی تغییرات زمین متحول کرده‌اند. برای مثال، موضوع ساخت آیس‌ست اولیه در اواسط دهه‌ی ۱۹۹۰ مطرح شد و پرتاب آن در ژانویه‌ی ۲۰۰۳ به چشم‌انداز جمع‌آوری اطلاعاتی انجامید که تا پیش از این هرگز وجود نداشت: اندازه‌گیری مداوم تغییرات در ارتفاع یخ‌ها در دو قطب. وقتی این اتفاق افتاد، آیس‌ست بخشی از یک استراتژی بزرگ‌تر بود. سال قبل، ناسا ماهواره‌ی متفاوتی را با هدف جمع‌آوری داده‌های مربوط به تغییر در مناطق قطبی به فضا پرتاب کرده بود. این ماهواره که گریس نام داشت و از کلمات «بازیابی گرانش» و «آزمایش اقلیم» گرفته شده بود، ازنظر فناوری و رویکرد کمیاب بود. گریس به‌جای استفاده از ارتفاع‌سنج لیزری برای اندازه‌گیری ارتفاع سطح زمین، از تغییرات گرانش زمین برای اندازه‌گیری حرکت آب از مکانی به مکان دیگر استفاده می‌کرد. این روش نه‌تنها در اندازه‌گیری تغییرات کرایوسفر می‌تواند مفید باشد بلکه برای تشخیص کاهش منابع آب زیرزمینی در مکان‌هایی مانند جنوب غربی آمریکا نیز می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
ایده‌ی ساخت گریس سادگی اما ازنظر اجرا پیچیده بود. گریس یک دستگاه نبود بلکه یک جفت ماژول بود که هرکدام دارای اندازه‌ای به حد یک ماشین اسپرت کوچک بودند که در مداری در ارتفاع حدود ۳۰۰ مایلی از سطح زمین در گردش بودند. قرار بود یکی از ماژول‌ها، با فاصله‌ی ۱۳۷ مایلی (۲۲۰/۵ کیلومتر) ماژول دیگر را دنبال کند. نکته‌ی مهم این بود که هر ماژول از سیستم ارتباطی مایکروویو بسیار حساسی برای حفظ رکورد تغییرات بسیار ریز در فاصله‌ی مداری ۱۳۷ مایلی خود استفاده می‌کردند. این ماژول‌ها، حتی از صدها مایل بالاتر از زمین، به نیروهای گرانشی زیرین حساس بودند. هنگامی که ماژول پیشرو به بخشی از زمین که جرم بیشتری (و بنابراین نیروی گرانشی بیشتر) داشت، نزدیک می‌شد، به اندازه‌ی بخشی از ضخامت یک تار موی انسان به جلو کشیده می‌شد. اما نیروی این کشش ریز قابل اندازه‌گیری است. بنابراین، برای مثال، زمانی‌که گریس از روی صفحات یخی عظیم گرینلند عبور می‌کرد، ماژول پیشرو به نیروهای گرانشی پاسخ داده و به اندازه‌ی بسیار کمی جلو می‌افتاد. دانشمندان ناسا در جریان هزاران گردش و با اندازه‌گیری تغییر در فاصله‌ی میان دو ماژول (در اصل، تغییر در نیروی گرانشی طی زمان)، تعیین می‌کنند که چه مقدار یخ در گرینلند و جنوبگان ناپدید شده است.
داده‌های حاصل از گریس تا سال ۲۰۱۶ نشان می‌دهد که گرینلند با سرعتی برابر ۲۸۶ میلیارد تن در سال، درحال از دست دادن یخ‌های خود است. در همین حین، جنوبگان حدود ۱۲۷ میلیارد تن یخ از دست داده و تمامی آن یخ‌ها به‌سمت اقیانوس‌ها سرازیر و موجب افزایش سطح آب دریا شده‌اند.
ماهواره‌ها برای همیشه دوام نمی‌آورند. آن‌ها سوخت خود را برای تصحیح جهت‌گیری در فضا مصرف می‌کنند (معمولا مخازن حاوی نیتروژن فشرده) یا اینکه ازنظر باتری‌ها یا تجهیزات ارتباطی دچار مشکل فنی می‌شوند یا مانند آیس‌ست اولیه، سیستم اندازه‌گیری آن‌ها از کار می‌افتد و باید از مدار خارج شوند. گریس به‌مدت ۱۵ سال کار کرد، اما در اکتبر سال ۲۰۱۷ از کار افتاد. اگرچه، در آن زمان ناسا با همکاری مرکز هوافضای آلمان درحال ساخت جایگزینی برای آن بود. ماهواره‌ی جایگزین گریس‌فو نامیده شد. این دستگاه دقیقا شبیه همتای خود بود و در ماه مه سال ۲۰۱۸ به فضا پرتاب شد. مانند آیس‌ست۲، گریس جدید نیز از آن پروژه‌هایی نبود که موجب جلب توجه مردم شود. هدف آن، ادامه‌ی تولید اطلاعات طولانی‌مدتی از تغییرات زمین و خصوصا تغییرات مناطق قطبی بود.
چیزی که از اهمیت زیادی برخوردار بود، یکی اندازه‌گیری شمالگان بود، منطقه‌ای که درحال حاضر با سرعتی دو برابر سرعت دیگر مناطق زمین در حال گرم شدن است و دیگری، دیده‌بانی از جنوبگان که به‌نظر می‌رسید چندین یخچال عظیم قسمت غربی قاره بی‌ثبات شده باشند. همراه‌با آیس‌ست۲، گریس‌فو مدت کوتاهی پس از پرتاب شروع به تحویل داده به جامعه‌ی علمی کرد. از آن زمان، نسل دوم ماهواره‌های سنجش از دور زمین شامل کریوست۲ که به‌وسیله‌ی آژانس فضایی اروپا اداره می‌شود، با دقت قابل‌توجهی اطلاعاتی را درمورد اتفاقاتی که مناطق دور از دسترس در حال رخ دادن است، در اختبار پژوهشگران قرار می‌دهند.
تا میانه‌ی ماه دسامبر، آیس‌ست۲ حدود ۱۴ ماه است که به فعالیت مشغول است. نویمان اخیرا گفته است که این ماهواره تاکنون حدود ۳۷۶ میلیارد تصویر لیزری گرفته است. این در حالی است که آیس‌ست اولیه درمجموع ۲ میلیارد تصویر لیزری جمع‌آوری کرد. به‌عبارت دیگر، مقدار داده‌هایی که دیده‌بان‌های جدید جمع‌آوری می‌کنند، نسبت‌به اطلاعات جمع‌آوری شده از مأموریت اولیه بسیار بیشتر است.
نویمان افزود، لیزر اطلس نصب‌شده روی آیس‌ست۲ به مراتب از انتظارات گروه علمی فراتر بود. از ارتفاع ۳۱۰ مایلی، لیزر توانسته است که درون شکاف‌های صفحات یخی را ببیند و عمق و عرض آن‌ها را اندازه‌گیری کند. در همین حین، اطلس توانسته که دریاچه‌های حاصل از ذوب یخ‌های تابستانی گرینلند و عمق آن‌ها را اندازه‌گیری کند؛ نوعی اندازه‌گیری که روشی جدید برای ارزیابی مقدار آب موجود در دریاچه‌هایی است که در اثر ذوب یخ ها ایجاد می‌شوند.
باتوجه به اینکه صفحه‌ی یخی گرینلند تابستان گذشته فصل ذوب غیرعادی را تجربه کرد، این تکنیک می‌تواند در درک چگونگی و میزان ذوب شدن صفحات یخی در ماه‌های گرم بسیار سودمند باشد. اگرچه، چیزی که برای پژوهشگران ناسا شگفت‌آور بوده، این است که چگونه لیزر آیس‌ست۲ توانسته است آب‌های کم‌عمق نزدیک سواحل مختلف جهان را ترسیم کند؛ اندازه‌گیری که به عمق‌سنجی معروف است. به‌عبارت دیگر، ماهواره می‌تواند به تهیه‌ی نقشه‌ی جامعی از عمق آب‌های ساحلی کمک کند. این اطلاعات می‌تواند برای پیش‌بینی سیل بسیار مهم باشد.
در همین حین، به‌جز ذوب یخ در گرینلند، وضعیت اضطراری شمالگان یعنی عقب‌نشینی قابل‌توجه پوشش یخ شناور روی دریا در اقیانوس شمالگان، بررسی‌های ماهواره‌ای جدید را بسیار حیاتی می‌کند. در ماه‌های اخیر، گروهی از پژوهشگران با همکاری آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا داده‌هایی را از گریس‌فو تجزیه‌و‌تحلیل کرده‌اند تا ببینند که چگونه چندین میلیارد تن از یخ در سال ۲۰۱۹ در گرینلند ناپدید شد (طبق برآوردهای اولیه‌ی دانشمندان اروپایی، در جریان امواج گرمایی ماه ژوئیه، صفحه‌ی یخی گرینلند حدود ۱۱ میلیارد تن یخ را تنها در یک روز از دست داد).
لندرر، دانشمند پروژه‌ی مأموریت گریس‌فو گفت که او مطمئن است که میزان ذوب یخ در سال ۲۰۱۹ به اندازه‌ی میزان ذوب یخ سال ۲۰۱۲، بزرگ است. او گفت ارقام نهایی هنوز به دست نیامده است، اما از روی داده‌های فعلی مشخص است که صفحه‌ی یخی گرینلند از میانگین ذوب یخ سالیانه فراتر رفته است و احتمالا چیزی حدود ۳۰۰ میلیارد تن یا بیشتر یخ را از دست داده است.
البته به‌نظر می‌رسد که آیس‌ست۲ و گریس‌فو چیزی بیش از داده در اختیار ما بگذارند. این دو مأموریت سنجش از دور ارتقا یافته برای دستیابی به هدف بزرگ‌تری با هم کار می‌کنند. برای مثال، ازنظر اندازه‌گیری ارتفاع صفحات یخی قطب، آیس‌ست۲ در ارزیابی تغییرات حجم و در اندازه‌گیری کشش گرانشی یخ و گریس‌فو در ارزیابی تغییرات جرم عملکرد خوبی دارد. در همین حال، آیس‌ست۲ با لیزر دقیق خود وضوح مکانی خوبی از یخچال‌های نازک و مناطق آسیب‌پذیر فراهم می‌کند؛ وضوحی که بسیار بیشتر از وضوحی است که گریس فراهم می‌کند. اما از آن‌جایی که آیس‌ست۲ هر ۹۱ روز یک منطقه را بررسی می‌کند، نظارت مکرر گریس می‌تواند به پر کردن این شکاف کمک کند. لندرر گفت:
این امر منجر به تلفیق داده‌های دو ماهواره می‌شود. در این جا جمع اجزا، نسبت‌به هر یک بخش‌ها به‌صورت جداگانه، بسیار بزرگ‌تر است.
علاوه‌براین، دانشمندان با تلفیق این مأموریت‌های سنجش از دور با مطالعات دیگر (مأموریت‌های اروپایی، مشاهدات میدانی دانشمدان از یخ و مأموریت OMG ناسا که دمای دریا در شمالگان و نحوه‌ی فرسایش یخچال‌های ساحلی را در اثر افزایش دما اندازه‌گیری می‌کند)، می‌توانند به تصویر بزرگ‌تری دست پیدا کنند. فرانک وب از آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا می‌گوید:
ما از این سه اندازه‌گیری یعنی آیس‌ست۲، گریس‌فو و OMG می توانیم پاسخ این سؤال را پیدا کنیم که فرایند محرک ذوب یخ ها چیست؟
به‌عبارت دیگر، این ابزارهای سنجش نه‌تنها به ما نشان می‌دهند که چه چیزی درحال اتفاق افتادن است، بلکه به ما کمک می‌کنند بیینیم این اتفاق چگونه می‌افتد. این مشاهدات با دقت بالایی به ما نشان می‌دهند که کجای گرینلند بیش از همه نازک شده است و آیا مناطق ناپایدار غرب جنوبگان (مناطقی که بیش از همه کارشناسان افزایش سطح آب دریا را نگران کرده است)، درحال حرکت به‌سوی یک فروپاشی غیر قابل توقف هستند.
البته این تنها پیشرفت معناداری در علم نیست، بلکه داده‌های مفیدی برای جوامعی که در نزدیکی سواحل و چندین فوت بالاتر از سطح دریا زندگی می‌کنند، فراهم می‌کند. آیس‌ست۲ و گریس‌فو، به اتفاق هم، این فرصت را به ما می‌دهند که آینده‌ی مناطق قطبی و شهرک‌های آسیب‌پذیر ساحلی را بهتر مدل‌سازی کنیم. بااین‌حال، این ماهواره‌ها دیده‌بان‌هایی هستند که خبر از آینده‌ای تلخ می‌دهند. آن‌ها در دیده‌بانی پیوسته‌ی خویش به ما یادآوری می‌کنند که جهان با سرعت رو به افزایشی درحال ذوب شدن است. همان‌طور که نبوغ برتر فناوری ما را نشان می‌دهند، هنگامی که سیلی از داده‌ها را به سوی ما روانه می‌کنند، غفلت و سهل‌انگاری ما را نیز به تصویر می‌کشند. اکنون با چشمی خداگونه می‌توانیم اتفاقات درحال رخ دادن را در زمان واقعی ببینیم.
نظرات