بخشی از مقاله
مقدمه
بنابر اظهار نظر برخی دانشمندان گرم شدن زمین یکی از بحرانهایی است که بشر در آینده ای نه چندان دور با آن روبرو خواهد شد. گرم شدن زمین باعث غیر قابل پیش بینی شدن وضعیت آب و هوا می گردد که نتیجه آن افزایش خسارات ناشی از بلایای طبیعی مربوط به آب و هوا مانند سیل، طوفان و خشکسالی و همچنین انقراض بسیاری از گونههای جانوری می باشد. گرم شدن زمین ارتباط مستقیمی با افزایش مصرف انرژی و گرم شدن مناطق شهری بدلیل افزایش گازهای گلخانه ای به ویژه دی اکسید کربن دارد. سطح مناطق شهری را پوششهای مختلف مانند بتن، آسفالت، گیاه و ... دربر گرفته است. از آنجاییکه دمای سطح زمین در هر محدوده ای به خصوصیات مواد تشکیل دهنده آن سطح و بازتابش انرژی خورشید بستگی دارد، در مناطق شهری متوسط درجه حرارت بین ۰/۵ تا ۰/۸ درجه سانتیگراد بیشتر از حومه آن است. این پدیده به نام جزایر حرارتی (Heat Island) شهرها نامگذاری شده است. جزایر حرارتی ارتباط مستقیمی با افزایش جمعیت شهرها دارند. در شهرهای با جمعیت بین پانصد هزار تا یک میلیون نفر در جه حرارت ۱/۱ تا ۱/۲ درجه بیشتر از پیرامون خود می باشد. به نسبت افزایش جمعیت میزان حرارت افزایش می یابد. مطالعه جزایر گرمایی می تواند از وقوع مشکلات و بحرانهای پیش رو در مناطق شهری جلوگیری نماید. با ترکیب اطلاعات ایستگاههای هواشناسی و نقشه جزایر گرمایی میتوان اقدامات زیر را انجام داد: ۱- مشخص کردن مناطقی که بلند مرتبه سازی در آنها مانع عبور جریانهای هوا و افزایش آلودگی هوا و درجه حرارت شهر می شود. ۲توسعه فضاهای سبز در شهرها و ارتباط منطقی و مستمر آن در داخل مناطق با یکدیگر جهت کاهش محدوده جزایر حرارتی و همچنین تعدیل آلودگی هوا، ۳- تعدیل تراکم ساختمانی در نقاطی که نیاز به تقویت کانالهای باد وجود دارد. از طرف دیگر برنامه ریزی شهری مناسب، تاثیر عمده ای در بهبود کیفیت زندگی شهری می گذارد. یکی از مهمترین پارامترها در این برنامه ریزی آگاهی از مصرف انرژی و میزان هدر رفت آن در مناطق شهری و ارائه راهکار مناسب به منظور بهینه سازی مصرف انرژی و برخورداری عادلانه همه مردم از منابع انرژی می باشد. کوره های بعضی از صنایع و انرژی گسیلی از وسایل نقلیه موتوری از منابع مستقیم تولید گرما از طریق تشعشع حرارت می باشند. تولید گازهای آلاینده و مواد معلق در جو نیز از منابع غیر مستقیم تولید گرما در مناطق شهری می باشند. تحقیقات نشان داده است که نرخ تغییر در مصرف انرژی دو برابر نرخ تغییر در شهرنشینی است. افزایش گرما در شهرها اثر مستقیمی در مصرف انرژی در ساختمانها به ویژه در طول تابستان دارد. در حقیقت افزایش زیاد گرما منجر به افزایش مصرف انرژی الکتریکی به منظور تولید سرما می شود که این خود باعث ایجاد منابع غیر مستقیم تولید گرما یعنی دی اکسید کربن و سایر مواد آلاینده می گردد [19، فعل و انفعالات بین سطح زمین و اتمسفر تحت تاثیر شار گرمایی سطح قرار می گیرد. توزیع این شارها به شدت تحت تاثیر رشد جمعیت شهری است. برخی از عوامل شهری که بر روی شار گرمایی تاثیر می گذارند عبارتند از: تغییرات در ویژگیهای فیزیکی سطح (انعکاس، ظرفیت گرمایی و ضریب انتشار گرما) بعلت جایگزینی پوشش گیاهی با آسفالت و بتون، کاهش رطوبت سطح به دلیل تبخیر زیاد و تغییرات در جریانهای زیر سطحی گرمایی به علت هندسه خیابانها و ساختمانهای بلند 3 . به عنوان نمونه تامین و توزیع مناسب انرژی در مناطق مختلف شهری به منظور خنک نگاه داشتن ساختمانها به شدت نیازمند آگاهی از توزیع حرارت در مناطق شهری است. سنجش از دور ماهواره ای ابزار جدیدی به منظور نمایش منابع و اثرات انرژی در محیطهای شهری است. تصاویر ماهواره ای با توان تفکیک کمتر از یک متر امکان نمایش پوششهای مختلف با دقت بالا را فراهم می کنند. این تصاویر می توانند برای نمایش و کنترل پارامترهای محیطی یک منطقه با وسعت زیاد در فواصل زمانی کم به کار روند. رادیومترها ابزار زمینی هستند که به منظور اندازه گیری انرژی تشعشعی سطح زمین در محدوده ۱۴-۸ میکرومتر طیف الکترومغناطیسی به کار می روند. اما استفاده همزمان از تعداد زیادی از این ابزار به منظور مطالعه حرارت سطح زمین در مساحتهای بزرگ امکان پذیر نمی باشد. استفاده از تصاویر ماهواره ای در محدوده مادون قرمز حرارتی به منظور دستیابی به تخمینهای یک شکل و جهانی از حرارت سطح زمین بسیار مفید می باشد. هدف از این مطالعه نمایش تواناییهای تصاویر ماهواره ای چند طیفی ASTER در زمینه تخمین توزیع و شدت پارامترهای فیزیکی مرتبط با بودجه انرژی در مناطق شهری است. برای این منظور در ابتدا لازم است نقشه های مورد نیاز مرتبط با بودجه انرژی شهری (مانند نقشه های توپوگرافی، جاده ها، پوشش گیاهی و توزیع مکانی دما) را تهیه نمود. در مرحله بعد اثرات پوششهای مختلف در میزان انرژی تشعشعی سطح بررسی می شوند. از مهمترین لایه های اطلاعاتی لازم برای انجام این مطالعات حرارت سطح زمین می باشد. با استفاده از باندهای ۳۱ و ۳۲ سنجنده MODIS با توان تفکیک مکانی ۱۰۰۰ متر [1]، باندهای ۴ و ۵ سنجنده AVHRR با توان تفکیک مکانی ۱۱۰۰ متر، باند ۶ سنجنده ETM با توان تفکیک مکانی ۶۰ متر و باندهای ۱۰ تا ۱۴ سنجنده ASTER با توان تفکیک مکانی ۹۰ متر می توان به اطلاعات مفیدی درباره رادیانسی و حرارت سطح زمین دست یافت.
۲- تصویر ماهواره ای Terra- ASTER
سنجنده ASTER یک تصویربردار پیشرفته چند طیفی روی سکوی Terra متعلق به ناسا است که در دسامبر سال ۱۹۹۹ به فضا پرتاب شد. این سنجنده حاصل تلاشی مشترک بین ناسا و ژاپن بوده و یک ناحیه طیفی وسیع شامل ۱۴ باند از محدوده مرئی تا مادون قرمز حرارتی با توان تفکیک رادیومتری، طیفی و مکانی بالا را پوشش داده و خود دارای سه سنجنده به نامهای SWIR ،NIR و TIR با توانهای تفکیکهای به ترتیب ۳۰m ،۱۵m و m ۹۰ است (جدول ۱). هر تصویر ASTER منطقه ای به وسعت ۶۰km×۶۰ را پوشش می دهد. سنجنده ASTER دارای ۵ باند مادون قرمز حرارتی است که به منظور تخمین حرارت واقعی و ضریب گسیل سطح به خصوص در مناطقی که ضریب گسیل نامعلوم می باشد بسیار مناسب است. شکل ۱ تصویر ASTER مربوط به شهر تهران در تاریخ ۲۰۰۱/۷/۲۸ در ساعت ۷۳۹۴۸ قبل از ظهر را نشان می دهد که در این در این مطالعه مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
3- تهیه LST از تصویر ASTER با الگوریتم TES
متداولترین الگوریتم به منظور تهیه نقشه حرارتی سطح زمین از تصاویر ASTER الگوریتم TES می باشد. در حال حاضر محصولات حرارتی این سنجنده با استفاده از این الگوریتم توسط ناسا تولید و در اختیار کاربران قرار می گیرد. وابستگی حرارت سطح زمین به خصوصیاتی مانند نوع پوشش سطح، رطوبت، ویژگیهای ساختاری و شیمیایی سطح، ضریب گسیل و شرایط اتمسفری باعث پیچیدگی در تخمین آن می گردد. از جمله مزایای الگوریتم TES استخراج مقادیر حرارت و ضریب گسیل با کمک باندهای حرارتی تصویر ASTER و همچنین در نظر گرفتن شرایط اتمسفری می باشد. با در نظر گرفتن ۵ باند مادون قرمز حرارتی تصویر ASTER پنج معادله و شش مجهول (پنج مجهول ضریب گسیل برای هر باند حرارتی + یک مجهول حرارت) وجود دارد. روشهای مختلفی به منظور اضافه کردن یک معادله و
افزایش درجه آزادی مطرح شده است. دقت الگوریتم TES تا حد زیادی بستگی به روش MMD دارد که در آن استفاده می شود IT که خود این روش نیز بستگی زیادی به دقت ضریب گسیل بدست آمده از روش آلفا دارد. با استفاده از معادله انتقال تشعشعی، رادیانس اندازه گیری شده توسط سنجنده در باند i را میتوان با تقریب خوبی به صورت زیر نشان داد:
