بخشی از مقاله
خلاصه
متاسفانه ایران به عنوان یکی از کشورهای تولیدکننده ماهواره از علم سنجش از دور، علمی که در آن سیستم فیزیکی با پارامتر مورد نظر حداقل ارتباط را دارد، در خصوص پژوهشهای دریایی استفاده ننموده است و خلاء ناشی از آن احساس میگردد. در این پژوهش کتابخانهای بین رشتهای با معرفی ماهوارهها به دو کاربرد اساسی در بخش علوم فیزیکدریا و زیستدریا پرداخته شده است.
دادههای عملیاتی اقیانوسشناسی فیزیکی ماهوارهای شامل دمای سطح دریا، رنگ اقیانوس، آنومالی ارتفاعات سطح دریا، جریانات و بادها در بررسی دینامیک حوضه مفیدند. در این پژوهش به بررسی عملکرد سازمانهای پیشرفتهای مانند NOAA پرداخته شده است که با تلفیق این دادهها در اکوسیستم آبسنگهای مرجانی، بلوم جلبکی، به گلنشستن جانوران دریایی و حفاظت از گونههای در معرض انقراض سامانههای پایشی تولید کرده است که میتواند مورد توجه پژوهشگران کشور جهت توسعه علم سنجش از دور قرار گیرد.
1. مقدمه
به نظر میرسد که نخستین اشاره به ماهواره در سال 1869 در داستانی بنام »ماه آجری«1 نوشته »ادوارد اورت هیل«2 صورت پذیرفته است که از ماهوارهای در گردش به دور زمین حامل انسان نام برده شده است 1]، .[2 اما نخستین ماهواره ساخت بشر، تقریبا یک قرن بعد در تاریخ چهارم اکتبر 1957 با نام روسی »اسپوتنیک [3] «31- با وزن 83/6 kg، قطر 53 cm و توان 1 Watt، به مدار پایینی زمین پرتاب شد [4] که آغازگر عصر فضا و سفرهای فضایی بعد از آن گردید. ماهوارهها مزیتهایی مانند گسترش منطقه تحت پوشش، انعطاف پذیری، پهنای زیاد باند، هزینه کم و ضریب اطمینان، ارتباط همزمان با چند ایستگاه زمینی و غیره هستند 5]، [6 و معایبی مانند شامل تاخیر در دریافت اطلاعات [7]، و اکو [8] دارند. ماهوارهها با اهداف متعددی، توسط کشورهای مختلف به فضا پرتاب میشوند که لازم است جهت شناخت آنها از یکدیگر با توجه به مداری که در آن مستقر شدهاند، یا نوع سیستم و یا کاربرد دستهبندیهایی صورت پذیرد.
ماهوارهها بر اساس ارتفاع گردش از سطح زمین به سه دسته شعاع مدار پایین 1 - LEO - ، مدار با ارتفاع متوسط 2 - MEO - ، و مدار با ارتفاع زیاد 3 - HEO - یا شعاع همزمانی - شعاع ژئوسینکرونوس - 4 تقسیم میشوند که اولی در ارتفاع 320-800 km نسبت به سطح متوسط زمین با دوره گردش تقریبی تقریبی 90 min، دومی در ارتفاع 20000 km با دوره گردش 12 hr و سومی در ارتفاع 35900 km با دوره گردش 24 hr بر فراز استوا میچرخد
همچنین میتوان ماهوارهها را از طریق نحوه گردش به دور زمین به سه دسته مدار قطبی - سان سینکرونوس - 5 با چرخش از شمال به جنوب، ماهوارههای همزمانی - GEO6 - یا مدار سنکرون استوایی که دقیقا در بالای خط استوا به گردش در میآیند، ماهوارههای مدار بیضوی7 که زمین در یکی از دو قطب این بیضی قرار میگیرد، تقسیمبندی نمود .[3] آنچه که رویکرد مطالعه حاضر در تقسیمبندی ماهوارههاست، نوع کاربرد آنهاست که از این دیدگاه میتوان ماهوارهها را به هشت دسته عمده تقسیمبندی نمود: -1 ماهوارههای رادیو-تلویزیونی، -2ماهوارههای نظامی، -3 ماهوارههای ردیاب، -4 ماهوارههای مشاهده زمین، -5ماهوارههای ارتباطی، -6ماهوارههای علمی، -7ماهوارههای دریایی - مخابرات و نظارت دریایی - و -8 ماهوارههای هواشناسی. با توجه به موضوع مطالعه حاضر به بررسی ماهوارههایی خواهیم پرداخت که بیشتر در علوم فیزیکی و زیستی دریایی کاربرد دارد که ماهوارههای دریایی و هواشناسی از آن جملهاند.
2. ماهوارههای دریایی و هواشناسی و انواع کاربرد آنها
ماهوارههای دریایی به دو دسته ماهوارههای مخابرات دریایی و نظارت دریایی تقسیمبندی میشوند. ماهوارههای مخابرات دریایی، تسهیلات ارتباطی شامل ارتباط تلفنی مستقیم با نقاط دیگر، تصاویر ماهوارهای، تلگراف، مبادلات اطلاعات کامپیوتری، فرستادن پیامهای فوری کمک و اعلام خطر و پخش برنامههای رادیویی - تلویزیون در کشتی را در اختیار دریانوردان میگذارند
این نوع ماهواره، در سه ایستگاه یکی در فضا، در مدار سنکرون با سه ناحیه اصلی بر فراز اقیانوسها، و دومی در ایستگاههای زمینی بر روی کشتی و نهایتا سومی در ایستگاههای زمینی ساحل دریاها مستقر هستند. ماهوارههای نظارت دریایی هم وظیفه نظارت و پیگیری منظم نقل و انتقالات شناورهای دریایی را بر عهده دارد .[11] ماهوارههای هواشناسی برای مطالعه نقشههای هواشناسی و پیشبینی وضعیت آبوهوا به کار میرود و میتواند وضعیت مناطق گستردهای از جو زمین را مشاهده کند. این ماهوارهها میتوانند مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگی و ترکیبات شیمیایی اتمسفر را اندازهگیری کننند
از این نوع ماهوارهها جهت پیشبینی هوا، حرکت گردبادها، توفانها و غیره استفاده میشود. تصویربرداری ماهوارهای هواشناسی به صورت نمایش عکس و یا رقومی است. آن نوع از تصویرسازی ماهوارهای که نوعا در محیطهای اپتیکی یا مغناطیسی ذخیره میشود، به دلیل نوع جمعآوری اطلاعات و شیوه بایگانی، تصویرساز رقومی است. اگرچه کار کردن با عکس آسانتر است، اما تصاویر رقومی میتوانند به روشهای زیادی پردازش شوند. تابندگی در امتداد هر خط اسکن نیز در گامهای زمانی اندازهگیری میشود. تابندگی اندازهگیری شده با حسگر ماهواره، در مکان هر نمونه به صورت یک مقدار رقومی ذخیره میشود.
وقتی که روی یک قطعه تصویری نظیر نمایشگر رنگی و یا سیاه و سفید نمایش داده می شود، هر نقطه روی شبکه به عنوان یک نمونه عکس یا پیکسل معرفی میشود. مقادیر عددی پیکسلها به یک رنگ روی تصویر نهایی ماهواره اختصاص مییابد
تصویرسازی ماهوارههای هواشناسی به چند نوع مرئی، فروسرخ، کانال بخار آب و تصویرسازی ماکروویو تقسیم میشود. در تصویرسازی مرئی، از تابش باند مرئی - 0/4-0/7 m - استفاده میشود. این نوع تصویرسازی بیشترین قدرت تفکیک فضایی دارد و دیدی متناسب با احساس ما از کره زمین ارائه میدهد؛ به عبارتی مناطق خشکیهای زمین، ابرها و اقیانوسها به آسانی قابل تشخیص هستند. محدودیت این نوع تصویر آن است که فقط از قسمت نورانی کره زمین قابل دسترس است - شکل 1، سمت راست - .
در ماهوارههای DMSP این قابلیت گنجانده شده است که درشب در اثر تابیدن نور ماه برخی از عوارض زمین دیده میشوند. در تصویرسازی فروسرخ، اغلب از طول موجهای m 1-30 استفاده میشود که مناسبترین باند استفاده از پنجره جوی 5/12-10 m است که در آن جو نسبت به تابش بالارونده از سطح زمین شفاف است. در این نوع تصویرسازی ابرها، زمین و آب به آسانی قابل تشخیص هستند - شکل 1، وسط - . یک ویژگی مهم این تصویرسازی توانایی تولید تصویر در شب است - یعنی تغییرات پیوسته پوشش ابر در شبانهروز امکانپذیر است - . اگر معمولا پیکسل روشنتر بیانگر تابندگی بیشتر است، در تصویرسازی فروسرخ برعکس است و تابندگی بیشتر نشاندهنده پیکسل تاریکتر است.
از این رو، ابرها که معمولا سردتر از سطح زمین هستند، سفید ظاهر میشوند و سطح اقیانوس یا زمین که گرمتر است، کدرتر از ابرهاست .[14] در تصویرسازی کانال بخار آب، ماهواره قادر خواهد بود که کانالهای بخار آب یعنی تابش در باند جذبی بخار آب را اندازه بگیرد که شامل چند طول موج است که معمولترین آنها طول موجهای محدوده 6/7 m است. در این محدوده، اکثر تابش دریافت شده به وسیله ماهواره هواشناسی از لایه جو بین 300 تا 600 هکتوپاسکال میآید. این کانال قادر به اندازهگیری بخار آب در سطوح میانی تراپوسفر است. همان طور که در شکل 1، سمت چپ [14] دیده میشود ابرها در بالاترین ارتفاعات هم میتوانند دیده شوند، اما عوارض سطح زمین، نمیتواند آشکار شوند، زیرا این کانال، یک کانال پنجره جوی نیست. در عوض، گردبادهای مهیج و چرخشهای بخار آب، در جاهایی که ابرهای سطخ بالا وجود ندارند، به راحتی قابل مشاهده است. در ناحیه روشن، ماهواره تابندگی کمتری نسبت به ناحیه کدر اندازه میگیرد.
تابندگی کم به این معنی است که یا اتمسفر سردتر از مناطق همارتفاع در قسمت کدر تصویر است یا بخار آب بیشتری در مناطق روشن تصویر وجود دارد به طوریکه ماهواره سطح بالاتر و سردتری را حس میکند. در هر دو حالت، رطوبت نسبی در مناطق روشن تصویر بیشتر از مناطق کدر تصویر است. نواحی کدر و روشن همچنین ممکن است به ترتیب حرکتهای نزولی یا صعودی را مشخص کنند .[15] تابش ماکروویو به مجموعهای از پارامترهای سطح و جو از جمله بارش، درجه حرارت جو، آب موجود در ابر، بخار آب، فاز قطرات آب، رطوبت خاک، دمای سطح زمین و سرعت باد در سطح اقیانوس حساس است.
از این رو در تصویرسازی ماکروویو، تابش پلاریزه اندازهگیری میشود که یک عامل مهم در برخی از پدیدههای جوی و سطحی است. کانال 19 GHz یک ناحیه از پنجره جوی است و تابندگی سطحی در نواحی بدون ابر را اندازهگیری میکند. کانال 22 GHz به بخار آب حساس است و کانال 37 GHz با ابرها و باران تضعیف میشود، و 85 GHz میتواند برای تشخیص ابرهای یخی و برف به کار رود. این کانالها به صورت ترکیبی برای دستیابی به نتایجی نظیر تصاویر بارش به کار میروند
برخی از پدیدههای جوی در بیش از یک کانال مشخص میشوند. شکل 2، یک طرح ساده دوکاناله را نشان میدهد که برای مشخص کردن ابرها و زوج تصاویر مرئی و فروسرخی است. اغلب مشخص کردن ابر استراتوس سطح پایین در تصویر فروسرخ مشکل است، زیرا این ابر ممکن است دمای تابشی نزدیک به دما تابش سطح زمین داشته باشد. در تصویر مرئی، ابرهای استراتوس برخلاف زمینه کدرتر زمین یا آب، روشن ظاهر میشوند. در مثال دیگر، آشکارسازی ابرهای سیروس نازک در تصویر مرئی مشکل است زیرا آنها اغلب در برابر نور مرئی شفاف هستند. این ابرها به هر حال سرد و غالبا” در برابر تابش فروسرخ از سطح گرم زیر آن کدرتر هستند.
شکل :1 مقایسه تصویرسازی مرئی - راست - ، تصویر سازی فروسرخ - وسط - ، و تصویر سازی کانال بخارآب - چپ - از ماهواره هواشناسی
شکل :2 طرح ساده دو گاناله از پردازش تصویر مرئی و فروسرخ
