بخشی از مقاله
مقدمه
حیات در کره ی زمین متاثر از فرآیندهای فراوانی است. یکی از این
فرآیندها، چرخه ﻱ ﮔﺮﺩ ﻭﻏﺒﺎﺭﻱ ﺍﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﺎ چرخه ی آب، کربن و انرژی نیز به
شدت مرتبط است .(Shao et al., 2011) برای ارائه تعریف دقیقی از پدیده-ی گرد و غبار با استناد به پروتوکل سازمان جهانی هواشناسیWMO بر اساس میزان دید،گرد و غبارها به 4 دسته تقسیم میشوند( Shao and Dong, :(2006 حالت تعلیق (گسترش آن در حالت تعلیق است، قابلی ت دید کمتر از 10 کیلومتر)، در حال وزیدن ( کاهش قابلیت دید از 1 تا 10 کیلومتر)، طوفان گرد و غبار ( کاهش قابلیت دید از 200 تا 1000 متر)، طوفان شدید گرد و غبار ( وزش شدید باد به همراه ذرات بزرگ گرد و غبار کاهش قابلیت دید کمتر از 200 متر). در بحث مطالعه تاثیرات اتمسفری بار گرد و غبار، این اثرات به دو گروه تقسیم میشوند: اثرات مستقیم که به دلیل جذب یا پراکنش و تفرق پرتوهای خورشیدی صورت میگیرند و اثرات غیر مستقیم کهبه دلیل تغییر شکل ابرها اتفاق می افتند.طوفان های گرد و غباری عمدتا مسیرهای طولانی را طی میکنندو در طی مسیرشان با عبور از روی مناطق مختلف خاکها، نمکها،
گودهای شیمیایی و غیره را با خود حمل میکنند بنابراین در مرحله رسوب گذاری میتوانن د روی خاک و خصوصیات مختلف آن اثر گذار بوده و حتی در اکوسیستمها نیز تغییراتی ایجاد کنند(.(Goudie, 2009
ف ایران به دلیل قرار گرفتن در مرکز کمربند گرد و غبار و همجواری با
منابع بزرگ گرد و غباری مانند عراق و سوریه و عربستان همواره در معرض
وقوع این پدیده بوده است .(Prospero et al., 2002) به دلیل بروز خشک سالیهای متعدد و دخالتهای بی رویه بشر در سالهای اخیر، رشد بیابان زایی
54
در مناطق مختلف کرهی زمین افزایش یافته است .(Goudie, 2009) در طی سال های اخیر وقوع گرد و غبارها در ایران به شدت افزایش یافته است. در تایید این موضوع میتوان به تحقیق (Zarasvandi et al., 2011) اشاره کرد. در مطالعه ذکر شده، پژ وهشی در باب ﺗﻮﺯﻳﻊ ﻣﻜﺎﻧﻲ ﻭ ﺯﻣﺎﻧﻲ گرد و غبارهای ثبت شده در استان خوزستان در سالهای 1996 تا 2009 انجام گرفته است که
ﺣﺎﻛﻲ ﺍﺯ ﻭﻗﻮﻉ ﺑﻪ ﻃﻮﺭ متوسط 47 روز گرد و غباری در طول سال، روند افزایشی آن با نرخ دو روز در سال است. به دنبال افزایش تعداد طوفانهای ﮔﺮﺩ و غباری، خسارات ناشی از آنها به ویژه بیماریهای قلبی و ریوی افزایش یافتهاند. از این رو مهار این پدیده از الزامات کشور ما به حساب میآید. به عنوان مثال در شهر سیستان در فاصله سپتامبر 2010 تا جولای 2011 ، %90 روزها اندکس کیفیت هوای خطرناک یا بسیار خطرناک داشته اند که به دلیل گرد و غبارهای
نشات گرفته از دریاچه خشک شده هامون بوده است ( Rashki et al., .(2012
ف در کنار روش های مقابله با این پدیده نیاز به روشهای شناسایی دقیق و پایش مداوم آن نیز روز به روز افزایش مییابد تا به این وسیله اطلاعات دقیق از گرد و غبارها و ویژگیهای آنها در مناطق مختلف در هر طوفان را فراهم کند و هم به عنوان سیستم پایش تاثیر راهکارهای م ختلف در مقابله با این پدیده را ثبت و بررسی کند. تحقیقات ﺍﺭﺯﺷﻤﻨﺪﻱ در راستای ترکیبات شیمیایی و معدنی گرد و غبار در ایران انجام گرفته است. این بررسی هم در نواحی غربی کشور که گرد و غبار عمدتا منشا خارج از ایران دارند((Zarasvandi et al., 2011 و هم در شرق ایران که ﻣﻨﺒﻊ ﺩﺍﺧﻠﻲ ﻋﺎﻣﻞ ﺍﺻﻠﻲ ﺍﺳﺖ (Rashki et al., 2013) صورت گرفته است.
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
در کنار شناسایی ویژگیهای شیمیایی و معدنی، خصوصیات اپتیکی و بررسی آنها اهمیت فراوانی دارد. بهعلاوه تعیین دقیق این ویژگیها سبب بازیابی هرچه دقیق تر شدت گرد و غبار با استفاده از تصاویر ماهوارهای میگردد .(Kaufman et al., 1997) بدیهی است که تعیین شدت، یکی از مهمترین المان ها در تعیین خسارات ناشی از گرد و غبار اعم از سلامت، محیط زیست و غیره است میزان انرژی که در اثر وقوع گرد و غبار جذب یا تفرق مییابد است.
این انرژی موجب تغییرات در نیروی تابشی کره زمین و به دنبال آن آب و هوا میشودو به ویژگیهای اپتیکی ذرات وابسطه است. در سالهای اخیر روش-
های سنجش از دوری، همواره در زمینههای شناسایی گرد و غبار
(Ackerman, 1997)و پیدا کردن منابع و سرچشمه های گرد و
غبار(al., 2002 (Prospero et استفاده شده اند. اما یکی از اساسیترین
کاربردهای آنها بحث چالش برانگیز بازیابی شدت و عمق اپتیکی به وسیله تصاویر ماهوارهای است، این بازیابیها نیازمند اطلاعات دقیق ویژگیهای اپتیکی و اندازه ذرات است. هدف ما در این تحقیق علاوه بر برآورد این پارامترها، بررسی وابستگیهای آنها برای شناختی دقیقتر است.
روش کار
به دنبال انتخاب سنجنده مناسب به منظور جمع آوری دادههای مورد نیاز برای آنالیز ویژگی های اپتیکی و اندازه ذرات، مروری بر تحقیقات جهانی در این زمینه انجام گرفته است تا داده ها را از بهترین سنجنده موجو د اتخاذ و دقیق-ترین و صحیحترین آنالیزها انجام گیرد. در همین راستا با توجه به مطالعات ارزشمندی همچون (Dubovik et al., 2001)روی ویژگیهای اپتیکی و
جذبی هواویزها در سطح جهانی (Levy et al., 2009) ، AERONET (Aerosol Robotic NET Work) به عنوان دادهی منتخب برای برآورد پارامترهای مورد نظر انتخاب شده است.AERONET یک سنجنده زمینی است که برای پایش هواویزها طراحی شده است. نحوه عملکرد آن بر اساس اندازهگیری مستقیم رادیانس طیفی آسمان است که با استفاده از مدلهای معکوس انتقال تابشی، ویژگیهای اپتیکی و اندازه ذرات هواویزها را محاسبه و فراهم میکند.
این سنجنده رادیانسهای 8 ﺑﺎﻧﺪ ﺩﺭ ﻣﺤﺪﻭﺩﻩﻱ ﻣﺮﺋﻲ ﻭ مادون قرمز نزدیک 0/34) تا 1/02 میکرون) را اندازهگیری میکند(.(Holben et al., 1998 به دلایل مختلفی ممکن است در اندازهگیریها خطا ایجاد شود از این رو یک سطح از داده های این سنجنده موسوم به سطح 2 وجود دارد که کنترل کیفیت و ماسک ابر شده هستند. تقریبا در تمام مطالعاتی که از دادهAERONET برای بدست آوردن ویژگیها و یا ارزیابی روشهای دیگر استفاده شده، از این
داده بهره بردهاند.
در این تحقیق نیز این سطح از دادهها مورد استفاده قرار گرفته است.در راستای انتخاب ایستگاه های مناسب برای بررسی ویژگی اپتیکی و اندازه ذرات منطقه باید منابع گرد و غباری و مسیر حرکت آنها مشخص و تا حد ممکن ایستگاه ها در این مناطق انتخاب شوند. از آنجایی که عامل اصلی انتقال گرد و غبار باد است، نقشه باد در روزهای گرد و غباری اطلاعات مناسبی را فراهم می-کند . در ( شکل (1 نقشه باد در تاریخ 13 آپریل 2011 نشان داده شده است. در این شکل سرعت باد بصورت پهنه ای و جهت باد با بردار نشان داده شده است. در تاریخ فوق گرد و غبار گستردهای وارد ایران شده و این روند در روزهای بعد از آن نیز ادامه داشته است. همانطور که بر روی نقشه نیز مشخص می باشد بادهای ورودی به ایران از سمت غرب(مناطق منشاء ریزگرد برای ایران) با دو جهت غربی – شرقی و شمال غرب - جنوب شرق هستند. همچنین این بادها، از روی هستههای سرعت شکل گرفته در کشور سوریه و عراق منشاء می گیرند.
55
زمستان 92، شماره 10
بنابراین اگر گرد و غبار شکل گرفته در این منطقه در تاریخ فوق همراه با این بادها به داخل ایران انتقال پیدا کند. آنالیز تاریخهای دیگر گرد و غبارهای ایران نیز نتایج مشابه دارند. بنابراین عراق و سوریه مکان بسیار مناسبی برای انتخاب ایستگاههای AERONET می باشند اما ﻣﺘﺎﺳﻔﺎﻧﻪ ﺩﺭ ﺍﻳﻦ ﺩﻭ ﻛﺸﻮﺭ هیچ ایستگاهی وجود ندارد. همان طور که در (شکل (1 نشان میدهدو در تاریخهای دیگرنیز تایید می شود، از ترک یه نیز بادی به سمت نواحی غربی ایران وزیده نمیشود. بنابراین استفاده از ایستگاه واقع در غرب ترکیه کمکی به شناسایی ویژگی های گرد و غبار منطقه نمیکند. کشور کویت نیز از نظر منشا، دقیقا با غرب ایران تشابه دارد. و می تواند کمبود داده منطقه را تا حدی جبران کند. ایستگاههایAERONETاستفاده شده در این مطالعه ﺳﻪ ﺍﻳﺴﺘﮕﺎﻩ ﺑﻪ ﺷﺮﺡ ﺯﻳﺮ هستند: ایستگاه IASBSدر داخل ایران و ﺷﻬﺮ ﺯﻧﺠﺎﻥ ﻛﻪ ﺳﺎﻝ 2009 شروع به
کار کرده است و در مجموع 467 روز داده سطح 2 جمعآوری کرده است، ایستگاههای واقع در دانشگاه و فرودگاه کویت است. (شکل(2 و ( جدول(1 به ترتیب موقعیت و اطلاعات دادههای این ایستگاهها نشان میدهند. پارامترهایی که برای بررسی و شناخت ویژگیهای اپتیکی و اندازه ذرات به کار میروند به شرح زیر میباشند(:(Dubovik et al., 2001پارامترهای مرتبط با ویژگی-
های اپتیکی موسوم به عمق اپتیکی، البدوی تفرق منفرد و ضریب شکست و پارامترهای اندازه ذرات مانند توان آنگسترم، پارمتر عدم تقارن، حجم تراکم کلی و ذرات زبر (شعاع بزرگتر از 0/6میکرون موسوم به (coarse و ذرات نرم (شعاع کوچکتر از 0/6 میکرون و موسوم به (fine ، شعاع موثر کلی و ذرات زبر و نرم. در قسمت های بعدی به تفضیل ﺩﺭ ﻣﻮﺭﺩ ﻫﺮ ﻳﻚ ﺍﺯ پارامترها بحث خواهد شد.با توجه به این که ﻫﺪﻑ ﺍﻳﻦ ﺗﺤﻘﻴﻖ ﺑﺮﺁﻭﺭﺩﻱ از خصوصیات اپتیکی و اندازه ذرات گرد و غبار در منطقه است تمهیداتی برای بهینهسازی آنالیزها و انتخاب داده-های مناسب صورت گرفته است. در کنار استفاده از اندازهگیریهایی که شامل تمام پارامترها باشند (ستون پنجم از جدول (1 راهکاری برای جداسازی اندازه-گیری های غیر گرد و غباری در بین داده استفاده شده است (این امر به ویژه برای ایستگاه IASBS که در شهر زنجان واقع است اهمیت پیدا میکند چرا
که این منطقه در معرض هواویزهای دیگر نیز قرار دارد). در این راستا با آنالیز مطالعات پیشین (Dubovik et al., 2001)مشخصهای مهم، به عنوان شاخص ﺟﺪﺍﺳﺎﺯﻱ ﺩﺭ ﻧﻈﺮ گرفته شده است: مهمترین و بارزترین پارامتر ذرات گرد و غبار، نسبت حجم تراکم ذرات زبر به ریز است که تنها در این نوع ذرات عدد بزرگی را حاصل میکند. دلیل این امر درشت بودن نسبی ذرات گرد و غبار نسبت به هواویزهای دیگر است . به این ترتیب در باقی هواویزها مانند آلودگی هوا و دود ناشی از سوخت زیست توده، این پارامتر عمدتا کمتر از یک است. در این مطالعه آستانه 2 برای شناسایی ذرات گرد و غبار در نظر گرفته شده است. به این ترتیب تنها دادههایی به آنالیزها وارد شدهاند که این آستانه را ارضا کرده باشند. در نهایت برای جلوگیری از تاثیر افزودگی داده در یک روز روی برآوردها، میانگین گیری روزانه از دادههای دارای شرایط فوق صورت گرفته است (ستون ششم از جدول (1 تا به این ترتیب تخمینهایی بهینهتر و دقیقتر بدست آید. در (شکل(3 فلوچارت کلیه مراحل تحقیق نشان داده شده است.
بحث عمق اپتیکی
این پارامتر شاخص تعیین شفافیت است. بر اساس نسبت رادیانسی که در طول مسیر جذب یا تفرق پیدا نکرده است، به مقدار رادیانس ابتدای مسیر تعریف میشود:
رابطه1 I/I0=e-τ
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته زمستان 92، شماره 10
شکل.1 نقشه جهت و شدت باد منطقه در 13 آپریل 2011
شکل .2 موقعیت ایستگاههای AERONET استفاده شده در این تحقیق
جدول .1 اطلاعات ایستگاههای AERONET استفاده شده در این تحقیق
فتعداد دادههای روزهای مستقل تعداد دادههای سطح 2 کامل تعداد کل روزهای شامل داده سطح 2 تاریخ فعالیت کشور نام ایستگاه
40 93 467 2009 تا اکنون ایران IASBS
12 46 ف23 2009_2009 کویت Kuwait_Airport
317 1222 545 2012_2001 کویت Kuwait_University
469 1361 1025 فمجموع
شکل .3 فلوچارت مراحل تحقیق
56
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
در رابطه I1 رادیانس عبوری که تفرق و جذب پیدا نکرده،قI رادیانس اولیه و نمایانگر عمق اپتیکی است. این پارامتر واحد ندارد. در بحث عمق اپتیکی اتمسفری که در این جا نیز مدنظر است عمق اپتیکی براساس رادیانس تفرق و جذب نیافتهای که فاصله عمو د سطح زمین تا فضای خارج جو پیموده است بیان میشود و به این ترتیب برای محاسبه عمق اپتیکی همواره باید فاصله عمودی را در نظر گرفت و از قانونBeer-Lambert-Bouguerبرای محاسبه ﺁﻥ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ میشود(. (Holben et al., 1998 در سنجنده AERONET داده عمق اپتیکی در 5 طول موج 0/44، 0/5، 0/675، 0/87، 1/02 ﻣﻴﻜﺮﻭﻥ ارائه میشود.
در بحث عمق اپتیکی با عدم حضور عمق اپتیکی 0/5میکرون در دادههای ایستگاه IASBSمواجه بودیم که به دلیل این که این ایستگاه تنها ایستگاه واقع در خاک ایران است حذف آن ممکن نبود. بنابراین با توجه به مقایسه عمق اپتیکی طول موجهای دیگر در تاریخهای نزدیک در این ایستگاه و ایستگاههای ﻛﻮﻳﺖ ﻭ ﺷﺒﺎﻫﺖ بسیار زیاد آنها، برای برآورد عمق اپتیکی گرد و غبارهای منطقه در این طول موج تنها از دادههای ایستگاههای کویت استفاده شده ﺍﺳﺖ.
در مجموع برای کلیه طول موجها حد بیشینه عمق اپتیکی به طور متوسط بین 1 و 2 بوده و در موارد محدودی از 2 فراتر رفته است در (جدول(2 بازه عمق اپتیکی در طول موجهای مختلف نشان داده شده است.
در اینجا برای بررسی وابستگی پارامتر نسبت به عمق اپتیکی، دادهها بر اساس طول موج 0/44 میکرون که در تمام ایستگاهها وجود داشت (عدم وجود داده ﻋﻤﻖ ﺍﭘﺘﻴﻜﻲ 0/5ﻣﻴﻜﺮﻭﻥ در ایستگاه (IASBS خوشه بندی شدهاند ( Levy . (et al., 2007 انتخاب این طول موج برای تحقیقات آینده در راستای ﻓﺮﺍﻫﻢ کردن پارامترها پیش فرض روشهای سنجش از دوری است که از باند مرئی برای تعیین شدت گرد و غبار استفاده میکنند .(Kaufman et al., 1997)
این روشها عمدتا روی سنجنده MODIS پیادهسازی میشوند. طول موج 0/44 میکرون به مرکز باند 3 این سنجنده نزدیک است. خوشه بندی عمق اپتیکی 0/44 میکرون در 5 گروه (کمتر از 0/4 ، بین 0/4 و 0/6 ، بین 0/6 و 0/8 ، بین 0/8 و 1 و در نهایت بالاتر از (1 صورت گرفته است. نکته قابل توجه دیگر این است که در بحث مدلهای انتقال تابشی، بازیابی ویژگیها در شرایط عمق اپتیکی پایین عدم قطعیت بالایی وجود دارد. به همین دلیل دادههای سطح AERONET 2 ﺑﻪ ﻧﺪﺭﺕ ﺷﺎﻣﻞ ﺍﻳﻦ اندازهگیریها هستند( Levy et .(al., 2007 در این مطالعه نیز برای اجتناب از وارد شدن این عدم قطعیت به آنالیزها، از گروه کمتر از 0/4 که تنها %1 از مشاهدات را به خود اختصاص داده-
