استشعار الغلاف الجوي عن بعد

كيف يتم استشعار الغلاف الجوي؟

توضح هذه المقالة العديد من الفرص المثيرة لاستشعار الغلاف الجوي عن بعد باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، يتم تمكين هذه التطبيقات إما عن طريق مراقبة إشارة (GPS) بعد مرورها عبر الغلاف الجوي للأرض باستخدام مستقبل أرضي أو مراقبة الإشارة بعد مرورها عبر طرف الغلاف الجوي للأرض باستخدام جهاز استقبال على متن قمر صناعي تم وضعه في مكان منخفض مدار الأرض.

تعتمد كلتا الحالتين على البيانات الواردة من شبكات (GPS) لتحسين وتنقيح البيانات التي يتم جمعها بواسطة أجهزة الاستقبال الأرضية أو الفضائية، وتشمل خصائص الغلاف الجوي التي يمكن قياسها بخار الماء المتسرب بخار الماء المتكامل ومحتوى الإلكترون الكلي على طول مسارات إشارة (GPS) وانكسارية الغلاف الجوي ودرجة الحرارة وبخار الماء والضغط الجوي وكثافة الإلكترون في الغلاف الجوي المتأين.

كان استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لمراقبة الانكسار في الغلاف الجوي موضوع العديد من العروض التقديمية، ناقش رونالد ماكفرسون الاستخدام المحتمل لبيانات الانكسار المعتمدة على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للكشف عن الطقس والتنبؤ به، وأوضح أنه حتى وقت قريب كانت أنظمة استيعاب البيانات المستخدمة في نماذج التنبؤ العددي بالطقس تتطلب ملفات تعريف منفصلة لدرجة حرارة الغلاف الجوي وبخار الماء.

مقياس انكسارية الغلاف الجوي:

الانكسارية وهي مقياس مشترك للضغط الجوي ودرجة الحرارة وبخار الماء لم تكن مفيدة بشكل مباشر، ومع ذلك ومع تقنيات استيعاب البيانات الجديدة التي يستخدمها المركز الوطني للتنبؤ البيئي فإنه يمكن استخدام بيانات الانكسار مباشرة، حيث أوضح د. ماكفرسون أيضًا أن نظام المراقبة في خدمة الطقس الوطنية في المستقبل سيكون مدفوعًا بالمستخدم وليس أداة أو مؤيدًا، والأقمار الصناعية القطبية والثابتة بالنسبة للأرض، قد تكون ملاحظات الانكسار المستندة إلى (GPS) خيارًا فعالاً من حيث التكلفة.

ناقش مجموعة من المؤلفين بقيادة ريتشارد أنثيس كيف يمكن استخدام طرق سبر أو إخفاء أطراف نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للحصول على ملامح دقيقة للغاية لانكسارية الغلاف الجوي، تم الحصول على البيانات الأولية المقدمة من تجربة GPS / Meteorology) (GPS / MET)) التي تم إطلاقها في مدار أرضي منخفض على متن القمر الصناعي (Microlab-1) في أبريل 1995.

تكشف مقارنات عنصر درجة الحرارة في هذه البيانات مع المعلومات التي تم الحصول عليها من المسابير الراديوية ارتباط جيد يصل إلى ± 1 درجة مئوية في بعض أجزاء الغلاف الجوي، تمت مناقشة شبكة (GPS) الأرضية اللازمة لدعم مجموعة مستقبلية من مستشعرات (GPS / MET) الفضائية في ورقة قدمها (Michael Exner) إلى جانب وصف متطلبات معالجة البيانات والاتصالات.

يدرك علماء المناخ أن بخار الماء من الغازات الدفيئة المهمة في الغلاف الجوي والتي ترتبط بطرق معقدة بالاحترار العالمي الناجم عن الأنشطة البشرية، ناقشت جوديث كاري وبيتر ويبستر برنامجين متعلقين بالدورة الهيدرولوجية العالمية ونمذجة نظام مناخ الأرض المقترن.

 هذه البرامج هي برنامج بخار الماء لتجربة دورة الطاقة والمياه العالمية وبرنامج قياس إشعاع الغلاف الجوي، تعتبر القياسات العالمية لبخار الماء المتسرب وتقلباته ضرورية لكلا البرنامجين، وفقًا للمؤلفين يتمتع نظام تحديد المواقع العالمي بإمكانيات كبيرة للمساهمة في القياس العالمي لبخار الماء المتسرب في المناطق النائية، حيث لا توجد مسابير لاسلكية.

قياس بخار الماء المتسرب مهم أيضًا للكشف عن الطقس الخطر الإقليمي والمحلي والتنبؤ به، تمت مناقشة إحدى طرق تصميم نظام التنبؤ باستخدام البيانات المشتقة من (GPS) بواسطة (Larry Cornman).

يتم إجراء القياس المعتمد على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لبخار الماء المتسرب بواسطة مستقبلات (GPS) الأرضية، والتي تقدر تأخر الإشارة الناتج عن الغلاف الجوي على طول مسار الإشارة من أقمار (GPS) الصناعية المرصودة إلى جهاز الاستقبال.

لا يمكن تحديد مكون هذا التأخير الناجم عن بخار الماء المتسارع إلا من خلال مجموعة قياس التداخل للقياسات من موقعين مرجعيين أو أكثر؛ لإزالة التأثيرات الأخرى مثل (SA) وتعدد المسيرات والانتشار الأيونوسفير وأخطاء تحديد المواقع المدارية، كما يلزم وجود بيانات أرصاد جوية سطحية إضافية، تمت مناقشة متطلبات الموقع والشبكة والبيانات بواسطة (Thomas Runge) و (Fred Solheim).

المسبار الراديوي:

 هو أداة محمولة بالبالون تستخدم للقياس المتزامن ونقل بيانات الأرصاد الجوية مثل الضغط الجوي ودرجة الحرارة والرطوبة.

يعد قياس التلألؤ وكثافة الإلكترون والمحتوى الإلكتروني الكلي للغلاف الأيوني أمرًا مهمًا لكل من أبحاث الغلاف الجوي والتنبؤ بتأثير الغلاف الجوي المتأين على شبكات الطاقة الكهربائية والأنشطة الفضائية مثل الاتصالات ورحلات الفضاء المأهولة والإنذار المبكر بالقذائف التسيارية، ويحتمل الدفاع الصاروخي البالستي. ناقش ديفيد أندرسون المواصفات العالمية للغلاف الأيوني والتنبؤ به ونموذج المواصفات الأيونوسفيرية في الوقت الحقيقي (PRISM) وهو الأداة الأساسية لدمج البيانات من عدد من أنظمة القياس القائمة على الأقمار الصناعية والأرضية.

تتنبأ (PRISM) بملف تعريف كثافة الأيونات والإلكترونات للأيونوسفير من ارتفاع 90 إلى 1600 كيلومتر على تباعد شبكي من خط عرض 2 درجة وخط طول 5 درجات، كما تم تحديد الحدود الشفقية والارتفاع في قاع الغلاف الأيوني على خط العرض المرتفع، يتم تشغيل رمز (PRISM) ببيانات شبه فورية من شبكة من أجهزة استقبال (GPS) الأرضية بالإضافة إلى أجهزة استشعار أخرى.

إن توصيف خصائص الأيونوسفير باستخدام (GPS) وأجهزة الاستشعار الأخرى سيحسن أيضًا من دقة الملاحة المعتمدة على (GPS)، بجانب (SA) يعد التأخير الأيوني أكبر مصدر للخطأ لجهاز استقبال (GPS) أحادي التردد، لذلك تم تصميم (WAAS) التابع لإدارة الطيران الفيدرالية (FAA) لبث تصحيحات أخطاء الغلاف الأيوني لمستخدميها.

وصف يي تشونغ تشاو البحث في جامعة ستانفورد لتصميم نموذج دقيق لتقدير هذه التصحيحات، يوجد في قلب النموذج خوارزمية معايرة التحيز البيني التي تفصل التحيز البيني عن التأخير الأيوني الفعلي الذي تلاحظه مستقبلات المحطة المرجعية ثنائية التردد والتي ستكون جزءًا من شبكة (WAAS).