الحصول على بيانات الكشف عن غاز الميثان على متن المركبة الفضائية وخوارزمية عكس الاستشعار عن بعد عالية الدقة لغاز الميثان عبر الأقمار الصناعية

للحصول على معلومات حول التوزيع المكاني والزماني وتغير تركيز غاز الميثان (CH4) بالقرب من سطح الأرض، شهدت تقنية الكشف الفضائي عن الميثان باستخدام الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة تطورًا سريعًا في السنوات الأخيرة. وقد أُطلقت العديد من الأقمار الصناعية للكشف عن الميثان بالأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة محليًا ودوليًا، لإجراء سلسلة من الدراسات حول الكشف عن الميثان وتطبيقاته، مما أتاح الكشف عنه من الفضاء. وقد ساهمت الأقمار الصناعية التجريبية العلمية التي أُطلقت خلال هذه الفترة في تطوير خوارزميات عكس بيانات الاستشعار عن بُعد وخوارزميات عكس التدفق الخاصة بالميثان، مما أرسى أساسًا تقنيًا لتحسين قدرات الكشف الفضائي، وإنتاج البيانات، وتطبيقها مباشرةً. علاوة على ذلك، فقد أظهرت هذه الأقمار إمكانات تطبيق الكشف بالأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة في تقدير توازن مصادر ومصارف الميثان على مستوى العالم، من حيث دقة بيانات الكشف وتقدير التدفق.

الحصول على بيانات الكشف عن غاز الميثان من الفضاء

يتطلب الحصول على بيانات دقيقة لرصد غاز الميثان (CH4) بواسطة الأقمار الصناعية استخدام خوارزميات عالية الدقة لمعالجة بيانات الميثان عن بُعد. وتعتمد جودة هذه البيانات عادةً على اختيار أجهزة الرصد ومعايير المعالجة. يتميز رصد الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة بحساسيته لتغيرات تركيز الميثان قرب سطح الأرض، إلا أن أطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة تتأثر بسهولة بالمعايير الجوية والسطحية، مثل الغازات المتداخلة ودرجة الحرارة والغيوم والهباء الجوي، مما يُسبب أخطاءً كبيرة. يهدف استخدام خوارزميات المعالجة عالية الدقة إلى تقليل تأثير العوامل المتداخلة واستخلاص معلومات تركيز الغاز المستهدف من المعلومات الطيفية الفعالة. على الصعيد الدولي، طُوّرت طرق مختلفة لمعالجة بيانات غازات الاحتباس الحراري عن بُعد باستخدام الأقمار الصناعية، بالاعتماد على طرق الرصد الطيفي لأقمار SCIAMACHY وGOSAT. ومن بين هذه الطرق، تُعد خوارزمية المعالجة القائمة على النموذج الفيزيائي الكامل، وطريقة المعالجة التقريبية، وطريقة المعالجة WFM-DOAS، الأكثر استخدامًا.

خوارزمية الوكيل

تستخدم خوارزمية Proxy عادةً مكونات جوية مستقرة، مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2)، كممثلات لتصحيح تأثير السحب والهباء الجوي على المسار البصري في نطاق كشف غاز الميثان (CH4)، وبالتالي استخلاص معلومات فعّالة عن تركيز الميثان. يتطلب ذلك أن يكون تأثير السحب والهباء الجوي على المسار البصري في النطاقات التي يتواجد فيها الغاز المستهدف والغاز الممثل متقاربًا. لذلك، فهي عادةً ما تكون قابلة للتطبيق فقط على رصد الأقمار الصناعية التي تغطي نطاقات امتصاص ثاني أكسيد الكربون والميثان عند 1.6 ميكرومتر في آنٍ واحد. وقد تم التحقق من صحة بيانات GOSAT المُستخلصة بواسطة خوارزمية UoL-Proxy، التي طورتها جامعة ليستر بالمملكة المتحدة، من قِبل TCCON، حيث بلغت دقة الكشف عند نقطة واحدة 13.72 جزءًا في المليار، مع انحياز إجمالي عالمي يبلغ حوالي 9.06 جزءًا في المليار. تُظهر الدراسات أن دقة استرجاع XCH4 باستخدام طريقة Proxy تتأثر بشكل كبير بدقة الغاز الممثل XCO2، والمسار البصري، وتصحيحات الأخطاء المنهجية، حيث تتراوح دقة الاسترجاع من حوالي 0.6% إلى 2%.

خوارزمية WFM-DOAS

تعتمد خوارزمية WFM-DOAS على مطيافية الامتصاص التفاضلي الكلاسيكية، باستخدام دالة ترجيح لكمية عمود الغاز المستهدف الكلية بدلاً من مقطع الامتصاص العرضي لمطابقة طيف الامتصاص التفاضلي. وقد بُنيت هذه الخوارزمية في البداية على مطيافية الكشف الخاصة بجهاز SCIAMACHY، مما مكّن من عكس تركيزات أعمدة الغاز المختلفة. وقد طُبقت الآن على عكس تركيزي XCH4 وXCO في جهاز Tropomi، مما أسفر عن بيانات ذات توافق عالٍ مع نتائج الخوارزمية الفيزيائية بالكامل. وتُظهر نتائج التحقق الأرضي أن الخطأ العشوائي لتركيز XCH4 الذي تم الحصول عليه بواسطة خوارزمية WFM-DOAS يبلغ 14.0 جزءًا في المليار (0.8%)، بينما يبلغ الخطأ المنهجي 4.3 جزءًا في المليار (0.2%). وتتميز خوارزمية WFM-DOAS بمتطلبات منخفضة نسبيًا للدقة الطيفية، ولكنها تتطلب دقة عالية في معايرة الطيف والمعلمات المساعدة مثل الحقول المناخية (مثل بيانات درجة الحرارة والرطوبة والضغط)، كما تتأثر بشكل كبير بغطاء السحب.

خوارزمية الانعكاس الفيزيائي الكامل

تستخدم خوارزميات الانعكاس الفيزيائي بالكامل النمذجة الأمامية لمحاكاة عملية انتقال الإشعاع الجوي للإشارات، مما يقلل بشكل كبير من الأخطاء الناتجة عن عدم اليقين في المسار البصري بسبب التشتت أثناء انتقال الإشعاع، ويحقق عادةً دقة عالية في الانعكاس. تشمل خوارزميات الانعكاس الرئيسية للاستشعار عن بعد بواسطة الأقمار الصناعية لغازات الاحتباس الحراري على المستوى الدولي: خوارزمية NIES-FP القياسية لجهاز GOSAT، وخوارزمية ACOS القياسية لجهاز OCO-2 التابع لناسا، وخوارزمية UoL-FP التابعة لجامعة ليستر، وخوارزمية RemoTeC القياسية لجهاز TROPOMI، وخوارزمية IAPCAS القياسية للأقمار الصناعية الصينية لقياس الكربون. يمكن استخدام هذه الخوارزميات للحصول على بيانات عالية الدقة لغازي الميثان (XCH4) وثاني أكسيد الكربون (XCO2) من أطياف الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة للأقمار الصناعية. مع التحليل المعمق لأخطاء نتائج الانعكاس وتزايد الطلب على دقة المنتج، يتم تحديث هذه الخوارزميات وتحسينها باستمرار. حاليًا، تحسنت دقة انعكاسات غاز الميثان (XCH4) باستخدام جهازي TROPOMI وGOSAT بشكل كبير. بلغت دقة عكس بيانات الميثان (XCH4) من جهاز TROPOMI، باستخدام خوارزمية RemoTeC المُحسّنة، -3.4 ± 5.6 جزء في المليار. ويُشكّل الحصول على بيانات الميثان عالية الدقة أساسًا متينًا لتقدير ميزانية الميثان في الغلاف الجوي. طُوّرت خوارزمية IAPCAS لتطبيقات البيانات من القمر الصناعي الصيني TanSat. وباستخدام هذه الخوارزمية، يُمكن الحصول على بيانات ثاني أكسيد الكربون (XCO2) عالية الدقة (1.47 جزء في المليون) من طيف TanSat، كما أنها قادرة على الحصول على بيانات الميثان وثاني أكسيد الكربون من طيف GOSAT. وقد أرست هذه الخوارزمية، وتطبيقها الناجح في عكس البيانات من عدة أقمار صناعية، الأساس الخوارزمي لتطبيقات مهمات الأقمار الصناعية اللاحقة في الصين.

طرق تقدير التدفق

يُسهم تقدير ميزانيات غاز الميثان (CH4) العالمية والإقليمية في تحسين فهمنا لتوزيع مصادر ومصارف هذا الغاز، ويُوفر مرجعًا لمعالجة تغير المناخ في المستقبل. تنقسم طرق تقدير التدفقات الحالية إلى منهجين رئيسيين: المنهج التصاعدي والمنهج التنازلي. يعتمد المنهج التصاعدي على قوائم جرد الانبعاثات، والتدفقات المرصودة في المحطات، أو بيانات التدفقات المحاكاة على مستوى الشبكة، ويُجري استقراءً مكانيًا، وهو طريقة تقليدية لتقدير ميزانية الكربون. مع ذلك، ونظرًا لبطء تحديث البيانات، عادةً ما تكون نتائج الحسابات متأخرة، ولا تستطيع رصد التغيرات الديناميكية في المصادر والمصارف في الوقت المناسب. أما المنهج التنازلي، فيعتمد بشكل أساسي على بيانات تركيز مكونات الغلاف الجوي وبيانات قوائم جرد الانبعاثات المُستقاة من الرصد، مستخدمًا نماذج النقل الكيميائي في الغلاف الجوي وطرق استيعاب البيانات لتقدير التدفقات. تُشير الأبحاث الحالية إلى أن استخدام بيانات الرصد عبر الأقمار الصناعية لتقدير التدفقات يُمكن أن يُقلل من عدم اليقين بنحو 85% مقارنةً باستخدام الرصد الأرضي فقط. مع ذلك، تتطلب هذه الطريقة دقة عالية في بيانات الرصد. حتى انحياز منهجي مرتبط إقليميًا أو زمنيًا بنسبة 1% قد يؤثر على صحة نتائج عكس التدفق. استنادًا إلى نماذج النقل الكيميائي الجوي ومنتجات بيانات XCH4 عالية الدقة من الأقمار الصناعية، أجرت فرق بحثية متعددة دراسات حول تقدير تدفق غاز الميثان. وقد أظهرت دراسات عديدة أن استخدام بيانات الأقمار الصناعية في استرجاع التدفق يمكن أن يقلل بشكل كبير من عدم اليقين في استرجاع التدفق في مختلف المناطق، مما يوفر بيانات تحقق مهمة لقوائم جرد انبعاثات الميثان من الأسفل إلى الأعلى ونماذج انبعاثات الأراضي الرطبة. حاليًا، تُستخدم بيانات GOSAT على نطاق واسع في تقدير تدفق الميثان السطحي، مما يساعد في تحليل توزيع مصادر ومصارف الميثان والتغيرات على المستويين العالمي والإقليمي. كما توفر أدلة موثوقة لتقييم مساهمات القطاعات المختلفة في انبعاثات الميثان، وللحصول على فهم أعمق للتغيرات في توزيع مصادر ومصارف الميثان وتأثيرها على المناخ. يتميز جهاز TROPOMI بدقة مكانية وزمانية عالية، كما أن حجم بياناته ودقتها يفوقان بكثير بيانات GOSAT، مما يُمكّنه من التفوق في تقدير التدفق على نطاق دقيق. توفر نتائج هذا البحث بيانات علمية تدعم عملية إعداد ميزانية الميثان العالمية وفهمًا أعمق لتغيرات مصادر ومصارف غاز الميثان.

تُتيح بيانات الميثان (CH4) عالية الدقة المكانية والزمانية، التي تُجمعها الأقمار الصناعية، رصدًا مباشرًا لعمليات انبعاث الميثان الناتجة عن الأنشطة البشرية. وقد أثبت القمر الصناعي TROPOMI تفوقه في الكشف المكاني والزماني المستمر لرصد وتقدير انبعاثات الميثان، كما تُهيئ قدراته العالية في الكشف الظروف اللازمة لرصد وتحديد كمية انبعاثات الميثان من مصادر إقليمية. وبالاقتران مع بيانات تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي التي يتم رصدها بشكل متزامن، يُمكن تقييم استقرار انبعاثات الميثان المحلية بشكل مستقل دون الحاجة إلى نماذج النقل الجوي. وتهدف سلسلة الأقمار الصناعية التجارية GHGSat، ذات الدقة المكانية العالية، إلى رصد انبعاثات الميثان من مصادر محددة في الإنتاج الصناعي. وبفضل قدرتها على تحديد أعمدة انبعاث الميثان الدقيقة، تُستخدم هذه الأقمار على نطاق واسع في رصد وتقدير الانبعاثات المحلية.

مصدر المادة المرجعية:

تحليل الوضع الحالي واتجاهات تطوير أقمار مراقبة غاز الميثان في الغلاف الجوي بهدف تحقيق الحياد الكربوني وذروة انبعاثات الكربون في بلدي