أقمار صناعية لرصد غاز الميثان – نقطة ساخنة جديدة في رصد غازات الاحتباس الحراري

تعتمد آلية عمل أقمار مراقبة غاز الميثان على تقدير الكمية الإجمالية للميثان من خلال تحليل امتصاصه الطيفي عند أطوال موجية مختلفة. ويغطي نطاق الرصد عن بُعد كمية الميثان في خط عمودي يمتد من القمر الصناعي إلى سطح الأرض، وهدفه الرئيسي هو الحصول على بيانات دقيقة ومتواصلة مكانيًا وزمنيًا لتركيز غاز الميثان في الغلاف الجوي بالقرب من سطح الأرض.

اعتمدت عمليات الكشف المبكرة عن غاز الميثان من الفضاء بشكل أساسي على نطاق الأشعة تحت الحمراء الحرارية. إلا أنه نظراً لتشابه الإشعاع المنبعث من سطح الأرض والغلاف الجوي القريب من السطح في هذا النطاق، يصعب التمييز بينهما من خلال الطيف. ونتيجة لذلك، لا يُعد نطاق الأشعة تحت الحمراء الحرارية حساساً للتغيرات في تركيز غاز الميثان في الغلاف الجوي القريب من السطح، ولا يفي بمتطلبات الكشف عن عمليات الانبعاث القريبة من السطح في ظل هدف خفض انبعاثات غاز الميثان.

بالمقارنة، يحتوي طيف الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة على إشارات امتصاص الميثان وإشارات انعكاس سطحية ذات خصائص مختلفة بشكل ملحوظ. ووفقًا لتحليل مقارنة حساسية تركيز عمود الميثان بالنسبة لملف تعريف الميثان، فإن نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة شديد الحساسية للتغيرات في تركيز الميثان الجوي القريب من سطح الأرض، وهو أكثر ملاءمة لرصد عمليات انبعاث الميثان.

الوضع الحالي لإطلاق قمر صناعي لرصد غاز الميثان

△ملخص أداء أقمار الميثان التي أكملت مهمتها أو لا تزال في مدارها

في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع لتقنية الكشف الفضائي عن غاز الميثان بالأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة، تم إطلاق العديد من الأقمار الصناعية المخصصة لهذا الغرض محلياً ودولياً، لإجراء سلسلة من الدراسات حول الكشف عن غاز الميثان وتطبيقاته. وقد ساهم ذلك بشكل فعال في تطوير خوارزميات عكس بيانات الاستشعار عن بُعد وخوارزميات عكس التدفق الخاصة بغاز الميثان، مما أرسى أساساً تقنياً لتحسين قدرات استكشاف الفضاء، وإنتاج البيانات، وتطبيقها بشكل مباشر. علاوة على ذلك، فقد أظهر ذلك الإمكانات التطبيقية للكشف بالأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة في تقدير توازن مصادر ومصارف غاز الميثان على مستوى العالم، من حيث دقة بيانات الكشف وتقدير التدفق.

جمع بيانات الأقمار الصناعية لرصد غاز الميثان

△الوضع الحالي والتخطيط لأقمار مراقبة غازات الاحتباس الحراري في الداخل والخارج: يشير اللون الأخضر إلى مراقبة غاز الميثان

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 الكشف بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة (SIR) بحساسيته لتغيرات تركيز غاز الميثان (CH4) بالقرب من سطح الأرض، إلا أن طيف امتصاصه يتأثر بسهولة بالمعايير الجوية والسطحية، مثل الغازات المتداخلة ودرجة الحرارة والغيوم والهباء الجوي، مما يُدخل أخطاءً كبيرة. يهدف تطوير خوارزميات عكسية عالية الدقة إلى تقليل تأثير هذه العوامل المتداخلة واستخلاص معلومات تركيز الغاز المستهدف من المعلومات الطيفية الفعالة. على الصعيد الدولي، طُوّرت طرق عكسية متنوعة للاستشعار عن بُعد بالأقمار الصناعية لغازات الاحتباس الحراري باستخدام قمري SCIAMACHY وGOSAT. ومن بين هذه الطرق، تُعد خوارزمية العكس القائمة على النموذج الفيزيائي الكامل، وطريقة العكس بالوكالة، وطريقة العكس WFM-DOAS الأكثر استخدامًا.

تستخدم خوارزميات الانعكاس الفيزيائي الكامل نماذج أمامية لمحاكاة عملية انتقال الإشعاع الجوي للإشارات، مما يقلل بشكل كبير من الأخطاء الناتجة عن عدم اليقين في المسار البصري بسبب التشتت أثناء انتقال الإشعاع، وتتميز عادةً بدقة انعكاس عالية. تستخدم خوارزميات التقريب عادةً مكونات جوية مستقرة مثل ثاني أكسيد الكربون كممثلين لتصحيح تأثير السحب والهباء الجوي على المسار البصري في نطاق كشف الميثان، وبالتالي استخلاص معلومات فعالة عن تركيز الميثان. تستخدم خوارزمية WFM-DOAS، القائمة على مطيافية الامتصاص التفاضلي الكلاسيكية، دالة ترجيح للكمية الإجمالية لعمود الغاز المستهدف لاستبدال مقطع الامتصاص في مطابقة طيف الامتصاص التفاضلي.

اتجاهات التطوير المستقبلي لرصد غاز الميثان

△ انبعاثات غاز الميثان من مصادر مختلفة في الصين خلال أشهر مختلفة

استنادًا إلى الوسائل التقنية الحالية لمهام الأقمار الصناعية لرصد غاز الميثان، ولتلبية احتياجات الرصد والبحث على مختلف المستويات، من الضروري إنشاء نظام كوكبة من الأقمار الصناعية لإجراء رصد تعاوني باستخدام مزيج من الأساليب النشطة والسلبية، وتقنيات المدارات العالية والمنخفضة. وسيُحقق الرصد العالمي لغاز الميثان بدقة مكانية وزمانية عالية في المستقبل بشكل أساسي من خلال ربط الأقمار الصناعية. ومن خلال التطبيق الشامل لنتائج الرصد من أقمار صناعية متعددة، سيتم توفير دعم علمي لتقييم فعالية تدابير خفض الانبعاثات المتعلقة بتحقيق الحياد الكربوني، ولخطط جرد الكربون العالمية.

تشونغكي شيغوانغ الفضاء الجوي":"أول من قام بنشر كوكبة أقمار صناعية تجارية للاستشعار عن بعد لمراقبة الكربون المزدوج

انطلاقًا من الخلفية القائمة، وبعد إجراء أبحاث سوقية مكثفة ومتابعة دقيقة للمستخدمين، تبوأت شركة شيغوانغ للفضاء الصينية مكانة رائدة في الصين بإطلاقها خطةً لإنشاء كوكبة أقمار صناعية تجارية للاستشعار عن بُعد لرصد انبعاثات الكربون المزدوجة، تعتمد على تقنية الكشف الطيفي فائق الدقة. وقد صممت الشركة أول قمر صناعي تجاري صيني لرصد غاز الميثان، وهو القمر الصناعي شيغوانغ-004، القادر على رصد تركيزات غازات الدفيئة الرئيسية. يُعد هذا القمر الصناعي قمرًا للاستشعار عن بُعد لرصد مصادر الكربون ومصارفه، وهو مُجهز بكاشف لتركيز غاز الميثان، وكاشف لتألق الكلوروفيل، وكاميرا تصوير متعددة الأطياف. كما يتميز بأوضاع تشغيل متعددة لتلبية الاحتياجات المتنوعة للمستخدمين الذين يستهدفون رصد انبعاثات الكربون المزدوجة عبر الاستشعار عن بُعد بالأقمار الصناعية.

يتميز كاشف تركيز الميثان بدقة طيفية تبلغ 0.1 نانومتر، ويُتيح الكشف الكمي عن تركيز الميثان في العمود، بالإضافة إلى قياس تركيزه فوق الموقع المستهدف. أما كاشف فلورة الكلوروفيل، فيتميز بدقة طيفية تصل إلى 0.5 نانومتر، ما يُمكنه من رصد التغيرات الطفيفة في طيف الفلورة الناتج عن عملية التمثيل الضوئي للكلوروفيل في النبات. وهذا يُتيح تقييم الإنتاجية الكلية للنبات، ويُوفر إرشادات لتجارة الكربون. وتعمل كاميرا التصوير متعددة الأطياف في ثمانية نطاقات من الضوء المرئي بدقة مكانية تبلغ 10 أمتار. وتتميز بفتحة عدسة كبيرة ووزن خفيف، وتُستخدم بشكل أساسي لالتقاط صور طيفية ومكانية للمعالم الأرضية.

يزن القمر الصناعي 60 كيلوغراماً، ويمكنه أن يؤدي دوراً إيجابياً في رصد انبعاثات الكربون عن بُعد وتقييم إمكانية الحياد الكربوني للغطاء النباتي الطبيعي والمعالم الاصطناعية. وسيتيح رصداً عالي التردد والكمية والتغطية لانبعاثات الكربون العالمية ومصارف الكربون، وسيقود الصين في تطوير أقمار الكربون التجارية.

△ انبعاثات غاز الميثان العالمية حسب القطاع، 1970-2018

في ظل الوضع الطارئ لتغير المناخ العالمي، يُعدّ خفض انبعاثات غاز الميثان وسيلةً ضروريةً للسيطرة على الاحتباس الحراري وتحقيق الحياد الكربوني. ويمكن للاستشعار عن بُعد عبر الأقمار الصناعية توفير بيانات عالية الدقة المكانية والزمانية لتركيز غاز الميثان عالميًا، مما يُعزز بشكل كبير قدرات دعم البيانات لرصد ديناميكيات غاز الميثان المكانية والزمانية، وحساب ميزانية غاز الميثان، وتقييم تدابير خفض الانبعاثات، ويُوفر مرجعًا لمواجهة تغير المناخ في المستقبل.

بعض محتوى هذه المقالة مأخوذ من:

علوم الغلاف الجوي IAP

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

ياو لو، يانغ دونجكسو، كاي تشاونان، تشو سيهونغ، ليو يي، دينغ جيانبو، تيان لونغفي، يين زنغشان، لو نايمنغ

العودة الفضائية والاستشعار عن بعد، صوت الأكاديمية الصينية للعلوم

في حال وجود أي انتهاك لحقوق الطبع والنشر، يرجى الاتصال بنا لحذفه.