پایش تغییرات آب و هوائی با استفاده از روش اختفای رادیویی سامانه تعیین موقعیت جهانی

اختفای رادیویی[1] (RO) از تکنیک‌های سنجش از دور است که برای اندازه‌گیری خواص فیزیکی جو یک سیاره‌ استفاده می‌شود. بنا بر این، اختفای رادیویی بر تشخیص تغییر سیگنال رادیویی در حین عبور از جو سیاره، یعنی زمانی که توسط جو پنهان می‌شود، مبتنی است. هنگامی که پرتو الکترومغناطیسی از جو عبور می‌کند، شکسته یا خمیده می‌شود. بزرگی شکست تابعی از گرادیان شکست نرمال مسیر بوده و این نیز به نوبه خود به گرادیان چگالی (تغییرات دما و غلظت بخار آب) جو بستگی دارد (شکل 1).
اختفای رادیویی تکنیک به نسبت جدیدی است که برای اولین بار در سال 1995 میلادی در زمینه اندازه‌گیری‌های جوی مورد استفاده قرار گرفت. از این تکنیک به عنوان ابزار پیش‌بینی آب و هوا و همچنین در پایش تغییرات آب و هوائی استفاده می‌شود. در این روش، سیگنالGNSS  توسط یک ماهواره مدار پائین دریافت می‌شود. 
از طریق اختفای رادیویی GNSS، تصویری تقریباً آنی از وضعیت جو به دست می‌آید. موقعیت نسبی بین ماهواره GPS و ماهواره مدار پائین، در طول زمان تغییر می‌کند و لذا اسکن عمودی لایه‌های متوالی جو ممکن می‌گردد.

شکل 1) اختفای رادیوئی
اکنون علائم تغییرات آب و هوائی به وضوح در داده‌های اختفای رادیویی سیستم ماهواره‌ای ناوبری جهانی مشهود است. این تغییرات، با پیش‌بینی مدل‌های آب و هوایی پانزده سال پیش مطابقت دارد. روندهای مشاهده ‌شده‌‌ی داده‌های اختفای رادیویی، به صراحت از گرمایش جهانی به ویژه گرم‌شدن تروپوسفر حکایت دارد.
همان طور که گفته شد، تکنیک GNSS-RO مبتنی بر اندازه‌گیری شکست سیگنال‌های رادیویی GNSS است که در مسیرهای تقریباً افقی در جو منتشر می‌شوند. ابزارهای اختفای رادیویی روی ماهواره‌هایی که در مدار پائین قرار دارند، سیگنال‌های رادیویی GNSS را مشاهده می‌کنند که در اتمسفر پیرامون زمین[2] ظاهر می‌گردند (شکل 2). این ابزار، روزانه صدها رویداد اختفای رادیویی را مشاهده می‌کنند، که به‌طور شبه تصادفی[3] در سراسر زمین توزیع می‌شوند و تحت تأثیر ابرها و سطح زیرین نیز قرار نمی‌گیرند. این داده‌ها حاوی اطلاعات پایشی با وضوح قائم بالا و پایداری طولانی‌مدت از نزدیکی سطح زمین (تروپوسفر) تا استراتوسفر فوقانی هستند. داده‌های اختفای رادیویی در پایش آب و هوا و آزمون مدل آب و هوائی اهمیت فراوانی دارند.

شکل 2) هنگامی که سیگنال‌های رادیویی GNSS از جو عبور می‌کنند، به دلیل گرادیان قائم ضریب شکست، به سمت سطح زمین منحرف یا شکسته می‌شوند. این شکست، موجب یک تأخیر زمانی می‌شود که آن را می‌توان با تغییر فاز سیگنال‌های رادیویی اندازه‌گیری کرد (تغییر فازی بیش از تغییر فاز مورد انتظار ناشی از سرعت‌های نسبی بین دو ماهواره GNSS و LEO). زاویه انکسار یا زاویه خمش پرتو با استفاده از این فاز اضافی قابل محاسبه است. زاویه خمش معمولاً در حدود یک درجه در نزدیکی سطح زمین است و با افزایش ارتفاع، به صورت تصاعدی کم می‌شود. زمان مورد نیاز برای نمونه‌برداری سیگنال رادیویی در ارتفاع حدود 100 کیلومتری، در حد یک تا دو دقیقه است.
به طور کل، در طول یک رویداد اختفا، ابتدا زوایای خمشی سیگنال رادیویی GNSS اندازه‌گیری می‌شوند، سپس زوایای خمشی به نمایه‌ی قائم ضریب شکست تبدیل می‌شوند و به دنبال آن پروفیل‌های دما و فشار بازیابی می‌گردند. زاویه خمشی اساساً تا استراتوسفر (لایه فوقانی تروپوسفر) عاری از میل و انحراف[4] است. با افزایش قابل توجه تعداد اندازه‌گیری‌های اختفای رادیویی از سال 2006، استحکام تجزیه و تحلیل‌های دمای جهانی در استراتوسفر نیز به طور محسوسی بهبود یافته است.
در مطالعه‌ای، که توسط محققان، با استفاده از میانگین ماهانه زوایای خمشی از سال 2002 تا کنون[5] به منظور بررسی روندهای جوی در دو دهه گذشته در ناحیه گذار بین استراتوسفر و تروپوسفر انجام شد، روندها به وسیله رگرسیون خطی ساده سری‌های زمانی مربوط به آنومالی‌های میانگین ماهانه روی نقاط یک شبکه با ارتفاع و عرض جغرافیائی معین، محاسبه شدند. نتایج این بررسی نشان داد که روندهای زاویه خمش در این ناحیه با پدیده گرمایش بلندمدت جهانی انطباق دارند. همچنین، روندهای زاویه خمش مشاهده‌شده در عرض‌های جغرافیایی پائین و متوسط نه تنها از نظر ساختاری به پیش‌بینی‌های مدل جهانی تغییرات اقلیمی HadGEM1[6] بسیار شبیه هستند، بلکه اندازه‌های مشابهی نیز دارند.
برگرفته از:
- https://www.nature.com/articles/s41612-022-00229-7
- https://wikipredia.net/fa/Radio_occultation