کاربرد سنجش از دور در علوم دریاها و اقیانوس ها

دریاها و اقیانوس ها حدود 70% از سطح زمین را به خود اختصاص داده اند و یکی از کهن ترین و بزرگترین اکوسیستم های سطح زمین هستند. با توجه به اهمیت اقیانوس های و دریاهای از جنبه های اقتصادی، زیست محیطی و تعدیل آب و هوا مطالعات بسیار زیادی در دنیا بر روی این اکوسیستم ها انجام می شود. در مقاله جامع کاربرد سنجش از دور در علوم دریاها و اقیانوس ها هدف ارائه و آشنایی شما عزیزان با کاربردهای اصلی سنجش از دور در علم اقیانوس شناسی است.
اقیانوس‌ها به عنوان بزرگ‌ترین اکوسیستم‌های جهان، نقش حیاتی در تنظیم شرایط اقلیمی و تعدیل آب و هوا داشته و حتی به عنوان یک منبع بزرگ غذایی در دنیا شناخته شده است. با توجه به وسعت بسیار زیاد و تغییرات پویای محیط اقیانوس، روش‌های سنتی اندازه‌گیری و نمونه‌برداری محدودیت‌های فراوانی دارند. در این میان، فناوری سنجش از دور به عنوان ابزاری قدرتمند توانسته است با فراهم کردن داده‌های گسترده، مکرر و دقیق، دید جامع‌تری از فرآیندهای اقیانوسی ارائه دهد.

چرا باید از سنجش از دور در علم اقیانوس‌ها و دریاها استفاده کنیم؟

مطالعه محیط‌های دریایی و اقیانوسی همواره با چالش‌های جدی همراه بوده است؛ وسعت بسیار زیاد، دسترسی دشوار به مناطق دورافتاده یا عمیق، و پویایی بالای این اکوسیستم‌ها باعث می‌شود روش‌های زمینی و میدانی با محدودیت‌های زیادی مواجه باشند. استفاده از کشتی‌های تحقیقاتی، نصب ابزارهای اندازه‌گیری یا نمونه‌برداری حضوری اغلب زمان‌بر، پرهزینه و گاهی خطرناک است. در مقابل، فناوری سنجش از دور به عنوان جایگزینی هوشمند، این امکان را فراهم می‌کند که بدون حضور فیزیکی در محل، اطلاعات گسترده‌ای از سطح دریاها و اقیانوس‌ها به دست آید.
یکی از مهم‌ترین مزایای سنجش از دور، قابلیت ثبت مداوم و پیوسته داده‌ها در مقیاس جهانی است. ماهواره‌ها می‌توانند به‌صورت منظم از سطح اقیانوس‌ها تصویربرداری کنند، بدون اینکه به موقعیت جغرافیایی خاص یا شرایط محلی وابسته باشند. این ویژگی موجب می‌شود هیچ منطقه‌ای، حتی دورافتاده‌ترین نواحی اقیانوسی، از چشم ابزارهای نظارتی پنهان نماند.
همچنین، سنجش از دور امکان دسترسی به داده‌های تاریخی و آرشیوی را فراهم می‌کند. با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای ثبت‌شده در دهه‌های گذشته، پژوهشگران می‌توانند روند تغییرات محیطی، تغییر دمای سطح آب، میزان کلروفیل، یا گسترش پدیده‌هایی مانند جلبک‌های مضر را در بازه‌های زمانی طولانی بررسی کنند. چنین امکان تحلیلی، در روش‌های سنتی تقریباً غیرممکن یا بسیار پرهزینه خواهد بود.

آموزش پیشنهادی : دوره جامع گوگل ارث انجین در علوم دریا و اقیانوس

 

کاربرد سنجش از دور در علوم دریاها و اقیانوس ها

۱. پایش دمای سطح دریا (Sea Surface Temperature – SST)

ماهواره‌ها با استفاده از سنسورهای حرارتی می‌توانند دمای سطح دریا را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند. تغییرات دمایی در سطح دریا نقش مهمی در پدیده‌هایی مانند جریان‌های اقیانوسی، تشکیل طوفان‌ها، و تغییرات اقلیمی دارد. داده‌های SST در پیش‌بینی رویدادهایی مانند النینو و مانیتورینگ تغییرات اقلیم جهانی حیاتی هستند.

۲. شناسایی و پایش کلروفیل و فیتوپلانکتون‌ها

با استفاده از سنجش اپتیکی در طیف مرئی، می‌توان تراکم کلروفیل سطحی را تخمین زد. این شاخص برای ارزیابی تولید اولیه در اقیانوس، بررسی سلامت اکوسیستم‌های دریایی، و شناسایی شکوفایی جلبکی (از جمله شکوفایی جلبکی مضر) کاربرد دارد.

۳. بررسی ارتفاع و توپوگرافی سطح دریا

رادارهای ماهواره‌ای (مانند altimeter ها) امکان اندازه‌گیری دقیق ارتفاع سطح آب را فراهم می‌کنند. این داده‌ها برای تحلیل جریان‌های سطحی، بررسی نوسانات سطح آب، و پایش پدیده‌هایی مانند بالا آمدن سطح دریا در اثر گرم شدن جهانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

۴. بررسی شوری سطح دریا

برخی ماهواره‌ها مانند SMOS و Aquarius می‌توانند با استفاده از سنجش مایکروویو، تغییرات شوری سطح دریا را پایش کنند. این اطلاعات برای درک تبادل حرارت و رطوبت بین اقیانوس و جو و بررسی چرخه آب نقش کلیدی دارد.

۵. ردیابی جریان‌های دریایی و بادهای سطحی

از طریق تحلیل تغییرات سطح آب و حرکت ذرات سطحی، می‌توان الگوهای جریان‌های سطحی را استخراج کرد. همچنین، برخی رادارهای فعال، مانند Scatterometerها، برای پایش جهت و سرعت بادهای سطحی استفاده می‌شوند که در مدل‌سازی و پیش‌بینی وضعیت دریا بسیار مهم است.

۶. شناسایی آلودگی‌ها و نشت نفت

تصاویر ماهواره‌ای قادر به تشخیص لکه‌های نفتی و آلودگی‌های سطحی هستند، به‌ویژه زمانی که از داده‌های چند طیفی یا راداری استفاده شود. این اطلاعات برای واکنش سریع به حوادث زیست‌محیطی بسیار ارزشمند است.

۷. پایش یخ‌های دریایی و تغییرات آن‌ها

در مناطق قطبی، سنجش از دور نقش مهمی در پایش پوشش یخی و بررسی روند ذوب یخ‌ها ایفا می‌کند. این داده‌ها برای مطالعات اقلیمی و ناوبری دریایی در نواحی سردسیر حیاتی هستند.
در ادامه خلاصه ای از کاربردهای سنجش از دور در علم اقیانوس شناسی ارائه خواهد شد:

 

• کلروفیل ها
• دمای سطح دریا
• عمق آب (آشفتگی)
• غلظت آهن آب
• فتوسنتز از سطح دریا
• سرعت باد در سطح دریا
• غلظت نمک
• غلظت نیترات
• کربن آلی
• عمق دریا و آب ها
• فیتوپلانکتون ها
• پایش کشتی ها
• پایش خطوط ساحلی
• پایش خصوصیات شیمیایی و فیزیکی آبها
• غلظت مواد معلق در آب
• بررسی آلودگی های آب مانند نفت

انواع سنجش از دور با تأکید بر مطالعات اقیانوس‌شناسی

سنجش از دور شامل روش‌های مختلفی برای دریافت اطلاعات از سطح زمین و دریا بدون تماس مستقیم فیزیکی است. در مطالعات اقیانوس‌شناسی، بسته به نوع پارامتر مورد بررسی، از انواع مختلفی از سنسورها و پلتفرم‌های ماهواره‌ای استفاده می‌شود. سه نوع رایج از سنجش از دور که بیشترین کاربرد را در اقیانوس‌شناسی دارند عبارتند از: سنجش اپتیکی، سنجش حرارتی و سنجش راداری.
سنجش اپتیکی از نور مرئی و نزدیک به مرئی برای تصویربرداری از سطح دریاها و اقیانوس‌ها بهره می‌گیرد. این نوع سنجش برای بررسی ویژگی‌هایی مانند غلظت کلروفیل، رنگ آب، شفافیت، و ذرات معلق در آب بسیار کاربرد دارد. با استفاده از طیف‌های مختلف نور، می‌توان اطلاعات ارزشمندی در مورد ترکیبات سطحی و زیستی آب به‌دست آورد. با این حال، سنسورهای اپتیکی نسبت به پوشش ابری و شرایط جوی حساس هستند و نمی‌توانند در شب یا در هوای ابری داده‌های دقیق ارائه دهند.
سنجش حرارتی (thermal infrared) یکی دیگر از روش‌های مهم در اقیانوس‌شناسی است که برای اندازه‌گیری دمای سطح دریاها استفاده می‌شود. این اطلاعات برای تحلیل تبادل انرژی بین اقیانوس و جو، شناسایی جریان‌های گرم و سرد، و بررسی پدیده‌هایی مانند النینو کاربرد گسترده‌ای دارند. سنجش حرارتی توانایی پایش شبانه‌روزی دارد، اما ممکن است در مناطق مرطوب یا دارای بخار آب زیاد با محدودیت‌هایی مواجه شود.
در مقابل، سنجش راداری (فعال) از امواج رادیویی با طول موج بلند استفاده می‌کند که توانایی نفوذ از میان ابر، باران و حتی در برخی موارد مه را دارند. این روش برای مطالعه ساختار سطح دریا، ارتفاع موج، جهت بادهای سطحی و شناسایی لکه‌های نفتی بسیار مؤثر است. رادارهای تصویربردار (مانند SAR) و ارتفاع‌سنج‌های راداری از جمله ابزارهای کلیدی در این نوع سنجش هستند. ویژگی مهم سنجش راداری، قابلیت عملکرد در شب و شرایط جوی نامناسب است که آن را به ابزاری بسیار کارآمد در مناطق دشوار و بحرانی تبدیل می‌کند.

محدودیت‌های استفاده از تصاویر ماهواره‌ای در علم اقیانوس‌ها و دریاها

با وجود مزایای فراوان سنجش از دور در مطالعات اقیانوسی، استفاده از تصاویر ماهواره‌ای با محدودیت‌هایی نیز همراه است که لازم است در تحلیل‌ها و تفسیر داده‌ها مدنظر قرار گیرد.
یکی از مهم‌ترین محدودیت‌ها، وابستگی برخی سنسورها به شرایط جوی و نوری است. به‌ویژه در سنجش اپتیکی، وجود ابر، مه، غبار یا باران می‌تواند باعث کاهش دقت داده‌ها یا حتی عدم دستیابی به تصویر مناسب شود. در مناطق استوایی و مناطق با رطوبت بالا، این مسئله به یک چالش جدی تبدیل می‌شود. همچنین، سنجش‌های نوری در شب کارایی ندارند و در نتیجه، امکان پایش ۲۴ ساعته فراهم نیست.
از دیگر چالش‌ها، رزولوشن مکانی و زمانی محدود برخی ماهواره‌ها است. برخی از سنسورها تصاویر با وضوح پایین تولید می‌کنند که برای تحلیل‌های دقیق محلی یا بررسی تغییرات جزئی کافی نیستند. همچنین، فاصله زمانی بین عبور ماهواره‌ها از یک منطقه مشخص می‌تواند موجب از دست رفتن برخی پدیده‌های کوتاه‌مدت یا لحظه‌ای شود.
داده‌های ماهواره‌ای نیاز به پردازش پیچیده دارند. تصاویر خام ماهواره‌ای اغلب برای استفاده مستقیم مناسب نیستند و باید مراحل مختلفی مانند تصحیح هندسی، تصحیح اتمسفری، کالیبراسیون، و تفسیر تخصصی روی آن‌ها انجام شود. این فرآیند نیازمند دانش فنی، نرم‌افزارهای تخصصی و زمان نسبتاً طولانی است که ممکن است برای برخی پروژه‌ها محدودیت ایجاد کند.
همچنین، برخی متغیرهای اقیانوسی مانند عمق آب، ترکیب شیمیایی عمقی یا جریان‌های زیرسطحی مستقیماً از طریق سنجش از دور قابل اندازه‌گیری نیستند. برای چنین داده‌هایی همچنان به نمونه‌برداری میدانی یا استفاده از تجهیزات در محل نیاز است.
در نهایت، هزینه خرید داده‌های با کیفیت بالا از برخی ماهواره‌های تجاری، یکی دیگر از محدودیت‌ها به‌ویژه برای پژوهشگران مستقل یا کشورهای با منابع محدود است. هرچند بسیاری از داده‌های ماهواره‌ای آزاد هستند، اما برای کاربردهای خاص یا تحلیل‌های با دقت بالا، گاهی نیاز به داده‌های تجاری وجود دارد.

پرکاربردترین سنجنده‌ها در مطالعات اقیانوس‌ها و دریاها

در دهه‌های اخیر، استفاده از سنجنده‌های ماهواره‌ای در مطالعات اقیانوس‌شناسی به طرز چشمگیری افزایش یافته است. هر سنجنده با توجه به نوع داده‌ای که ثبت می‌کند، می‌تواند برای بررسی یک یا چند پارامتر محیطی مورد استفاده قرار گیرد. در این بخش، برخی از پرکاربردترین سنجنده‌ها که در پایش محیط‌های دریایی و اقیانوسی نقش کلیدی ایفا می‌کنند معرفی می‌شوند.

1. MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)

سنجنده MODIS که بر روی ماهواره‌های Terra و Aqua نصب شده، یکی از پرکاربردترین ابزارها در علوم زمین است. این سنجنده اطلاعات مربوط به دمای سطح دریا (SST)، غلظت کلروفیل، رنگ آب، شفافیت، و پدیده‌های زیستی را با وضوح زمانی بالا ارائه می‌دهد. داده‌های MODIS به دلیل رایگان بودن و پوشش وسیع زمانی و مکانی، در بسیاری از مطالعات اقیانوسی استفاده می‌شوند.

2. SeaWiFS (Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor)

سنجنده SeaWiFS در حوزه اقیانوس‌نگاری زیستی بسیار مؤثر بوده است. این سنجنده تمرکز اصلی‌اش بر پایش رنگ اقیانوس و اندازه‌گیری غلظت کلروفیل برای بررسی فیتوپلانکتون‌ها و تولید اولیه در دریاها بود. اگرچه مأموریت آن در سال ۲۰۱۰ به پایان رسید، اما داده‌های آرشیوی آن همچنان منبع ارزشمندی برای تحلیل‌های تاریخی هستند.

3. AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)

این سنجنده که از دهه ۱۹۸۰ روی ماهواره‌های NOAA نصب شده، یکی از منابع مهم برای داده‌های بلندمدت دمای سطح دریاست. AVHRR نقش بسیار مهمی در مانیتورینگ تغییرات اقلیمی، روند گرمایش سطح اقیانوس‌ها و پدیده‌هایی نظیر النینو داشته است.

4. Sentinel-3 OLCI و SLSTR

در برنامه Copernicus متعلق به اتحادیه اروپا، ماهواره Sentinel-3 با دو سنجنده مهم OLCI (برای پایش اپتیکی مانند کلروفیل) و SLSTR (برای سنجش حرارتی و SST) تجهیز شده است. این سنجنده‌ها با دقت و وضوح بالا، اطلاعات حیاتی برای پایش مستمر و هماهنگ سطح اقیانوس‌ها فراهم می‌کنند و به‌ویژه در تحقیقات اروپایی نقش فعالی دارند.

5. SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity)

سنجنده SMOS برای اندازه‌گیری شوری سطح اقیانوس و رطوبت خاک طراحی شده است. اطلاعات شوری، برای درک بهتر چرخه آب، تبادل انرژی بین دریا و جو، و مدل‌سازی جریان‌های اقیانوسی بسیار اهمیت دارد.

6. altimeter‌ها مانند Jason-3 و TOPEX/Poseidon

سنجنده‌های راداری ارتفاع‌سنج که بر روی ماهواره‌هایی مانند Jason و TOPEX نصب شده‌اند، با دقت بالا ارتفاع سطح دریا را اندازه‌گیری می‌کنند. این داده‌ها برای بررسی جریانات سطحی، بالا آمدن سطح دریا، و مدل‌سازی دینامیک اقیانوس‌ها حیاتی هستند.

7. SAR (Synthetic Aperture Radar)

سنجنده‌های تصویربرداری راداری، مانند Sentinel-1 یا RADARSAT، توانایی ثبت تصاویر در هر شرایط آب‌وهوایی و در شب را دارند. این سنجنده‌ها برای شناسایی لکه‌های نفتی، یخ‌های دریایی، ساختار سطح دریا، و آشکارسازی کشتی‌ها کاربرد دارند.

8. SWOT (Surface Water and Ocean Topography)

ماهواره SWOT، مأموریتی مشترک از سوی ناسا، CNES فرانسه، آژانس فضایی کانادا و بریتانیا است که در سال 2022 پرتاب شد و به عنوان نسل جدید ماهواره‌های راداری ارتفاع‌سنج شناخته می‌شود. این ماهواره برای نخستین‌بار، قادر است با دقت بسیار بالا توپوگرافی سطح آب‌های آزاد (اقیانوس‌ها) و همچنین آب‌های داخلی (مانند دریاچه‌ها و رودخانه‌ها) را به‌صورت دو‌بعدی اندازه‌گیری کند. SWOT از تکنولوژی رادار تداخل‌سنجی (Ka-band Radar Interferometry) استفاده می‌کند و قادر است جریان‌های ریز مقیاس، جزر و مد، و تغییرات سطحی دریا را در ابعاد بسیار کوچک (تا حدود 10 کیلومتر) آشکار کند. این ویژگی باعث می‌شود SWOT تحولی بزرگ در پایش دینامیک اقیانوس‌ها، مدل‌سازی جریان‌ها و بررسی اثرات تغییرات اقلیمی در سطح جهانی ایجاد کند.

9. Landsat (خصوصاً سنجنده‌های حرارتی)

ماهواره‌های سری Landsat که از دهه ۱۹۷۰ تاکنون به‌طور پیوسته داده فراهم می‌کنند، ابزار بسیار ارزشمندی در پایش تغییرات محیطی از جمله سطح آب‌ها هستند. یکی از مهم‌ترین توانمندی‌های این ماهواره‌ها، به‌ویژه در نسخه‌های Landsat 5، 7 و 8، ثبت دمای سطح آب (Sea Surface Temperature – SST) از طریق سنجنده‌های حرارتی مانند Thermal Infrared Sensor (TIRS) است. این داده‌ها برای بررسی الگوهای دمایی، شناسایی جریان‌های گرم و سرد سطحی، اثرات پدیده‌هایی مانند النینو و روندهای بلندمدت گرمایش آب‌ها استفاده می‌شوند. ترکیب وضوح مکانی مناسب (30 تا 100 متر) و دسترسی طولانی‌مدت آرشیوی، داده‌های Landsat را به یکی از منابع کلیدی در مطالعات بلندمدت دمایی اقیانوس‌ها و دریاچه‌ها تبدیل کرده است.