ماهواره نثار؛ ماموریت مشترک ناسا و هند برای بررسی تغییرات زمین

ماهواره NISAR با استفاده از جدیدترین تکنیک‌های سنجش از دور به بررسی کوچک‌ترین تغییرات پیوسته در پدیده‌های سطح زمین می‌پردازد.

«ماهواره دهانه ترکیبی NASA-ISRO» یا به‌اختصار ماهواره NISAR، یک مأموریت راداری میان‌رشته‌ای است که در آن تغییرات سطح زمین و دلایل آن اندازه‌گیری و مطالعه می‌شود. NISAR یک مأموریت مشترک میان ناسا و سازمان پژوهش‌های فضایی هند (ISRO) است و طبق برنامه، سال ۲۰۲۴ به مدار زمین پرتاب خواهد شد.

طرح کلی مأموریت ماهواره NISAR

NISAR اولین ماهواره‌ای است که در دو باند فرکانس مایکروویو اطلاعات جمع‌آوری می‌کند. این دو باند عبارتند از: باند L (فرکانس ۱ تا ۲ گیگاهرتز) و باند S (فرکانس ۲ تا ۴ گیگاهرتز). جمع‌آوری داده در این دو بازه فرکانسی اطلاعاتی ارزشمند از فرآیندهای درحال رخ‌دادن در سطح زمین ارائه می‌دهد. این فرآیندها عبارتند از نرخ جریان یخچال‌های طبیعی و صفحات یخ تا دینامیک زلزله‌ها و آتشفشان‌ها. نیسار می‌تواند این پدیده‌ها را با دقت چند سانتی‌متر تشخیص داده و پیگیری کند.

پس از انجام چند گردش در مدار زمین، داده‌های رادار می‌توانند تغییرات زمین‌های کشاورزی و مناطق حساس را نیز پایش کنند. تصاویر هم‌زمان جزئی و گسترده هستند. این یعنی دانشمندان می‌توانند هم تغییرات محلی و هم روندهای منطقه‌‌ای را به‌صورت کمی و کیفی بررسی کنند.

طبق اعلام ناسا، این مأموریت حداقل سه سال در باند L ادامه دارد. ISRO نیز ملزم کرده است که NISAR حداقل پنج سال در باند S مناطق مشخصی را در هند، اقیانوس‌های آن و جنوبگان تحت نظر بگیرد. به این ترتیب، دانشمندان می‌توانند با استفاده از این داده‌ها علل و آثار تغییرات سطح زمین را دقیق‌تر مطالعه کنند. این اطلاعات می‌تواند توانایی انسان‌ها را برای مدیریت منابع و آمادگی برای مقابله با تغییر اقلیم را افزایش دهد.

این مأموریت درصورت موفقیت سال‌های بیشتری را نیز به فعالیت خود ادامه خواهد داد. داده‌های هر دو باند S و L به‌صورت عمومی و رایگان در دسترس مردم قرار خواهند گرفت.

SAR چیست؟

ماهواره دهانه ترکیبی یا SAR یک تکنیک نسبتاً جدید و پیچیده برای سنجش از راه دور است. این تکنیک از نوع فعال است؛ یعنی سنسور خودش انرژی لازم برای سنجش را تولید و سپس میزان انرژی بازگشتی از سطح زمین را ثبت می‌کند. پس SAR نوعی از داده‌ها را فراهم می‌کند که با هرکدام از ساختارها و خصوصیات سطح زمین (مانند رطوبت) تعامل منحصربه‌فرد برقرار می‌کند.

قدرت تفکیک داده‌های فضایی ماهواره مستقیماً به نسبت طول موج سنسور و به طول آنتن سنسور بستگی دارد. درنتیجه، هرچقدر آنتن بزرگ‌تر باشد، قدرت تفکیک تصویر بالاتر می‌رود. درحقیقت در یک ماهواره فضایی، برای کسب یک قدرت تفکیک بالا (در حد چند متر) شاید به یک آنتن به‌طول چند کیلومتر نیاز باشد!

از آن‌جا که نصب چنین آنتنی روی یک ماهواره ممکن نیست، دانشمندان از دهانه ترکیبی استفاده می‌کنند. در این روش، مجموعه‌ای از آنتن‌های کوچک‌تر به‌گونه‌ای ترکیب می‌شوند که عملکردی شبیه به یک آنتن بسیار بلند داشته باشند. به این ترتیب، قدرت تفکیک داده‌ها بالاتر می‌رود.

ماهواره NISAR می‌تواند با استفاده از داده‌های باند S نوع پوشش گیاهی و کاربری اراضی کشاورزی را با دقت زیرنظر بگیرد. از طرف دیگر، داده‌های باند L می‌تواند در پایش زمین‌شناختی، زیست‌توده و همچنین پوشش گیاهی کاربرد داشته باشد.

یکی از خصوصیات ابزار باند L قدرت نفوذ آن است. یک سیگنال باند L، با طول موج میانگین ۲۳ سانتی‌متر، می‌تواند درون شاخه‌های انبوه درخت‌های جنگل‌ها نفوذ و با زمین تعامل برقرار کند.

این طول موج حتی می‌تواند درون لایه‌های خاک و یخ نیز نفوذ کند. جالب است که ماهواره‌ SAR باعث ایجاد یک شاخه علمی به‌نام «باستان‌شناسی فضایی» شده‌ است. در این شاخه دانشمندان از داده‌های SAR استفاده می‌کنند تا شهرها و سازه‌های باستانی دفن‌شده زیر پوشش‌های گیاهی متراکم و بیابان‌ها را کشف کنند.

مدار ماهواره NISAR

NISAR از «مرکز فضایی ساتیش داوان» (Satish Dhawan) از جزیره «سری‌هاری‌کوتا» در هند به مدار زمین پرتاب خواهد شد. ارتفاع این ماهواره از سطح زمین ۷۴۷ کیلومتر و مدار آن از نوع مدار نزدیک-قطبی خواهد بود؛ یعنی زاویه‌ای تقریباً ۹۰ درجه‌ای با استوا می‌سازد (به‌طور دقیق، ۹۸.۴ درجه).

یکی از خصوصیات این نوع مدار این است که به ماهواره اجازه می‌دهد دقیقاً در ساعاتی مشابه از روی هر منطقه عبور کند. به این ترتیب، امکان مقایسه‌ای دقیق‌تر فراهم خواهد شد.

سیگنال‌های ماهواره می‌توانند از دل ابرها عبور کنند؛ پس ماهواره نیسار می‌تواند در هر زمانی از شبانه‌روز و در هر آب‌وهوایی به جمع‌آوری داده‌ بپردازد. پهنای هر تصویر این ماهواره حداقل ۲۴۰ کیلومتر است که به ماهواره اجازه می‌دهد در دوره‌های ۱۲ روزه با ۱۷۳ گردش از تمام سطح زمین تصویربرداری کند.

داده‌های مأموریت NISAR

هرکدام از سازمان‌های ناسا و ISRO الزاماتی را برای داده‌هایی که قرار است ماهواره نیسار جمع‌آوری کند، تعیین کرده‌اند. بخش عمده‌ای از این داده‌ها مربوط به پدیده‌هایی روی سطح زمین است که حرکت آن‌ها در بررسی‌های مربوط به تغییر اقلیم نقشی اساسی دارند.

NISAR خواهد توانست در بازه‌های زمانی ۱۲ تا ۶۰ روزه، تصاویری با قدرت تفکیک ۱۰۰ متر تهیه کند که در مقیاسی کمتر از ۵۰ کیلومتر، جابه‌جایی‌ها را با دقت ۳.۵ میلی‌متر یا کمتر نشان می‌دهد.

زمین‌هایی که چنین داده‌هایی از آن‌ها جمع‌آوری می‌شود عبارتند از تمام نواحی که سرعت نسبی حرکت آن‌ها بیشتر از ۱ میلی‌متر در سال است؛ آتشفشان‌های شناخته‌شده بالاتر از سطح آب؛ نواحی با تغییرات سریع توده‌های یخچالی؛ نقاط منتخب دارای سفره‌های آب زیرزمینی، مخازن هیدروکربن و زمین‌گرمایی، مکان‌های ذخیره دی‌اکسیدکربن، نواحی درمعرض زمین‌لغزش و مناطق زلزله و دیگر فجایع طبیعی.

جابه‌جایی‌های سطوح پوشیده از یخ با دقت ۱۰۰ میلی‌متر و تعیین سرعت یخ‌های شمالگان و جنوبگان با دقت ۱۰۰ میلی‌متر بر روز از دیگر داده‌هایی هستند که جمع‌آوری خواهند شد.

مأموریت نیسار داده‌های مربوط به پوشش گیاهی و نابودی یا احیای آن و نواحی تحت کشت و سیل‌زده در هر فصل را نیز جمع‌آوری می‌کند.

جمع‌آوری داده‌های مربوط به سرعت باد ساحلی در سواحل هند، عمق‌سنجی آب‌های سواحل هند با عمق کمتر از ۲۰ متر و موقعیت‌سنجی خطوط ساحلی هند نیز از وظایف دیگر این ماهواره است. تصویربرداری از پدیده‌های زمین‌شناختی منتخب در هند و پایش ایستگاه‌های این کشور در قطب‌های شمال و جنوب نیز از دیگر برنامه‌های ISRO هستند.

نتایج علمی مأموریت NISAR

همان‌طور که اشاره شد، نیسار داده‌های زمانی دقیق، جزئی و قابل‌اطمینانی فراهم می‌آورد که با استفاده از آن‌ها می‌توان تغییرات زمین را به‌شیوه‌ای منحصربه‌فرد کاوش کرد. نتایج علمی که انتظار می‌رود از داده‌های این مأموریت حاصل شوند، از قرار زیر هستند:

• ارزیابی جامع حرکات در مرز صفحات زمین، شناسایی نواحی دچار تنش بالا و ثبت آثار صدها زلزله برای فهم بهتر مکانیسم گسل‌ها
• فهرست کامل آتشفشان‌های زمین، وضع فعالیت و ریسک هرکدام از آن‌ها
• ارزیابی جامع زیست‌توده‌ها و ارزیابی مداخله‌های انسانی در سطح جهان، تغییرات کشاورزی و پویایی تالاب‌ها به‌منظور ساخت مدل‌های دقیق‌تر زمانی و مکانی از میزان کربن در زمین
• ترکیب داده‌های زیست‌توده جهانی با داده‌های ماهواره‌های قبلی مانند GEDI برای ساخت مدل‌های مقدار کربن در مقیاس‌های زمانی بلندمدت
• ارزیابی کامل وضعیت سرعت صفحات یخ گرینلند و قطب جنوب در هر ماه به‌عنوان اطلاعات مرزی کلیدی برای مدل‌های صفحات یخ
• ارزیابی منظم پویاترین یخچال‌های کوهستانی جهان
• نقشه‌برداری جامع از حرکت و تغییرشکل صفحات یخ و در نتیجه بهبود فهم ما از تعاملات اقیانوس-اتمسفر در قطب‌ها
• کاربردهایی مانند پایش زیرساخت‌ها، کشاورزی و جنگل‌داری، واکنش به فجایع، بهره‌برداری از سفره‌های آب زیرزمینی و کشتیرانی

حوزه‌های تحقیقاتی NISAR

ماهواره NISAR نیازهای رشته‌های مرتبط با سه حوزه زمین سخت، اکوسیستم‌ها و یخ‌کره را فراهم می‌کند.

فرایندهای زمین سخت به هرنوع پدیده‌ای در خشکی‌های زمین اشاره دارد. این پدیده‌ها عبارتند از زمین‌لرزه‌ها، آتشفشان‌ها و زمین‌لغزش‌ها. نیسار می‌تواند حرکات و تغییرشکل‌های زمین بر اثر این وقایع و بزرگی هرکدام از آن‌ها را اندازه‌گیری کند.

در وهله اول این داده‌ها به فهم بهتر این وقایع و مکانیسم‌های آن‌ها منجر می‌شوند. اما در سطحی بنیادی‌تر، NISAR می‌تواند تمام وقایع پویای پیش از این فجایع را ثبت کند. به این ترتیب، دانشمندان می‌توانند با استفاده از این داده‌ها به توسعه روش‌هایی برای پیش‌بینی زمان و بزرگی این فجایع بپردازند و شهرها و جوامع انسانی برای مقابله با ریسک و عواقب این پدیده‌ها آماده‌تر شوند.

در حوزه اکوسیستم، NISAR به مطالعات زیست‌کره، دخالت انسان‌ها در محیط‌زیست، کشاورزی و سیلاب کمک می‌کند. با افزایش جمعیت و دخالت انسان در طبیعت، فشار روی اکوسیستم‌ها به‌منظور تهیه غذا و سرپناه افزایش می‌یابد. دانشمندان می‌توانند با استفاده از داده‌های نیسار به مطالعه آثار متقابل اکوسیستم‌های طبیعی و روش‌های مدیریت منابع بپردازند.

همچنین با استفاده از داده‌های NISAR می‌توان به این پرسش بسیار مهم پاسخ داد: تغییر اقلیم استفاده از زمین در جنگل‌ها، تالاب‌ها و نواحی کشاورزی روی چرخه کربن و زیستگاه‌های گونه‌های جانوران و گیاهان تأثیر می‌گذارد؟

در حوزه یخ‌کره، دانشمندان روی صفحات یخ قطبی، یخچال‌های طبیعی و یخ‌های دریا مطالعه می‌کنند. ارتباط یخ‌های زمین با اقلیم جهانی و سطح دریاها یکی از مهم‌ترین موضوعات در این حوزه هستند.

داده‌های ماهواره نیسار دانشمندان را قادر می‌سازد تا جدایی تکه‌های بزرگ یخ از گرینلند و غرب جنوبگان و سرعت این تغییرات را پیش‌بینی کنند. پیش‌بینی الگوهای زمانی افزایش سطح دریاها، نحوه تغییر یخچال‌های کوهستانی و یخ کوه‌ها در واکنش به تغییر اقلیم، و سرعت ذوب‌شدن یخ‌های قطبی در تابستان‌ها از دیگر موضوعاتی هستند که داده‌های NISAR پوشش می‌دهند.