ملوحة سطح القمر الصناعي

يشير مصطلح ملوحة سطح الأرض عبر الأقمار الصناعية إلى قياسات ملوحة سطح الأرض التي تُجرى بواسطة أقمار الاستشعار عن بُعد . وتُستغل الخصائص الإشعاعية لسطح المحيط لتقدير ملوحة الطبقة السطحية للمياه.

يعتمد عمق عمود الماء الذي تقيسه الأقمار الصناعية لقياس ملوحة سطح الماء على تردد (أو طول موجة) الإشعاع المقاس. فعلى سبيل المثال، يبلغ العمق البصري لمياه البحر عند  تردد الميكروويف 1.413 جيجاهرتز، المستخدم في مهمة أكواريوس، حوالي 1-2  سم. ^{[ 1 ]}

كما هو الحال مع العديد من منتجات الاستشعار عن بعد السلبية عبر الأقمار الصناعية، تقيس الأقمار الصناعية ملوحة سطح الأرض من خلال قياس الإشعاع المنبعث من الغلاف الجوي والمحيطات. إذا اعتُبر الجسم الذي يُصدر الإشعاع المقاس جسمًا أسود ، فإن العلاقة بين درجة حرارة الجسم والإشعاع المقاس يمكن ربطها، عند تردد معين، من خلال دالة بلانك (أو قانون بلانك ).

${\displaystyle I_{\nu}={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{kT}}-1}}}$

أين

${\displaystyle I_{\nu }}$( الشدة أو السطوع) هي كمية الطاقة المنبعثة لكل وحدة سطح لكل وحدة زمن لكل وحدة زاوية مجسمة وفي نطاق التردد بين${\displaystyle \nu }$و${\displaystyle \nu +d\nu }$؛${\displaystyle T}$هي درجة حرارة الجسم الأسود؛${\displaystyle h}$هو ثابت بلانك ؛${\displaystyle \nu }$التردد ؛​${\displaystyle c}$هي سرعة الضوء ؛ و${\displaystyle k}$هو ثابت بولتزمان .

يمكن إعادة كتابة هذه المعادلة للتعبير عن درجة الحرارة، T ، بدلالة الإشعاع المقاس عند تردد معين. وتُعرف درجة الحرارة المستنتجة من دالة بلانك بدرجة حرارة السطوع (انظر، للاطلاع على الاشتقاق).

بالنسبة للأجسام السوداء المثالية، تُعدّ درجة حرارة السطوع هي درجة الحرارة القابلة للقياس المباشر. أما بالنسبة للأجسام في الطبيعة، والتي تُسمى غالبًا بالأجسام الرمادية، فإن درجة الحرارة الفعلية لا تُمثل سوى جزء من درجة حرارة السطوع. ويُعرف هذا الجزء من درجة حرارة السطوع إلى درجة الحرارة الفعلية بمعامل الانبعاثية . ويمكن كتابة العلاقة بين درجة حرارة السطوع ودرجة الحرارة على النحو التالي:

${\displaystyle T_{\text{b}}=eT}$

حيث T _{_b} هي درجة حرارة السطوع، وe هي معامل الانبعاث، و T هي درجة حرارة سطح مياه البحر. يصف معامل الانبعاث قدرة الجسم على إطلاق الطاقة بالإشعاع. تؤثر عدة عوامل على معامل انبعاث الماء، بما في ذلك درجة الحرارة، وزاوية الانبعاث، والطول الموجي، والتركيب الكيميائي. وقد تم نمذجة معامل انبعاث مياه البحر كدالة لدرجة حرارتها وملوحتها وتردد الطاقة الإشعاعية . ^{[ 2 ]}

أظهرت الدراسات أن قياسات درجة سطوع مياه البحر عند تردد 1.413  جيجاهرتز (النطاق L) كافية لإجراء قياسات دقيقة إلى حد معقول لملوحة سطح مياه البحر. ^{[ 3 ] [ 4 ]} ويمكن وصف انبعاثية مياه البحر بدلالة مكوناتها المستقطبة للانبعاثية كما يلي:

${\displaystyle e_{H}=1-\left[{\frac {\cos \theta -(\epsilon -\sin ^{2}\theta )^{\frac {1}{2}}}{\cos \theta +(\epsilon -\sin ^{2}\theta )^{\frac {1}{2}}}}\right]^{2}}$

${\displaystyle e_{V}=1-\left[{\frac {\epsilon \cos \theta -(\epsilon -\sin ^{2}\theta )^{\frac {1}{2}}}{\epsilon \cos \theta +(\epsilon -\sin ^{2}\theta )^{\frac {1}{2}}}}\right]^{2}}$

تخضع المعادلات المذكورة أعلاه لمعادلات فرينل ، وزاوية رؤية الجهاز من نقطة السمت θ ، ومعامل العزل الكهربائي ε . ^{[ 4 ]} يمكن تجهيز أجهزة قياس الإشعاع الميكروي لقياس المكونات الرأسية والأفقية لدرجة حرارة سطوع مياه البحر السطحية، والتي ترتبط بالمكونات الأفقية والرأسية للانبعاثية كما يلي:

${\displaystyle T_{\text{bH}}=e_{\text{H}}T}$

${\displaystyle T_{\text{bV}}=e_{\text{V}}T}$،

أين${\displaystyle T_{\text{b}}}$يشير إلى درجة حرارة السطوع و${\displaystyle T}$هي ببساطة درجة حرارة مياه سطح البحر. وبما أن زاوية الرؤية من نقطة السمت تُحدد عادةً بواسطة جهاز الاستشعار عن بُعد، فإن قياسات المكونات المستقطبة لدرجة حرارة السطوع يمكن ربطها بدرجة حرارة مياه سطح البحر ومعامل العزل الكهربائي.

طُرحت عدة نماذج لتقدير ثابت العزل الكهربائي لمياه البحر بمعلومية ملوحتها ودرجة حرارتها. ^{[ 3 ] [ 5 ]} يُعد نموذج "كلاين وسويفت" للعزل الكهربائي نموذجًا شائعًا ومُختبرًا جيدًا يُستخدم لحساب معامل العزل الكهربائي لمياه البحر عند ملوحة ودرجة حرارة وتردد مُحددين. يعتمد نموذج كلاين وسويفت على معادلة ديباي ويُطابق مع القياسات المختبرية لمعامل العزل الكهربائي. ^{[ 1 ]} باستخدام هذا النموذج، إذا كانت درجة حرارة مياه البحر معروفة من مصادر خارجية، فيمكن استخدام قياسات درجة حرارة السطوع لحساب ملوحة مياه سطح البحر مباشرةً. يُظهر الشكل 1 مثالًا لمنحنيات درجة حرارة السطوع المرتبطة بملوحة سطح البحر، كدالة لدرجة حرارة سطح البحر .

عند النظر إلى المكونات المستقطبة لدرجة حرارة السطوع، يختلف مدى اتساع منحنيات درجة حرارة السطوع باختلاف المكون. يُظهر المكون الرأسي لدرجة حرارة السطوع اتساعًا أكبر في منحنيات الملوحة الثابتة مقارنةً بالمكون الأفقي. ^{[ 1 ]} وهذا يعني حساسية أكبر للملوحة في المكون الرأسي لدرجة حرارة السطوع مقارنةً بالمكون الأفقي.

هناك العديد من مصادر الخطأ المرتبطة بقياسات ملوحة سطح البحر: ^{[ 6 ]}

• مقياس الإشعاع
• هوائي
• توجيه النظام
• خشونة (سطح البحر)
• الطاقة الشمسية
• مجرة
• المطر (إجمالي المياه السائلة)
• الغلاف الأيوني
• الغلاف الجوي (أخرى)
• درجة حرارة سطح البحر
• كسب الهوائي بالقرب من اليابسة والجليد
• دالة النموذج

تنشأ معظم مصادر الخطأ المذكورة سابقًا إما من أخطاء قياسية في الأجهزة (الهوائي، توجيه النظام، إلخ) أو من التشويش الناتج عن إشارات القياس من مصادر خارجية (الشمسية، المجرية، إلخ). مع ذلك، يُعدّ تأثير خشونة سطح المحيط المصدر الأكبر للخطأ. ^{[ 6 ]} إذ يميل سطح المحيط الخشن إلى التسبب في زيادة درجة حرارة السطوع المقاسة ^{[ 7 ]} نتيجةً لتأثيرات التشتت المتعدد والتظليل. ^{[ 8 ]} لذا، يُعدّ تحديد تأثير خشونة سطح المحيط على درجة حرارة السطوع المقاسة أمرًا بالغ الأهمية لإجراء قياس دقيق. تستخدم بعض الأجهزة مقاييس تشتت الرادار لقياس خشونة السطح، وذلك لمراعاة هذا المصدر من الخطأ. ^{[ 6 ]}

• قمر صناعي لقياس رطوبة التربة وملوحة المحيط
• برج الدلو (جهاز SAC-D)