مقياس التشتت

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

مقياس التشتت أو مقياس الانتشار هو أداة علمية لقياس ارتداد شعاع ضوئي أو موجات رادار متشتتة بفعل الانتشار في وسط مثل الهواء. تُستخدم مقاييس الانتشار التي تعمل بالضوء المرئي في المطارات وعلى طول الطرق لقياس مدى الرؤية الأفقية . أما مقاييس التشتت الرادارية فتستخدم موجات الراديو أو الموجات الميكروية لتحديد المقطع العرضي الراداري المعياري (σ₀ ، أو "سيجما صفر") لسطح ما. وغالبًا ما تُركّب هذه المقاييس على أقمار الأرصاد الجوية لتحديد سرعة الرياح واتجاهها، كما تُستخدم في الصناعات لتحليل خشونة الأسطح.

بصري

مقياس التشتت (أو مقياس الانتشار) في المطار.

تُستخدم أجهزة قياس الانتشار الضوئي في الأرصاد الجوية لتحديد المدى البصري أو مدى الرؤية الأفقية. تتكون هذه الأجهزة من مصدر ضوئي، عادةً ما يكون ليزرًا ، وجهاز استقبال. يوضع كلاهما بزاوية 35 درجة نحو الأسفل، موجهين نحو منطقة مشتركة. يُقاس التشتت الجانبي للضوء بواسطة الهواء على طول شعاع الضوء بمعامل التوهين . يُقاس أي انحراف عن معامل التوهين في الهواء الصافي (كما في الضباب)، وهو يتناسب عكسيًا مع مدى الرؤية (كلما زاد الفقد، انخفض مدى الرؤية).

تُستخدم هذه الأجهزة في محطات الأرصاد الجوية الآلية لقياس مدى الرؤية العامة، وعلى طول مدارج المطارات لقياس مدى الرؤية ، أو على طول الطرق لقياس ظروف الرؤية. ويكمن عيبها الرئيسي في أن القياس يتم على مساحة صغيرة جدًا من الهواء بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال. لذا، فإن مستوى الرؤية المُبلغ عنه لا يُمثل إلا الظروف العامة المحيطة بالجهاز في ظروف جوية عامة ( كالضباب الكثيف مثلاً). وهذا ليس هو الحال دائمًا (كالضباب المتقطع).

رادار

مقياس تشتت الرادار

يعمل مقياس التشتت الراداري عن طريق إرسال نبضة من طاقة الموجات الميكروية باتجاه سطح الأرض وقياس الطاقة المنعكسة. يتم قياس قدرة الضوضاء فقط بشكل منفصل، ثم تُطرح من قياس الإشارة والضوضاء لتحديد قدرة إشارة التشتت العكسي . تُحسب قيمة سيجما-0 (σ⁰) من قياس قدرة الإشارة باستخدام معادلة الرادار للأهداف الموزعة. تُعاير أجهزة قياس التشتت بدقة عالية جدًا لضمان دقة قياسات التشتت العكسي.

يُعدّ قياس الرياح القريبة من سطح المحيط التطبيقَ الرئيسيّ لتقنية قياس التشتت الراداريّ الفضائيّ . [ 1 ] تُعرف هذه الأجهزة باسم مقاييس تشتت الرياح. ومن خلال دمج قياسات سيجما-0 من زوايا سمت مختلفة، يُمكن تحديد متجه الرياح القريبة من سطح المحيط باستخدام دالة نموذج جيوفيزيائي (GMF) تربط بين الرياح والتشتت الراداريّ. فوق المحيط، ينتج التشتت الراداريّ عن تشتت موجات الجاذبية الشعرية الناتجة عن الرياح، والتي تكون عادةً في حالة توازن مع الرياح القريبة من سطح المحيط. تُعرف آلية التشتت هذه باسم تشتت براغ ، والذي يحدث من الموجات التي تكون في حالة رنين مع الموجات الميكروية.

تعتمد القدرة المرتدة على سرعة الرياح واتجاهها. ويتغير مقدار الارتداد المرصود من هذه الأمواج عند النظر إليها من زوايا سمتية مختلفة. ويمكن استغلال هذه الاختلافات لتقدير سرعة الرياح على سطح البحر واتجاهها. تُسمى عملية التقدير هذه أحيانًا " استخلاص الرياح" أو " عكس دالة النموذج" . وهي عملية عكس غير خطية تعتمد على معرفة دقيقة لدالة المجال المغناطيسي الأرضي ( بصيغة تجريبية أو شبه تجريبية) التي تربط بين الارتداد المقيس بواسطة مقياس التشتت واتجاه الرياح. ويتطلب الاستخلاص قياسات متنوعة الزاوية باستخدام مقياس التشتت مع دالة المجال المغناطيسي الأرضي، والتي يوفرها مقياس التشتت من خلال إجراء عدة قياسات للارتداد لنفس البقعة على سطح المحيط من زوايا سمتية مختلفة.

لقطة لإعصار سوليك أثناء بلوغه شدة الفئة الرابعة، التقطها جهاز ASCAT (مقياس التشتت المتقدم) التابع لـ Eumetsat على متن القمر الصناعي Metop -A

تُستخدم قياسات الرياح باستخدام مقياس التشتت لدراسة التفاعل بين الهواء والبحر، ودراسات المناخ، وهي مفيدة بشكل خاص لرصد الأعاصير . [ 2 ] تُطبَّق بيانات التشتت العكسي لمقياس التشتت في دراسة الغطاء النباتي ، ورطوبة التربة ، والجليد القطبي ، وتتبع جبال الجليد في القطب الجنوبي [ 3 ] ، والتغير المناخي العالمي . [ 4 ] استُخدمت قياسات مقياس التشتت لقياس الرياح فوق الكثبان الرملية والثلجية من الفضاء. تشمل التطبيقات غير الأرضية دراسة أقمار النظام الشمسي باستخدام المجسات الفضائية، كما هو الحال مع مهمة كاسيني التابعة لوكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية إلى زحل وأقماره.

أطلقت وكالات ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ( ESA ) ووكالة ناسدا عدة أجيال من أجهزة قياس تشتت الرياح في الفضاء . عُرف أول جهاز قياس تشتت رياح تشغيلي باسم جهاز Seasat Scatterometer (SASS) وأُطلق عام 1978. [ 5 ] كان نظامًا شعاعيًا مروحيًا يعمل بتردد Ku (14 جيجاهرتز  ). في عام 1991، أطلقت وكالة الفضاء الأوروبية جهاز قياس تشتت الموجات الدقيقة المتقدم (AMI) التابع للقمر الصناعي الأوروبي للاستشعار عن بُعد ERS-1، [ 6 ] تبعه جهاز ERS-2 AMI في عام 1995. عمل كلا نظامي AMI الشعاعيين المروحيين بتردد C (5.6  جيجاهرتز). في عام 1996، أطلقت ناسا جهاز NASA Scatterometer (NSCAT) على متن القمر الصناعي NASDA ADEOS I ، [ 1 ] وهو نظام شعاعي مروحي يعمل بتردد Ku. [ 7 ] أطلقت ناسا أول جهاز قياس تشتت ماسح ضوئي، يُعرف باسم SeaWinds ، على متن القمر الصناعي QuikSCAT عام 1999. عمل هذا الجهاز بتردد Ku. تم إطلاق جهاز SeaWinds ثانٍ على متن القمر الصناعي NASDA ADEOS-2 في عام 2002. وأطلقت منظمة أبحاث الفضاء الهندية مقياس تشتت بنطاق Ku على منصة Oceansat-2 في عام 2009. وأطلقت وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) والمنظمة الأوروبية لاستغلال الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية (EUMETSAT ) أول جهاز ASCAT بنطاق C في عام 2006 على متن القمر الصناعي Metop -A. [ 8 ] أما نظام Cyclone العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية (CYGNSS)، الذي أُطلق في عام 2016، فهو عبارة عن كوكبة من ثمانية أقمار صناعية صغيرة تستخدم نهجًا ثنائي الاستقرار من خلال تحليل انعكاس إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من سطح الأرض ، بدلاً من استخدام جهاز إرسال رادار على متنها.

المساهمة في علم النبات

ساعدت أجهزة قياس التشتت في إثبات الفرضية التي تعود إلى منتصف القرن التاسع عشر، والمتعلقة بالتشتت غير المتجانس (الذي يعتمد على الاتجاه) لمسافات طويلة بواسطة الرياح لتفسير التقارب النباتي القوي بين الكتل الأرضية.

استخدمت دراسة نُشرت في مجلة ساينس في مايو 2004 بعنوان "الرياح كوسيلة انتشار لمسافات طويلة في نصف الكرة الجنوبي" قياسات يومية لاتجاه الرياح وسرعتها تم أخذها بواسطة مقياس التشتت SeaWinds من عام 1999 إلى عام 2003. ووجد الباحثون ارتباطًا أقوى بين أوجه التشابه النباتية والترابط مع الرياح مقارنة بالتقارب الجغرافي، مما يدعم فكرة أن الرياح وسيلة انتشار للعديد من الكائنات الحية في نصف الكرة الجنوبي.

أشباه الموصلات والتصنيع الدقيق

تُستخدم مقاييس التشتت على نطاق واسع في علم القياس لقياس خشونة الأسطح المصقولة والمُشذبة في الصناعات البصرية (أي قياس التشتت المتكامل الكلي الذي طوره الدكتور جان إم. بينيت وزملاؤه [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] )، وأشباه الموصلات، والتشغيل الدقيق. [ 13 ] وهي توفر بديلاً سريعًا وغير تلامسي لطرق القلم التقليدية لتقييم التضاريس. [ 14 ] [ 15 ] تتوافق مقاييس التشتت مع بيئات الفراغ، وهي غير حساسة للاهتزازات، ويمكن دمجها بسهولة مع معالجة الأسطح وأدوات القياس الأخرى. [ 16 ]

الاستخدامات

رسم توضيحي لموقع جهاز ISS-RapidScat على متن محطة الفضاء الدولية

أمثلة على الاستخدام على أقمار مراقبة الأرض أو الأجهزة المثبتة، وتواريخ التشغيل: [ 17 ]

مراجع

  1. 1 2 ف. نادري؛ م. هـ. فريليش ود. ج. لونغ (يونيو 1991). "قياس سرعة الرياح فوق المحيط بواسطة الرادار الفضائي - نظرة عامة على نظام مقياس التشتت NSCAT" . وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 79 (6): 850-866 . doi : 10.1109/5.90163 .
  2. ↑ بي إس تشانغ، زد. جيليناك، جيه إم سينكيويتش، آر. كناب، إم جيه برينان، دي جي لونغ، وإم فريبيرغ. الاستخدام التشغيلي وتأثير رياح سطح المحيط المستشعرة عن بعد بالأقمار الصناعية في بيئة الإنذار والتنبؤ البحري، علم المحيطات ، المجلد 22، العدد 2، الصفحات 194-207، 2009.
  3. ↑ KM Stuart و DG Long، تتبع الجبال الجليدية المسطحة الكبيرة باستخدام مقياس التشتت بالموجات الدقيقة من نوع SeaWinds Ku-band، أبحاث أعماق البحار الجزء الثاني ، doi : 10.1016/j.dsr2.2010.11.004 ، المجلد 58، الصفحات 1285-1300، 2011.
  4. ↑ دي جي لونغ، إم آر درينكووتر، بي هولت، إس ساتشي، وسي بيرتويا. دراسات المناخ العالمي للجليد واليابسة باستخدام بيانات صور مقياس التشتت، مجلة EOS، معاملات الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي ، المجلد 82، العدد 43، الصفحة 503، 23 أكتوبر 2001.
  5. ↑ WL Grantham، وآخرون، مقياس التشتت الفضائي SeaSat-A، مجلة IEEE للهندسة المحيطية ، المجلد OE-2، الصفحات 200-206، 1977.
  6. ↑ E. Attema, The Active Microwave Instrument Onboard the ERS-1 Satellite, Proceedings of the IEEE , 79, 6, pp. 791–799, 1991.
  7. ↑ WY Tsai, JE Graf, C. Winn, JN Huddleston, S. Dunbar, MH Freilich, FJ Wentz, DG Long, and WL Jones. Postlaunch sensor Verification and Calibration of the NASA Scatterometer, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing , Vol. 37, No. 3, pp. 1517–1542, 1999.
  8. ↑ ج. فيغا-سالدانيا، ج. ج. و. ويلسون، إ. أتيما، ر. جيلستورب، م. ر. درينكووتر، و أ. ستوفيلين. مقياس التشتت المتقدم (ASCAT) على منصة التشغيل الأرصادي (MetOp): متابعة لمقاييس تشتت الرياح الأوروبية، المجلة الكندية للاستشعار عن بعد ، المجلد 28، العدد 3، يونيو 2002.
  9. ↑ معيار ASTM F1048 لقياس خشونة السطح الفعالة للأسطح البصرية باستخدام قياس التشتت المتكامل الكلي
  10. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 3,947,127، هارولد إي. بينيت، ماريون جيه. سويلو، جيلفورد جيه. هاتشيسون، جهاز اختبار وظيفي للمكونات البصرية، صادرة في 30 مارس 1976، ومُسجلة باسم الولايات المتحدة الأمريكية ممثلة بوزير البحرية.
  11. ↑ جون إم. غيرا. "مقياس تشتت متكامل عملي بالكامل"، وقائع SPIE 1009، قياس وتوصيف السطح، 146 (21 مارس 1989)
  12. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 4,673,818، جون إم. غيرا، جهاز قياس الخشونة، الصادرة في 16 يونيو 1987، والمخصصة لشركة بولارويد.
  13. ↑ جون سي. ستوفر. مطبعة SPIE للهندسة البصرية، 1995 – العلوم – 321 صفحة.
  14. ↑ ماير، جي، وآخرون (1988) "نهج بصري جديد لمجهر القوة الذرية"، رسائل الفيزياء التطبيقية، 53، 1045-1047
  15. ↑ باوميستر، ثيودور، وآخرون (1967) الدليل القياسي لمهندسي الميكانيكا. ماكجرو هيل، LCCN 16-12915
  16. ↑ "الخشونة عبر قياس التشتت" . زيبرا أوبتيكال . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 ديسمبر 2016 .
  17. ↑ "قياس التشتت ورياح المحيط المتجهة: دراسات الأقمار الصناعية" . جامعة ولاية فلوريدا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 ديسمبر 2016 .