تركيز الجليد البحري

تعتمد القياسات التي تُجرى من السفن والطائرات على حساب المساحة النسبية للجليد مقابل الماء المرئي في المشهد. ويمكن القيام بذلك باستخدام الصور أو بالعين المجردة. وتُستخدم القياسات الميدانية للتحقق من صحة قياسات الاستشعار عن بُعد.

تتميز كل من أجهزة الرادار ذات الفتحة التركيبية وأجهزة الاستشعار المرئية (مثل لاندسات ) بدقة عالية كافية لتصنيف كل بكسل ببساطة على أنه نوع سطح مميز، أي ماء مقابل جليد. ويمكن تحديد التركيز عن طريق عدّ عدد بكسلات الجليد في منطقة معينة، وهو أمر مفيد للتحقق من صحة تقديرات التركيز من أجهزة ذات دقة أقل مثل مقاييس الإشعاع الميكروي. ولأن صور الرادار ذي الفتحة التركيبية عادةً ما تكون أحادية اللون، ولأن ارتداد الجليد قد يختلف اختلافًا كبيرًا، يتم التصنيف عادةً بناءً على النسيج باستخدام مجموعات من البكسلات - انظر التعرف على الأنماط .

تعاني أجهزة الاستشعار المرئية من عيب حساسيتها الشديدة للأحوال الجوية، حيث تحجب الغيوم الصور، بينما تتميز أجهزة استشعار الرادار ذي الفتحة التركيبية (SAR)، وخاصة في أوضاع الدقة العالية، بتغطية محدودة وتتطلب توجيهًا دقيقًا. لهذا السبب، غالبًا ما يكون جهاز استشعار الميكروويف السلبي هو الأداة المُفضلة لتحديد تركيز الجليد. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

جميع الأجسام الدافئة تُصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا: انظر الإشعاع الحراري . وبما أن الأجسام المختلفة تُصدر إشعاعًا مختلفًا بترددات مختلفة، فغالبًا ما يُمكننا تحديد نوع الجسم الذي ندرسه بناءً على إشعاعه المنبعث - انظر التحليل الطيفي . هذا المبدأ هو أساس جميع أجهزة استشعار الموجات الميكروية السلبية ومعظم أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء السلبية. يُستخدم مصطلح "سلبي" بمعنى أن المستشعر يقيس فقط الإشعاع المنبعث من أجسام أخرى دون أن يُصدر أي إشعاع خاص به. (على النقيض من ذلك، فإن مستشعر الرادار ذي الفتحة التركيبية (SAR ) نشط ). تم استخدام مقياسي الإشعاع SSMR و SSMI في برنامج نيمبوس وسلسلة أقمار DMSP الصناعية.

نظرًا لأن السحب شبه شفافة في نطاق الموجات الميكروية، وخاصة عند الترددات المنخفضة، فإن أجهزة قياس الإشعاع الميكروي لا تتأثر كثيرًا بالطقس. وبما أن معظم هذه الأجهزة تعمل في مدار قطبي بمسح واسع النطاق، فإنه يمكن عادةً الحصول على خرائط جليدية كاملة للمناطق القطبية التي تتداخل فيها مسارات المسح بشكل كبير في غضون يوم واحد. ويأتي هذا التردد والموثوقية على حساب دقة منخفضة: إذ يتناسب مجال الرؤية الزاوي للهوائي طرديًا مع الطول الموجي وعكسيًا مع مساحة الفتحة الفعالة . لذا، نحتاج إلى طبق عاكس كبير للتعويض عن التردد المنخفض. ^{[ 1 ]}

تعتمد معظم خوارزميات قياس تركيز الجليد باستخدام قياس الإشعاع الميكروي على ملاحظتين أساسيتين: 1. أن أنواع الأسطح المختلفة لها بصمات ميكروية متباينة ومتكتلة بشدة، و2. أن البصمة الإشعاعية عند رأس الجهاز هي توليفة خطية من بصمات أنواع الأسطح المختلفة، حيث تأخذ الأوزان قيم التركيزات النسبية. إذا قمنا بتكوين فضاء متجهي من كل قناة من قنوات الجهاز بحيث تكون جميع بصمات أنواع الأسطح المختلفة مستقلة خطيًا باستثناء واحدة، فسيكون من السهل حساب التركيزات النسبية.

${\displaystyle {\vec {T}}_{b}={\vec {T}}_ {b0}+\sum _{i=1}^{n}({\vec {T}}_{bi}-{\vec {T}}_{b0})C_{i}}$

أين${\displaystyle {\vec {T}}_{ب}}$هي البصمة الإشعاعية عند رأس الجهاز (والتي تُقاس عادةً كدرجة حرارة سطوع )، ${\displaystyle {\vec {T}}_{b0}}$هي بصمة نوع سطح الخلفية الاسمي (عادةً ما يكون ماءً)، ${\displaystyle {\vec {T}}_{bi}}$يمثل التوقيع الخاص بنوع السطح رقم i ، بينما تمثل C _i التركيزات النسبية. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

تعتمد جميع خوارزميات قياس تركيز الجليد التشغيلية على هذا المبدأ أو على تعديل طفيف له. فعلى سبيل المثال، تعمل خوارزمية فريق ناسا عن طريق حساب الفرق بين قناتين وقسمته على مجموعهما. وهذا يجعل عملية الاسترجاع غير خطية بعض الشيء ، ولكن مع ميزة تقليل تأثير درجة الحرارة. ويعود ذلك إلى أن درجة حرارة السطوع تتغير خطيًا تقريبًا مع درجة الحرارة الفيزيائية عندما تكون جميع العوامل الأخرى متساوية - انظر الانبعاثية - ولأن انبعاثية الجليد البحري في قنوات الميكروويف المختلفة مترابطة ارتباطًا وثيقًا. ^{[ 3 ]} وكما تشير المعادلة، يمكن رصد تركيزات أنواع متعددة من الجليد، حيث يميز فريق ناسا بين الجليد المتكون حديثًا والجليد متعدد السنوات (انظر الصورة أعلاه). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

من المتوقع أن تكون دقة قياس تركيز الجليد البحري باستخدام أجهزة استشعار الميكروويف السلبية في حدود 5% (مطلقًا). ^{[ 6 ] [ 8 ] [ 9 ]} وتؤثر عدة عوامل على دقة هذه القياسات، أبرزها الاختلافات في بصمات الميكروويف الناتجة عن نوع سطح معين. فبالنسبة للجليد البحري، يؤدي وجود الثلج، واختلافات نسبة الملح والرطوبة، ووجود برك الذوبان، بالإضافة إلى اختلافات درجة حرارة السطح، إلى اختلافات كبيرة في بصمة الميكروويف لنوع معين من الجليد. غالبًا ما تكون بصمة الميكروويف للجليد الجديد والرقيق أقرب إلى بصمة المياه المفتوحة. ويعود ذلك عادةً إلى ارتفاع نسبة الملح فيه، وليس إلى انتقال الإشعاع من الماء عبر الجليد - انظر نمذجة انبعاثية الجليد البحري . كما أن وجود الأمواج وخشونة السطح يغير البصمة فوق المياه المفتوحة. وتميل الظروف الجوية السيئة، وخاصة الغيوم والرطوبة ، إلى تقليل دقة القياسات. ^{[ 4 ]}