مقياس الإشعاع الميكروي

مقياس الإشعاع الميكروي (MWR) هو جهاز يقيس الطاقة المنبعثة بأطوال موجية تتراوح بين المليمتر والمتر (ترددات من 0.3 إلى 300 جيجاهرتز )، والمعروفة باسم الموجات الميكروية . تُعد مقاييس الإشعاع الميكروي أجهزة استقبال بالغة الحساسية مصممة لقياس الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث حراريًا . وهي عادةً ما تكون مزودة بقنوات استقبال متعددة لاستخلاص طيف الانبعاث المميز للأغلفة الجوية للكواكب، أو أسطحها، أو الأجسام الفضائية. تُستخدم مقاييس الإشعاع الميكروي في مجموعة متنوعة من التطبيقات البيئية والهندسية، بما في ذلك الاستشعار عن بُعد ، والتنبؤات الجوية ، ورصد المناخ، وعلم الفلك الراديوي ، ودراسات انتشار الموجات الراديوية .
يُوفّر استخدام نطاق الطيف الميكروي بين 1 و300 جيجاهرتز معلوماتٍ مُكمّلة لنطاقي الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء. والأهم من ذلك، أن الغلاف الجوي والنباتات شبه شفافة في نطاق الطيف الميكروي. وهذا يعني أن مكونات مثل الغازات الجافة وبخار الماء والهيدروميتورات تتفاعل مع الإشعاع الميكروي، ولكن حتى الغلاف الجوي الغائم ليس معتمًا تمامًا في هذا النطاق الترددي. [ 1 ]
تُستخدم أجهزة قياس الإشعاع الميكروي في رصد الأحوال الجوية والمناخ ، سواءً من الفضاء أو من الأرض. [ 1 ] [ 2 ] وباعتبارها أدوات استشعار عن بُعد ، فهي مصممة للعمل بشكل مستمر وتلقائي، وغالبًا ما تعمل بالتزامن مع أجهزة استشعار جوية أخرى، مثل رادارات السحب وأجهزة الليدار. وتتيح هذه الأجهزة استخلاص كميات أرصاد جوية هامة، مثل التوزيع الرأسي لدرجة الحرارة والرطوبة ، وكمية بخار الماء العمودية ، ومسار الماء السائل العمودي، بدقة زمنية عالية تتراوح بين دقائق وثوانٍ، في جميع الظروف الجوية تقريبًا. [ 3 ] كما تُستخدم أجهزة قياس الإشعاع الميكروي في الاستشعار عن بُعد لسطح المحيطات واليابسة، لاستخلاص درجة حرارة المحيط وسرعة الرياح، وخصائص الجليد، وخصائص التربة والنباتات. [ 1 ] [ 2 ]
تاريخ

خُصصت أولى مراحل تطوير مقياس الإشعاع الميكروي لقياس الإشعاع ذي المنشأ خارج الأرض في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين. وقد قدّم روبرت ديك الشكل الأكثر شيوعًا لمقياس الإشعاع الميكروي عام 1946 في مختبر الإشعاع التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خلال الحرب، وذلك لتحديد درجة حرارة إشعاع الخلفية الميكروي بدقة أكبر. عمل هذا المقياس الأول عند طول موجي 1.25 سم، وكان يُشغّل في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. كما اكتشف ديك لأول مرة امتصاصًا ضعيفًا للموجات الميكروية في الغلاف الجوي باستخدام ثلاثة مقاييس إشعاع مختلفة (عند أطوال موجية 1.0 و1.25 و1.5 سم). [ 4 ]
بعد فترة وجيزة من استخدام الأقمار الصناعية لأول مرة في رصد الغلاف الجوي، أصبحت مقاييس الإشعاع الميكروي جزءًا من أجهزتها. في عام 1962، أطلقت وكالة ناسا مهمة مارينر-2 لدراسة سطح كوكب الزهرة، والتي تضمنت مقياس إشعاع لرصد بخار الماء ودرجة الحرارة . وفي السنوات اللاحقة، تم اختبار مجموعة واسعة من مقاييس الإشعاع الميكروي على متن الأقمار الصناعية . وشكّل إطلاق مقياس الإشعاع الميكروي متعدد القنوات الماسح في عام 1978 علامة فارقة في تاريخ قياس الإشعاع . فقد كانت هذه المرة الأولى التي يُستخدم فيها مقياس إشعاع ماسح مخروطي في الفضاء؛ حيث أُطلق إلى الفضاء على متن قمر ناسا الصناعي نيمبوس . [ 5 ] أتاح إطلاق هذه المهمة فرصة تصوير الأرض بزاوية سقوط ثابتة ، وهو أمر بالغ الأهمية لأن انبعاثية السطح تعتمد على الزاوية. في بداية عام 1980، طُوّرت أجهزة قياس إشعاع جديدة متعددة الترددات وثنائية الاستقطاب. وأُطلقت مركبتان فضائيتان حملتا أجهزة من هذا النوع: نيمبوس-7 وسيسات . أتاحت نتائج مهمة نيمبوس-7 رصد حالة سطح المحيطات والأسطح المغطاة بالثلوج والأنهار الجليدية على مستوى العالم . واليوم، تُستخدم أجهزة الميكروويف، مثل وحدة قياس الموجات الدقيقة المتقدمة (AMSU) وجهاز التصوير/قياس الموجات الدقيقة الخاص (SSMIS)، على نطاق واسع في مختلف الأقمار الصناعية.
استُخدمت أجهزة قياس الإشعاع الأرضية لتحديد توزيع درجات الحرارة لأول مرة في ستينيات القرن الماضي، وشهدت منذ ذلك الحين تحسينات ملحوظة من حيث تقليل التشويش وإمكانية تشغيلها بشكل مستقل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع ضمن شبكات الرصد العالمية. [ 6 ] تتوفر مقالات مراجعة، [ 7 ] [ 8 ] ودليل إلكتروني مفصل [ 9 ] .

مبدأ التشغيل
تُصدر المواد الصلبة والسائلة (مثل سطح الأرض والمحيطات والجليد البحري والثلج والنباتات) والغازات إشعاعات الميكروويف وتمتصها . تقليديًا، تُعبّر كمية الإشعاع التي يستقبلها مقياس إشعاع الميكروويف عن درجة حرارة الجسم الأسود المكافئة ، والتي تُسمى أيضًا درجة حرارة السطوع . في نطاق الميكروويف، تُظهر العديد من غازات الغلاف الجوي خطوطًا دورانية. تُوفّر هذه الخطوط خصائص امتصاص مُحددة ، كما هو موضح في الشكل على اليمين، والتي تسمح باستخلاص معلومات حول وفرتها وبنيتها الرأسية. من أمثلة هذه الخصائص الامتصاصية مُركّب امتصاص الأكسجين (الناتج عن انتقالات ثنائية القطب المغناطيسي ) حول 60 جيجاهرتز، والذي يُستخدم لاستخلاص بيانات توزيع درجة الحرارة، أو خط امتصاص بخار الماء حول 22.235 جيجاهرتز (انتقال دوراني ثنائي القطب)، والذي يُستخدم لمراقبة التوزيع الرأسي للرطوبة . توجد خطوط امتصاص أخرى مهمة عند 118.75 جيجاهرتز (امتصاص الأكسجين) وعند 183.31 جيجاهرتز (امتصاص بخار الماء، المستخدم لتحديد توزيع بخار الماء في الظروف الجافة أو من الأقمار الصناعية). تُستخدم خصائص الامتصاص الضعيفة الناتجة عن الأوزون أيضًا في تحديد كثافة الأوزون ودرجة حرارته في طبقة الستراتوسفير.
إلى جانب خصائص الامتصاص المميزة لخطوط الانتقال الجزيئية، توجد أيضًا مساهمات غير رنانة من الهيدروميتورات (قطرات سائلة وجزيئات متجمدة). يزداد انبعاث الماء السائل مع التردد، لذا فإن القياس عند ترددين، أحدهما عادةً قريب من خط امتصاص الماء (22.235 جيجاهرتز) والآخر في منطقة النافذة المجاورة (عادةً 31 جيجاهرتز) التي يهيمن عليها امتصاص الماء السائل، يوفر معلومات عن كلٍ من كمية بخار الماء وكمية الماء السائل عموديًا على حدة (مقياس إشعاع ثنائي القنوات). ينشأ ما يُسمى بـ"طيف بخار الماء المتصل" من مساهمة خطوط بخار الماء البعيدة.
تُشتت قطرات المطر الكبيرة، بالإضافة إلى الجسيمات المائية المتجمدة الكبيرة (الثلج، والبرد، والبرد)، إشعاع الميكروويف، خاصةً عند الترددات العالية (>90 جيجاهرتز). يمكن استخدام تأثيرات التشتت هذه للتمييز بين محتوى الماء في المطر والسحب من خلال القياسات المستقطبة [ 10 ] ، وكذلك لتحديد كمية جزيئات الثلج والجليد العمودية من الفضاء [ 11 ] ومن الأرض [ 12 ] .
تصميم
يتكون مقياس الإشعاع الميكروي من نظام هوائي، ومكونات ترددات الراديو الميكروية (الواجهة الأمامية) وواجهة خلفية لمعالجة الإشارات عند الترددات المتوسطة.
العنصر الأساسي هو مفتاح ديك، الذي يقوم بالتبديل بالتناوب بين الهوائي وحمل تبريد فائق عند درجة حرارة معروفة. ومن خلال حساب التغير في مستوى الضوضاء، نحصل على درجة حرارة السماء.
الإشارة الجوية ضعيفة للغاية، وتحتاج إلى تضخيمها بمقدار 80 ديسيبل تقريبًا. لذا، تُستخدم تقنيات التغاير غالبًا لتحويل الإشارة إلى ترددات أقل تسمح باستخدام مضخمات الإشارة التجارية ومعالجتها. ومع تزايد توفر مضخمات الإشارة منخفضة الضوضاء عند ترددات أعلى، تصل إلى 100 جيجاهرتز، أصبحت تقنيات التغاير غير ضرورية. ويُعدّ التثبيت الحراري بالغ الأهمية لتجنب انحرافات جهاز الاستقبال.
عادةً ما تُجهّز أجهزة قياس الإشعاع الأرضية بمستشعرات بيئية ( للمطر ، ودرجة الحرارة ، والرطوبة ) وأجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي ( GPS ) (للحصول على مرجع زمني وموقعي). ويقيس الهوائي نفسه عادةً من خلال نافذة مصنوعة من رغوة شفافة في نطاق الموجات الميكروية، وذلك للحفاظ على نظافة الهوائي من الغبار والماء السائل والجليد. كما يُزوّد جهاز قياس الإشعاع في كثير من الأحيان بنظام تهوية مُسخّن، مما يساعد على إبقاء النافذة خالية من قطرات الماء أو الندى (وهي مصادر قوية للإشعاع في نطاق الموجات الميكروية) ، وكذلك خالية من الجليد والثلج .

كما هو موضح في الشكل أعلاه، بعد استقبال إشارة التردد اللاسلكي عند الهوائي، يتم تحويلها إلى تردد وسيط باستخدام إشارة مذبذب محلي مستقر. بعد تضخيم الإشارة باستخدام مضخم منخفض الضوضاء وتصفية تمرير النطاق، يمكن الكشف عنها بكامل طاقتها، أو بتقسيمها إلى نطاقات تردد متعددة باستخدام مطياف. يُستخدم مفتاح ديك هنا لمعايرة الترددات العالية.

معايرة
تُشكّل معايرة مقياس الإشعاع الميكروي أساسًا لقياس درجات حرارة السطوع بدقة، وبالتالي، لاسترجاع معلمات الغلاف الجوي بدقة، مثل توزيعات درجات الحرارة ، ومسار بخار الماء المتكامل ، ومسار الماء السائل. أبسط أنواع المعايرة هي ما يُعرف بمعايرة "الساخن-البارد"، باستخدام جسمين أسودين مرجعيين عند درجات حرارة "ساخنة" و"باردة" معروفة ومختلفة ، أي بافتراض وجود علاقة خطية بين القدرة الداخلة وجهد الخرج للكاشف . بمعرفة درجات الحرارة الفيزيائية للأجسام المرجعية، يمكن حساب درجات حرارة سطوعها وربطها مباشرةً بالجهود المُكتشفة في مقياس الإشعاع، ومن ثمّ، يمكن الحصول على العلاقة الخطية بين درجات حرارة السطوع والجهود.
ينبغي اختيار درجات حرارة أهداف المعايرة بحيث تغطي نطاق القياس بالكامل. تستخدم أجهزة قياس الإشعاع الأرضية عادةً هدفًا بدرجة حرارة محيطة كمرجع "ساخن". أما كهدف "بارد"، فيمكن استخدام جسم أسود مبرد بالنيتروجين السائل (77 كلفن) أو جسم أسود في سماء صافية عند سمت الرأس ، تم الحصول عليه بشكل غير مباشر من نظرية انتقال الإشعاع. [ 8 ] تستخدم الأقمار الصناعية هدفًا ساخنًا كمرجع "ساخن" وإشعاع الخلفية الكونية كمرجع "بارد". ولزيادة دقة واستقرار معايرات أجهزة قياس الإشعاع الموجي، يمكن استخدام أهداف معايرة إضافية، مثل مصادر الضوضاء الداخلية أو مفاتيح ديك.

استرجاع بيانات درجة الحرارة وملامح بخار الماء
إن استرجاع الكميات الفيزيائية باستخدام قياس الإشعاع بالميكروويف (مثل درجة الحرارة أو ملامح بخار الماء ) ليس بالأمر السهل، وقد تم تطوير خوارزميات استرجاع شاملة (باستخدام تقنيات الانعكاس مثل نهج التقدير الأمثل ).
تُستخلص بيانات توزيع درجة الحرارة بقياسها على طول خط امتصاص الأكسجين عند تردد 60 جيجاهرتز. يتناسب الانبعاث عند أي ارتفاع طرديًا مع درجة حرارة الأكسجين وكثافته . ولأن الأكسجين يتوزع بشكل متجانس في الغلاف الجوي وحول الكرة الأرضية، يمكن استخدام إشارات درجة حرارة السطوع لاستخلاص توزيع درجة الحرارة. تهيمن إشارات الغلاف الجوي الأقرب إلى مقياس الإشعاع (عند استخدامه من الأرض) على مركز خط الامتصاص. أما عند الانتقال إلى منطقة النافذة، فتكون الإشارة عبارة عن تراكب من مناطق قريبة وبعيدة في الغلاف الجوي. وبالتالي، يحتوي دمج عدة قنوات على معلومات حول التوزيع الرأسي لدرجة الحرارة. ويُستخدم نهج مماثل لاستخلاص التوزيعات الرأسية لبخار الماء باستخدام خط امتصاصه عند تردد 22.235 جيجاهرتز، وكذلك حول خط امتصاصه عند تردد 183.31 جيجاهرتز.
أجهزة الأقمار الصناعية
تُستخدم أجهزة الميكروويف على متن العديد من الأقمار الصناعية التي تدور في مدارات قطبية لأغراض مراقبة الأرض والأرصاد الجوية التشغيلية، فضلاً عن كونها جزءًا من مهمات استكشاف الفضاء الخارجي.
يُفرَّق بين أجهزة التصوير المستخدمة في المسح المخروطي للاستشعار عن بُعد لسطح الأرض ، مثل AMSR و SSMI و WINDSAT ، وأجهزة السبر التي تعمل في وضع المسار العرضي، مثل ATMS / MHS . يستخدم النوع الأول ترددات منخفضة (1-100 جيجاهرتز) ضمن النوافذ الجوية لرصد ملوحة سطح البحر، ورطوبة التربة، ودرجة حرارة سطح البحر ، وسرعة الرياح فوق المحيط، والهطول ، والثلوج. بالإضافة إلى أجهزة استشعار رصد الأرض البصرية، يمكن استخدام الموجات الميكروية السلبية لتحديد مكافئ الماء في الثلج (محتوى الماء السائل في الثلج) من خلال مقارنة ترددات مختلفة. [ 13 ] [ 14 ] أما النوع الثاني، فيُستخدم للقياس على طول خطوط الامتصاص لاستخلاص بيانات درجة الحرارة والرطوبة . علاوة على ذلك، تُستخدم أجهزة سبر الأطراف ، مثل MLS، لاستخلاص بيانات الغازات النزرة في طبقات الجو العليا .
تشمل الأمثلة الأخرى لأجهزة قياس الإشعاع الميكروي على الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية: جهاز الاستشعار الميكروي/التصويري الخاص ، وجهاز قياس الإشعاع الميكروي متعدد القنوات الماسح ، وجهاز قياس الرياح (WindSat) ، ووحدة قياس العمق الميكروي ، وجهاز قياس رطوبة التربة الميكروي . أما جهاز قياس الإشعاع التصويري الميكروي المزود بتقنية توليف الفتحة، فهو عبارة عن مقياس تداخل/تصوير إشعاعي قادر على قياس رطوبة التربة وملوحتها في مناطق صغيرة من السطح.
أجهزة مسبار الفضاء
بحلول العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، تم إطلاق أربعة أجهزة قياس إشعاعية تعمل بالموجات الميكروية على متن مركبات فضائية بين الكواكب. [ 15 ] أولها كانت مارينر 2 ، التي استخدمت جهازًا يعمل بالموجات الميكروية لتحديد أن درجة حرارة سطح الزهرة المرتفعة ناتجة عن السطح وليس عن طبقات أعلى في الغلاف الجوي. [ 16 ] [ 15 ] كما توجد/كانت توجد أجهزة قياس إشعاعية على متن مسبار جونو لاستكشاف كوكب المشتري، ومسبار روزيتا لاستكشاف المذنبات، ومسبار كاسيني-هويجنز . [ 15 ] [ 17 ]
يقوم مسبار جونو، الذي أُطلق عام 2011، بدراسة خصائص الغلاف الجوي لكوكب المشتري باستخدام مجموعة أجهزة قياس الإشعاع الميكروي. [ 8 ] يحتوي جهاز قياس الإشعاع الميكروي (MWR) على متن جونو على عدة هوائيات ترصد أطوال موجية ميكروية مختلفة لاختراق الطبقة السحابية العليا للكوكب، ورصد خصائصها ودرجات حرارتها ووفرة عناصرها الكيميائية. [ 17 ] كما استُخدم جهاز MWR لتقدير سُمك الغلاف الجليدي لأوروبا . [ 18 ]
الشبكات الأرضية
شبكة MWRnet هي شبكة تأسست عام 2009 تضم علماء يعملون على أجهزة قياس الإشعاع الميكروي الأرضية. تهدف MWRnet إلى تسهيل تبادل المعلومات بين مستخدمي هذه الأجهزة، وتعزيز المشاركة في المشاريع الدولية المنسقة. وعلى المدى البعيد، تسعى MWRnet إلى تطوير برمجيات تشغيلية، وإجراءات مراقبة الجودة، وتنسيقات بيانات موحدة، وغيرها، على غرار شبكات ناجحة أخرى مثل EARLINET و AERONET و CWINDE .
مراجع
- 1 2 3 الاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة - النشط والسلبي. بقلم إف تي أولابي، آر كيه مور، وإيه كيه فونغ. (ريدينغ، ماساتشوستس: أديسون-ويسلي، 1981 و1982). المجلد الأول: أساسيات الاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة وقياس الإشعاع.
- 1 2 الإشعاع الحراري بالميكروويف: تطبيقات للاستشعار عن بعد، سي. ماتزلر، 2006، مؤسسة الهندسة والتكنولوجيا، لندن، الفصل 1.
- ↑ ويست ووتر، إيدجوورث روبرت، 1970: تحديد توزيع درجات الحرارة باستخدام الموجات الدقيقة من الأرض. أطروحة دكتوراه، جامعة كولورادو في بولدر، المصدر: ملخصات أطروحات الدكتوراه الدولية، المجلد: 32-02، القسم: ب، الصفحة: 1134.
- ↑ ديك، ر. هـ. (1946). "قياس الإشعاع الحراري عند ترددات الميكروويف" (ملف PDF) . مراجعة الأدوات العلمية . 17 (7 ) . AIP: 268–275 . Bibcode : 1946RScI...17..268D . doi : 10.1063/1.1770483 . PMID 20991753. S2CID 26658623. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 3 أبريل 2012.
- ↑ الاستشعار عن بعد السلبي للأرض بالموجات الميكروية، الأسس الفيزيائية، يوجين أ. شاركوف، كتب سبرينغر-براكسيس في العلوم الجيوفيزيائية، الفصل 14: مهمات الفضاء بالموجات الميكروية السلبية
- ↑ "MWRnet - شبكة دولية لأجهزة قياس الإشعاع الميكروي الأرضية" . cetemps.aquila.infn.it . 31 يوليو 2014.
- ↑ ويست ووتر، إي آر، سي. ماتزلر، إس. كرويل (2004) مراجعة للاستشعار الإشعاعي عن بعد للتروبوسفير باستخدام الموجات الميكروية والموجات المليمترية من سطح الأرض. نشرة علوم الراديو، العدد 3010، سبتمبر 2004، 59-80
- 1 2 3 Westwater, ER, S. Crewell, C. Mätzler, and D. Cimini, 2006: مبادئ الاستشعار عن بعد بالموجات الدقيقة والموجات المليمترية السطحية للتروبوسفير، Quaderni Della Societa Italiana di Elettromagnetismo، 1(3)، سبتمبر 2005، 50-90.
- ↑ "مقياس الإشعاع الميكروي - EG-CLIMET" . cfa.aquila.infn.it .
- ↑ تشيكالا وآخرون (2001)، تمييز مسار الماء السائل في السحب والأمطار باستخدام قياس الإشعاع الميكروي المستقطب الأرضي، رسائل البحوث الجيوفيزيائية، DOI: 10.1029/2000GL012247
- ↑ بينارتز، ر.، وب. باور (2003)، حساسية الإشعاعات الميكروية عند 85-183 جيجاهرتز لجزيئات الجليد المتساقطة، علوم الراديو، 38(4)، 8075، doi:10.1029/2002RS002626.
- ↑ Kneifel et al. (2010), Snow scattering signals in ground-based passive microwave radiometer, J. Geophys. Res., DOI: 10.1029/2010JD013856
- ↑ شيلينغ، صموئيل؛ ديتز، أندرياس؛ كونزر، كلوديا (20 مارس 2024). "رصد مكافئ الماء في الثلج - مراجعة لتطبيقات الاستشعار عن بعد واسعة النطاق" . الاستشعار عن بعد . 16 (6): 1085. Bibcode : 2024RemS...16.1085S . doi : 10.3390/rs16061085 . ISSN 2072-4292 .
- ↑ تشانغ، أ. ت. س.؛ فوستر، ج. ل.؛ هول، د. ك. (1987). "معايير الغطاء الثلجي العالمي المستمدة من بيانات القمر الصناعي نيمبوس-7 SMMR" . حوليات علم الجليد . 9 : 39-44 . Bibcode : 1987AnGla...9...39C . doi : 10.3189/S0260305500200736 . ISSN 0260-3055 .
- 1 2 3 جونو في كوكب المشتري: مقياس الإشعاع الميكروي (MWR) الخاص بجونو - منشور مؤتمر IEEE ، سبتمبر 2014، الصفحات 1-3 ، doi : 10.1109/IRMMW-THz.2014.6956004 ، S2CID 42435396
- ↑ "أجهزة وأنظمة بيانات العلوم - مقاييس الإشعاع الميكروي" . مؤرشف من الأصل في 30 نوفمبر 2016. تم الاطلاع عليه في 3 فبراير 2017 .
- 1 2 "نظرة عامة على العلوم". مختبر الدفع النفاث. تاريخ الاسترجاع: 21 ديسمبر 2016.
- ↑ ليفين، إس إم وآخرون (2026) نات. أسترون. https://doi.org/10.1038/s41550-025-02718-0
روابط خارجية
- المكتبة الرقمية الوطنية للعلوم - صفحة نظرة سريعة على خدمات الترفيه والرفاهية
- وصف جهاز قياس الإشعاع الجوي التابع لوزارة الطاقة الأمريكية
- مقياس الإشعاع جونو (MWR)
- أجهزة قياس الإشعاع الكهرومغناطيسي
- القياس الإشعاعي
- تقنية الميكروويف
- رادارات مختبر الإشعاع التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
