استفاده از مدل های ماهیانه ژئوپتانسیل GRACE همواره با محدودیت هایی همراه است به طوریکه استفاده مستقیم از آن ها به ویژه در مناطق کوچکتر و در کاربردهایی مثل زیر نظر گرفتن چرخه هیدرولوژیکی که به دقت بیشتری در برآورد نمودن سیگنال های موردنظر, نیاز دارد، ما را با مشکلاتی رو به رو می نماید.به علت ارتفاع ماهواره، ضرایب پتانسیل از درجه و مرتبه بالا در مدل ژئوپتانسیل GRACE دارای دقت پایینی هستند.
گاهی مدل های هیدرولوژی برای تعین مرز فرکانسی جداکننده سیگنال ها از نویزها مورد استفاده قرار میگیرد.
علاوه بر هدف جاذبی که ماهواره های گریس دنبال می کنند، هدف های غیر جاذبی دیگری نیز وجود داشته است. این ماموریت ماهواره ای گریس، راه های گوناگون انتقال جرم در اطراف کره زمین را، با مشخص کردن اینکه چه میزان جرم در حال حرکت است و چگونه در طول زمان تغییر می کند، نشان می دهد.
پیش از بیان کردن کاربرد های این ماموریت لازم است که دو واژه weather و climate به معنی آب و هوا را که در این بخش زیاد به کار می رود بیان کرد.
تغییر شرایط جوی در یک دوره زمانی کوتاه مدت، مثل تغییر لحظه به لحظه دما، رطوبت، باد، فشار و … را weather و در یک دوره زمانی طولانی مدت را climate می گویند.
ماهواره های گریس و میزان تغییرات ذخیره آب ها
همواره اندازه گیری های دقیق پارامترهای هواشناسی مانند فشارهوا، درجه حرارت اقیانوس ها، تغییرات آب های موجود در خشکی ها (شامل رطوبت موجود در خاک و آب های زیر زمینی)، یخچال ها و صفحه های قطبی، به عنوان یکی از مولفه های ژئوفیزیکی سیال، با چالش همراه بوده است. به دنبال تغییرات پارامترهای هواشناسی، تغییرات میدان جاذبه زمین ناشی از تغییرات توزیع جرم در آن، در مقیاس های زمانی و مکانی مختلفی رخ می دهد.
تغییرات توزیع جرم را به دلیل بازگشت پوسته جامد زمین به دوره پیش از عصر یخ بندان و فرآیند های ژئوفیزیکی موجود در هسته زمین را مسئول تولید کردن تغییرات میدان جاذبه در بلند مدت میدانندو تغییرات میدان جاذبه در مقیاس های زمانی کوتاهتر را در نتیجه تغییرات مربوط به فشار های اتمسفری، فشارهای کف اقیانوسی و میزان ذخیره آب های سطحی می دانند؛ این تغییرات با پریود کوتاه را ماهواره های جاذبی از جمله گریس میتوانند اندازه گیری کنند.
ماهواره های گریس تخمینی از میدان جاذبه زمین را به صورت منظم و ماهیانه به شکل مدار های ژئوپتانسیلی تا درجه و مرتبه ۱۲۰ از ضرایب هارمونیک کروی در مقیاس های چندصد کیلومتر در اختیار قرار می دهد. درمقایسه با اندازه گیری های میدانی زمینی مانند کندن چاه ها، ماموریت ماهواره ای گریس، می تواند جایگزین بسیار کارآمد و کم هزینه تری برای بررسی نمودن میزان تغییرات ذخیره آب ها که همواره در مقیاس جهانی دشوار بوده است، باشد.
میزان تغییرات ذخیره آب ها، پارامتری کلیدی در جهت هرچه بهتر درک کردن چرخه آب در مقیاس های محلی و جهانی و همچنین زیر نظر گرفتن تغییرات محیطی و آب و هوایی, می باشد.
ذخیره آب ها به عنوان پارامتری هیدرولوژیکی از مجموع میزان بارندگی، تبخیر آب، خروجی آب رودخانه و میزان نفوذ آن به آب های زیر زمینی، تشکیل شده است و اندازه گیری دقیق آن میتواند قید پرارزشی برای مدل های آب و هوا شناسی باشد و کمک شایانی به بادقت تر پیش بینی کردن آب و هوا, مدیریت نمودن تغییرات منابع آبی و محیطی مانند زیر نظر گرفتن آب موجود برای اهداف کشاورزی و همینطور ارزیابی نمودن خطر سیلو خشکسالی در مناطق بزرگ, مفید و موثر واقع شود. اما بایستی ذکرشود که توزیع جرمی که توسط ماهواره های گریس حس می شوند، شامل مجموع تمام این منابع ژئوفیزیکی می باشد و در عمل جداسازی تاثیر هرکدام از این پارامترها با استفاده از مشاهدات آن، تقریبا غیر ممکن می باشد. البته نتایج حاصل از گریس می توانند قید مناسبی در جهت مدل نمودن هرکدام از این پارامترها را فراهم آورد.
به عبارتی دیگر؛ هدف اصلی گریس به دست آوردن اطلاعات محلی از تغییرات ذخیره آب ها در سطح جهانی از طریق بازیابی تغییرات میدان جاذبه زمین می باشد.
از آنجایی که تا پیش از سال ۲۰۰۲، شبکه ای جهانی از مشاهدات با قدرت تفکیک مکانی و زمانی مورد نیاز، در جهت نشان دادن میزان تغییرات ذخیره آبی در مقیاس قاره ای وجود نداشته است، توانایی گریس در تحت نظر قرار دادن این پارامتر، بسیار پر اهمیت می باشد.
معادله بقا مربوط به میزان تغییرات ذخیره آب ها عبارت است از:
میزان بارندگی – تبخیر آب – خروجی آب رودخانه – نفوذ به آب های زیر زمینی = تغییرات در رطوبت خاک + پوشش برف موجود در سطح زمین
اندازه گیری کردن و حتی مدل نمودن چهار پارامتر موجود در سمت راست تساوی بالا بسیار مشکل می باشد. بنابراین در عمل، طرف چپ تساوی یعنی تغییرات رطوبت خاک به همراه آب موجود در پوشش برف در محاسبه تغییرات ذخیره آب ها مورد استفاده قرار می گیرد که از مدل های هیدرولوژیکی قابل استخراج هستند. برای ارزیابی نمودن خروجی حاصل از گریس نیز به کار می روند. از دیگر سو اثبات شده است که میزان تغییرات کلی ذخیره آب حاصل از گریس از مجموع ۳ پارامتر رطوبت موجود در لایه ریشه ای خاک، آب موجود در پوشش برف که از طریق مدل های هیدرولوژی جهانی قابل استخراج هستند و تغییرات سطح آب های زیر زمینی که با استفاده از اندازه گیری های چاه های مشاهده ای در منطقه مورد نظر به دست می آید، تشکیل شده است.
زیر نظر گرفتن جا به جایی آب در رو و در زیر زمین
یکی از جالب ترین دلایل تغییرات میدان ثقل زمین، حرکات آب در روی پوسته آن می باشد که کمتر مورد توجه بوده است. با به گردش درآمدن حجم عظیمی از جریان آب به شکل های جامد, مایع و بخاردر رو، داخل و بالای سطح زمین آن هم با سرعت تقریبا زیادی در مقایسه با سایر عواملی که منجر به جا به جایی جرم در سطح زمین می شوند، تغییر در میدان جاذبه به وجود خواهد آمد. بنابراین می توان نتیجه گرفت که با زیر نظر گرفتن تغییرات ایجادشده در میدان جاذبه بتوان به میزان جرمی که با جابه جایی آب ها تغییر کرده، دست یافت. ماهواره های گریس, این تغییرات را ماه به ماه از سال ۲۰۰۲ اندازه گیری می کنند.
امروزه دانشمندان ,برای فهم بهتر طبیعت از مدل های عددی برای شبیه سازی پارامترهای جوی مانند بارندگی، رطوبت خاک، دما هوا، فشار هوا و … استفاده می نمایند. اطلاعاتی که گریس در اختیار ما قرار می دهد به هر چه واقعی تر بودن خروجی چنین مدل هایی، کمک میکند و با بهبود یافتن این مدل ها می توان به درست پیش بینی نمودن شرایط آب و هوایی و تغییرات ذخایر آبی امیدوار بود که در نهایت درست مدیریت نمودن منابع آبی برای حوزه های محتلف کشاورزی، شهری و صنعتی در پی خواهد داشت.
همچنین، زیر نظر گرفتن ذخایر آبی در مقیاس های جهانی, توانایی دانشمندان را برای پیش بینی، برنامه ریزی و پاسخگویی به حوادث غیر مترقبه ای چون سیل ها و خشکسالی ها، افزایش می دهد.
زیر نظر گرفتن تغییرات صفحات یخی و سطح آب های جهانی
این ماموریت ماهواره ای، اطلاعاتی درباره حرکات آب جامد همچون یخ های قطبی در اختیار قرار می دهد. به محض ذوب شدن صفحات یخی، آب های حاصل، گرمای زیادی را به خود جذب کرده و افزایش دما را تولید می کنند که خود منجر به بیشتر ذوب شدن یخ های قطبی و در نتیجه بالا آمدن سطح آب ها خواهد شد.
پرسش اساسی که در آب و هوا شناسی مطرح می شود این است که آیا صفحات یخی درحال کوچک یا بزرگ شدن می باشند؟
و آیا آب حاصل از ذوب شدن آنها به اقیانوس ها پیوسته در نهایت بالا آمدن سطح آب ها را ناشی می شود؟
داده های گریس به این پرسش ها پاسخ داده و در واقع می تواند میزان تغییرات جرمی را که از ذوب شدن صفحات یخی حاصل می شوند را تخمین بزند.
پدیده ای به نام PGR یا بازگشت آرام پوسته زمین به حالت پیش از عصر یخ بندان وجود دارد که جا به جایی عمودی پوسته زمین را در مناطق مختلف دنیا از جمله خطوط ساحلی ایجاد می کند و در نتیجه در مشاهدات تایید گیج ها خطا ایجاد کرده و مطالعات مربوط به بالا آمدن سطح آب ها را پیچیده تر می نماید.
با ترکیب داده های گریس با داده های سایر ماهواره ها می توان سهم این پدیده را نیز مشخص کرد. ماهواره های ارتفاع سنجی همچون topex/poseidon و jason تنها تغییرات کلی سطح دریا را اندازه گیری می کنند.
بنابراین با ترکیب داده های گریس با داده های ماهواره های ارتفاع سنجی، درمی آبند که چه میزان از بالا آمدن سطح آب ها ناشی از ذوب شدن صفحات یخی، ناشی از پدیده PGR و یا به دلیل گرم شدن آب اقیانوس ها می باشد. به عبارتی دیگر تخمین جرم برآمده از گریس را با ارتفاع سطح دریا برآمده از اندازه گیری های آلتیمتری به منظور جداگانه تخمین زدن تاثیرات steric و non-steric برروی تغییرات سطح دریا، با یکدیگر ترکیب می کنند.
تغییر در حجم که به آن تغییرات steric می گویند، تاثیری بر روی تغییرات جاذبه ندارند. بنابراین اندازه گیری های جاذبی ماهواره تنها تاثیرات non-steric را می توانند دریافت کنند. تاثیرات steric را میتوان با کم کردن مشاهدات آلتیمتری از نتایج متغیر در زمان جاذبی حاصل از ماهواره به دست آورد.
با داشتن سیگنال های steric متغیر در زمان میتوان تغییرات مقدار گرما در آن منطقه را محاسبه نمود و و با داشتن ذخیره گرمایی متغیر درزمان در اقیانوس ها به عنوان یک منبع بزرگی که انرژی گرمایی را در خود نگه می دارد، می توان به پیش بینی وضعیت آب و هوا در یک دوره طولانی مدت پرداخت. همچنین می توان وجود گردبادها و توفان ها را در آینده پیش بینی نمود.
مطالعات جریانات اقیانوسی در سطح و اعماق آن
سطح صاف و بی حرکت اقیانوس که در غیاب سایر نیرو ها به غیر از جاذبه وجود دارد را توپوگرافی استاتیک اقیانوس می نامند که میتواند شکل ژئوئید را نشان دهد, اما جریانات اقیانوسی مانند بادها ,گرم شدن به خاطر خورشید ,سرد شدن به خاطر شرایط جوی و حتی تحت تاثیر قرار گرفتن به علت چرخش زمین ,منجر به خارج شدن سطح اقیانوس ها از حالت استاتیک و تبدیل آن به توپوگرافی دینامیک می شود.
درحالی که توپوگرافی دینامیک، تنها یک درصد از توپوگرافی سطح اقیانوس را تشکیل می دهد اما دانستن شیب آن، اطلاعات مهمی را درباره سرعت و جهت جریانات اقیانوسی، دراختیار دانشمندان قرار می دهد.
برای اندازه گیری توپوگرافی دینامیک به دودسته اطلاعات نیازمند می باشد:
- اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا که توسط ماهواره های ارتفاع سنجی صورت میگیرد.
- مدل مناسبی از ژئوئید کل کره زمین که می توان آن را بادقت مناسبی از داده های گریس استخراج نمود.
با درنظر گرفتن اقیانوس ها به عنوان حجم عظیمی از ذخیره گرما، میتوان جریانات اقیانوسی را دلیل برانتقال گرما (آب های گرم) از استوا به سمت قطب دانست که این موضوع نقش اساسی در تغییرات آب وهوا در سرتاسر جهان ایفا خواهد کرد.
با افزایش دقت در اندازه گیری جریانات اقیانوسی توسط ماهواره های گریس می توان تغییرات آب وهوایی را نیز بهتر درک نمود.
همچنین، گریس اولین ماهواره ای است که به دانشمندان اجازه میدهدتا جریانات اعماق اقیانوس ها را با جزئیات لازم از فضا ببرسی نمایند. برآورد کردن تغییرات فشارهای کف اقیانوسی یکی دیگر از کاربردهای گریس می باشد. سرانجام با داشتن فشارهای کف اقیانوسی می توان به بررسی جریان های کف اقیانوسی پرداخت.
زیر نظر گرفتن تغییرات پوسته جامد زمین
دانشمندان,از داده های گریس برای مطالعه ساختار پوسته جامد زمین,استفاده می نمایند. تغییرات ضخامت لایه های یخی منجر به تغییرات بار بر روی پوسته و در نتیجه , تولید حوضه های آبریز را به همراه دارد. به محض ذوب شدن یخچال های قطبی و تحت تاثیر قرار گرفتن پوسته زمین نسبت به این بار تولید شده , میتوان میدان جاذبه زمین را به عنوان وسیله ای برای اندازه گیری کشیدگی پوسته زمین در نظر گرفت. به عبارتی دیگر، هر چقدر بتوان تغییرات میدان جاذبه را با دقت بالاتری اندازه گیری کرد، می توان به تخمین های بهتری از میزان بازگشت آرام پوسته زمین به حالت پیش از عصر یخبندان دست یافته و در نهایت به تخمین های مناسبی از کشیدگی پوسته جامد زمین ناشی از بار تولید شده یا همان درست تخمین زدن ویسکوسیتی منتل، دست یافت.
پروفیل های اتمسفری
امروزه پیش بینی آب و هوا به مدل های عددی پیچیده ای وابسته است. هرچقدر دقیق تر اندازه گیری کردن پارامترهای کلیدی چون دما و رطوبت در سرتاسر جهان موجب با دقت تر بودن خروجی چنین مدل های می شود.
ماهواره های گریس مجهز به سیستمی به نام atmospheric limb sounder می باشند که با تکنیک جدید و مقرون به صرفه ای به نام occultation میزان شکست امواج GPS را هنگام عبور از اتمسفر اندازه گیری می کند. دانشمندان، از اطلاعات حاصل از این راه، برای بهبود بخشیدن دقت پارامترهای کلیدی اتمسفر که به عنوان ورودی برای مدل های آب و هوا به کار می روند، استفاده می نمایند. سیگنال های رادیویی، هنگام عبور از اتمسفر به سوی زمین، به دلیل عبور از لایه های جوی مختلف، شکسته و خمیده می شوند. بنابراین کاملا طبیعی است که سیگنال ها مسیر طولانی تری را برای رسیدن به زمین طی کرده و به عبارتی با تاخیر به زمین رسند.
سیستم های atmospheric limb sounder ماهواره های گریس هر روز ۲۰۰ تا ۲۵۰ مشاهده را با تکنیکی به نام occultation به دست می آورد و در واقع می توان گفت که با این کار ,میزان تاخیر امواج GPS را اندازه گیری می کند. سپس با استفاده از این مشاهدات به پروفیل های اتمسفری مانند فشار، دما و رطوبت دست می یابند. همچنین، با پردازش این مشاهدات، در میابند که آیا امواج GPS از لایه یونسفر عبور کرده اند یا اتمسفر؟
چرا که فرکانس امواج عبوری از لایه یونسفر، به دلیل اینکه این لایه دارای ذرات یونی می باشد,تغییر می کند؛بنابراین با به کار بردن این مشاهدات، میتوان تغییرات دائمی یونسفر را محاسبه نمود که خود می تواند به درک بهتر ما از تاثیر خورشید بر روی محیط زیست کمک کند؛ برای نمونه می توان به تاثیر خورشید بر روی آب و هوا؛ امواج رادیویی و راداری، اشاره نمود. درضمن، ازاین مشاهدات به عنوان وسیله ای برای تشخیص تغییرات عمودی پرسرعت در پوسته زمین مانند تغییرات حاصل از آتش فشان ها، زمین لرزه ها، سونامی ها و سایر پدیده هایی که منجر به تغییر توزیع یون ها در یونسفر می شوند، استفاده نمود.
