طرق قياس المعايير الفيزيائية البحرية

طرق قياس المعايير الفيزيائية البحرية

المحيط نظام طبيعي ديناميكي ومعقد. فالتغيرات الطفيفة في درجة الحرارة والملوحة والتيارات وارتفاع الأمواج قد تُحدث تأثيرات كبيرة على النظم البيئية، والطقس الساحلي، وسلامة الملاحة البحرية، وحتى على مصائد الأسماك واستكشاف الموارد. لذا، يُعد قياس المعايير الفيزيائية للمحيط أساسًا بالغ الأهمية لعلم المحيطات، وعلم المناخ، والهندسة البحرية، وإدارة المناطق الساحلية. تتناول هذه المقالة المعايير الفيزيائية الشائعة القياس للمحيط والأساليب المستخدمة، بما في ذلك القياسات الميدانية المباشرة، والاستشعار عن بُعد، ونماذج القياس.

1. المعايير الفيزيائية للمحيطات التي يتم قياسها بشكل شائع

تركز القياسات الفيزيائية للمحيطات عادةً على عدة معايير رئيسية:

1. درجة الحرارة: تتحكم في كثافة مياه البحر، وتقسيم عمود الماء، وعمليات التبادل الحراري بين المحيط والغلاف الجوي.
2. الملوحة: تحدد مع درجة الحرارة الكثافة، والدوران الحراري الملحي، وتوزيع الكتل المائية.
3. الكثافة والطبقية: تشرح استقرار عمود الماء والخلط الرأسي.
4. تيارات المحيط: تؤثر على نقل الحرارة والمغذيات والرواسب والكائنات الحية.
5. الأمواج والمد والجزر: تحديد الطاقة في المناطق الساحلية، والتآكل، وخطر الفيضانات المدية.
6. مستوى سطح البحر: مؤشر على تغير المناخ وديناميكيات المحيطات والغلاف الجوي.
7. صفاء الماء والخصائص البصرية (كعوامل فيزيائية ذات صلة): تؤثر على اختراق الضوء والإنتاجية الأولية.

يتطلب كل معيار أدوات واستراتيجيات قياس مختلفة وفقًا للأهداف، والنطاق الزمني المكاني، وظروف المياه.

2. طريقة القياس في الموقع (الميداني)

أ. CTD (التوصيلية - درجة الحرارة - العمق)
جهاز CTD هو أداة قياسية في علم المحيطات لقياس الموصلية (التي تُحوّل إلى ملوحة)، ودرجة الحرارة، والضغط (العمق). يُنزل جهاز CTD من السفينة بواسطة رافعة، مسجلاً بيانات المقطع الرأسي من السطح إلى عمق محدد. من مزايا جهاز CTD دقته الرأسية العالية ودقته الجيدة. ولضمان جودة البيانات، يُستخدم جهاز CTD غالبًا مع أخذ عينات من الماء باستخدام جهاز أخذ عينات على شكل وردة يحتوي على زجاجة نيسكين، وذلك لمعايرة قيم الملوحة في المختبر.

ب. جهاز قياس درجة حرارة الأعماق القابل للاستهلاك (XBT)
تقيس أجهزة قياس درجة الحرارة بالأشعة السينية (XBTs) تغيرات درجة الحرارة مع العمق. وعلى عكس أجهزة قياس الموصلية والحرارة والعمق (CTDs)، فإن أجهزة XBTs قابلة للاستخدام لمرة واحدة، وهي أكثر عملية لإجراء مسوحات سريعة من السفن المتحركة. ومع ذلك، لا تقيس أجهزة XBTs عادةً الملوحة، كما أنها تنطوي على عدم دقة في تقدير العمق إذا كانت سرعة هبوط المسبار غير دقيقة.

ج. جهاز قياس سرعة التيار بتقنية دوبلر الصوتية (ADCP)
تقيس أجهزة قياس سرعة التيار الصوتي (ADCPs) سرعة واتجاه التيار باستخدام مبدأ إزاحة دوبلر للموجات الصوتية المنعكسة من الجسيمات في الماء. يمكن تركيب أجهزة قياس سرعة التيار الصوتي (ADCPs) في المواقع التالية:
– على متن السفن (أجهزة قياس التيار الصوتي على متن السفن) لرسم خرائط التيارات على طول المسار،
- عند نقطة الإرساء (المرساة الثابتة) لمراقبة التيارات طويلة المدى،
– على قاع البحر (مثبت في القاع) لرؤية بنية التيار الرأسي.

تتمثل ميزة جهاز قياس سرعة التيار الصوتي (ADCP) في أنه يمكنه توفير بيانات عن التيارات في طبقات عمق متعددة في وقت واحد، وهو مناسب لدراسات الدوران، والتيارات الصاعدة، وديناميكيات مصب النهر.

د. مقياس التيار الكهربائي والمنعطف
بالإضافة إلى جهاز قياس سرعة التيار الصوتي (ADCP)، يمكن قياس التيارات باستخدام أجهزة قياس التيار النقطية (مثل الدوارة أو الكهرومغناطيسية) والعوامات (عوامات تتبع التيارات السطحية). وتُعد العوامات مفيدة بشكل خاص لرصد أنماط النقل السطحي اللاغرانجية، مثل توزيع الملوثات أو حركة الكتل المائية حول الجبهات المحيطية.

هـ. مقياس المد والجزر ومستشعر الضغط
تُقاس المد والجزر ومستوى سطح البحر باستخدام مقاييس المد والجزر على الشواطئ أو في الموانئ. وتشمل أجهزة الاستشعار عوامات ميكانيكية، ورادارات، وأجهزة استشعار الضغط. وفي المواقع البحرية، تسجل أجهزة استشعار الضغط الموجودة في قاع البحر تغيرات الضغط المرتبطة بتغيرات مستوى المياه والأمواج. وتُعد بيانات المد والجزر أساسية للملاحة، وتخطيط الموانئ، وتحليل الفيضانات الناتجة عن المد والجزر.

و. عوامة الأمواج ورادار الأمواج
تُقاس الأمواج باستخدام عوامات رصد الأمواج التي تسجل الحركة الرأسية وميل سطح البحر. وتشمل المعايير الناتجة ارتفاع الموجة الكبير (Hs) ودورتها واتجاهها. وفي المناطق الساحلية، يمكن لأنظمة رادار الأمواج أو رادارات النطاق X رسم خريطة لمجال الأمواج والتيارات السطحية حول منطقة محددة.

ز. قياسات الخصائص البصرية: قرص سيكي ومستشعر PAR
تُقاس صفاء المياه ببساطة باستخدام قرص سيكي، وهو قرص أبيض يُغمر حتى يختفي عن الأنظار. هذه الطريقة غير مكلفة وسريعة، إلا أنها تتأثر بظروف الإضاءة ودقة القياس. ولإجراء دراسات أكثر تفصيلًا، يُستخدم مستشعر الإشعاع النشط ضوئيًا (PAR) أو مقياس العكارة لقياس اختراق الضوء والعكارة كمؤشرين على الحالة الفيزيائية للمياه.

3. الاستشعار عن بعد

أ. قمر ​​صناعي لقياس درجة حرارة سطح البحر (SST)
تستطيع الأقمار الصناعية المزودة بمستشعرات الأشعة تحت الحمراء والميكروويف قياس درجة حرارة سطح البحر. وتُعدّ بيانات درجة حرارة سطح البحر مفيدة لرصد الظواهر واسعة النطاق مثل ظاهرة النينيو-لانينا، والتيارات الصاعدة، والجبهات الحرارية. ومن مزاياها التغطية الواسعة والتردد العالي، إلا أن قياسات الأشعة تحت الحمراء تتأثر بالغيوم ولا تمثل سوى الطبقة السطحية.

ب. قياس الارتفاع بالأقمار الصناعية لمستوى سطح البحر
تقيس أجهزة قياس الارتفاع بالأقمار الصناعية ارتفاع سطح البحر عن طريق إرسال نبضات رادار وتوقيت انعكاساتها. وهذا يسمح باستخلاص شذوذات مستوى سطح البحر المرتبطة بالتيارات الجيوستروفية والتقلبات المناخية. يُعد قياس الارتفاع بالغ الأهمية لفهم الدوران العالمي، إلا أن دقته محدودة في المناطق الساحلية المعقدة.

ج. الأقمار الصناعية للرياح والأمواج
يمكن تقدير سرعة الرياح فوق سطح البحر باستخدام أجهزة قياس التشتت، بينما يمكن الحصول على معايير الأمواج من أجهزة قياس الارتفاع ونماذج الاستيعاب. وتُستخدم هذه المعلومات على نطاق واسع في التنبؤات الجوية البحرية والتخفيف من آثار الكوارث.

د. قيود الاستشعار عن بعد
تتفوق تقنيات الاستشعار عن بعد في التغطية المكانية، لكنها لا تمثل عادةً سوى الظروف السطحية. لذا، يُفضل التحقق من صحة بيانات الأقمار الصناعية من خلال القياسات الميدانية لضمان دقتها وسهولة استخدامها في التحليلات اللاحقة.

4. الإرساء، والمحطات الآلية، والمراقبة طويلة الأجل

يتطلب فهم الاتجاهات طويلة الأجل مراقبة مستمرة. تتكون المراسي من سلسلة من الأجهزة المثبتة على كابلات مثقلة في قاع البحر وعوامات في الأعلى. يمكن لأجهزة مثل مسجلات CTD وADCP وأجهزة قياس سرعة التيار الصوتي (ADCP) ومجسات درجة الحرارة تسجيل البيانات لأشهر أو سنوات. في المناطق الساحلية، يمكن للمحطات الآلية (مثل عوامات الأرصاد الجوية والمحيطية) مراقبة الرياح والأمواج ودرجة الحرارة والتيارات في الوقت الفعلي، مما يدعم أنظمة الإنذار المبكر وخدمات المعلومات البحرية.

5. النمذجة العددية واستيعاب البيانات

بالإضافة إلى القياسات المباشرة، يعتمد علم المحيطات الحديث على النماذج العددية لمحاكاة التيارات ودرجة الحرارة والملوحة وحتى الأمواج. تستخدم نماذج مثل ROMS وHYCOM وSWAN معادلات فيزياء الموائع، وتُغذّى ببيانات الرياح والمد والجزر وظروف الحدود. ولتحسين دقة النموذج، يُستخدم دمج البيانات، الذي يُدمج الملاحظات (أجهزة قياس الموصلية والحرارة والعمق، والعوامات، والأقمار الصناعية) في النموذج. يتيح هذا النهج رسم خرائط أكثر شمولاً للمعايير الفيزيائية للمحيط، بما في ذلك المناطق التي يصعب قياسها مباشرةً.

6. التحديات وأفضل الممارسات

يواجه قياس المعايير الفيزيائية للمحيطات تحدياتٍ مثل تآكل المياه المالحة، والتلوث البيولوجي (التصاق النباتات/الكائنات الحية)، والاضطرابات الجوية، والتغيرات الزمنية السريعة. ولتحسين جودة البيانات، ينبغي تطبيق العديد من أفضل الممارسات:
– معايرة الأجهزة قبل وبعد المسح،
– توحيد إجراءات جمع البيانات،
– مراقبة الجودة (التحقق من الأخطاء، الارتفاعات المفاجئة، انحراف المستشعر)،
– الجمع بين الأساليب (الموقعية + الأقمار الصناعية + النماذج) لتكملة بعضها البعض،
– بيانات وصفية كاملة (الوقت، الموقع، الأحوال الجوية، إعدادات الأداة) بحيث يمكن تكرار البيانات ومقارنتها.

استنتاج

تطورت أساليب قياس المعايير الفيزيائية للمحيطات من أدوات بسيطة كأقراص سيكي إلى أنظمة معقدة كأجهزة قياس الموصلية والحرارة والعمق (CTD) وأجهزة قياس سرعة التيار الصوتي (ADCP) والعوامات الآلية وقياس الارتفاع بالأقمار الصناعية. ولكل منها مزاياها وقيودها، لذا يجب اختيار الأسلوب الأمثل بما يتناسب مع أهداف البحث ونطاق الرصد والظروف الميدانية. في عصر التغير المناخي وتزايد النشاط البحري، يُعدّ دمج القياسات الميدانية والاستشعار عن بُعد والنمذجة العددية الاستراتيجيةَ الأمثل لفهم ديناميكيات المحيطات فهمًا شاملًا ودعم اتخاذ القرارات القائمة على أسس علمية.