علم هواشناسی و ابزارهای اندازه‌گیری

سیاره‌ی ما، زمین، از خیلی لحاظ در بین تمام سیارگانی که می‌شناسیم ویژه است. همین پارامترهای ویژه کننده‌ی آن است که قابلیت تکثیر حیات بر روی آن را فراهم ساخته است. یکی از مهم‌ترین این عواملِ ویژگی بخش، جو یا اتمسفر اطراف زمین است که با نام هوا بهتر شناخته می‌شود. طبیعت این جو وظایف چندگانه‌ای را بر عهده‌ی این جو یا هوای اطراف زمین قرار داده است. یکی از مهم‌ترین وظایف آن، نقش اساسی حفاظتی‌اش می‌باشد. نه تنها زمینِ شناور در فضای تقریباً مملو از سنگ‌ها و اجرام آسمانی کوچک و بزرگ که همواره در معرض برخورد با آنهاست توسط هوای اطراف خود از برخورد با بسیاری از این اجرام سرگردان محافظت می‌شود (بیشتر آنها که با سرعت وارد جو می‌شوند بر اثر اصطکاک شدید با مولکول‌های هوا به شدت داغ شده و با هوا ترکیب می‌شوند و می‌سوزند و امکان برخورد با سطح زمین را پیدا نمی‌کنند)، بلکه این جو جلوی بسیاری از تابش‌های خورشیدی که برای حیات روی زمین مضر است را نیز می‌گیرد. علاوه بر این‌ها، وجود عناصر و ترکیبات موجود در هوا برای بقای موجودات زنده از طریق تنفس، حیاتی است. فواید ریز و درشت هوا برای سیاره‌ی خاکی و آبی ما و موجودات روی آن بی‌شمار است و در این‌جا فرصت پرداختن به حتی آن مقداری از آنها که شناخته شده است نیست.
این جو یا هوای حیاتی، در اطراف و بر روی زمین، بر اثر عوامل گوناگون مربوط به حرکت و چرخش و دماهای منطقه‌ای زمین دچار تحولات مداومی است که حرکت‌های گوناگون آن که ناشی از تغییرات فشار و دما در نقاط مختلف آن است را موجب می‌شود. دانستن مسیر این تحولات برای انسان که زندگی‌اش با طبیعت و استفاده از منابع مختلف آن به سختی گره خورده است اهمیت حیاتی دارد. از همین روست که هم‌زمان با تحولات و پیشرفت‌های صنعتی بشر، علم هواشناسی نیز پیشرفت‌های چشم‌گیری نمود. آن چه در این علم اهمیت ویژه‌ای دارد دسترسی کافی به داده‌های مختلف هواشناسی از نقاط مختلف روی زمین جهت تحلیل‌های متعاقب هواشناسانه است. این امری کاملاً واضح است که مشاهده و بررسی جو باید نخست از روی زمین انجام گیرد. شبکه‌ی جهانی‌ای از ایستگاه‌های هواشناسی بر روی زمین وجود دارد که می‌توان با بهره‌گیری از این شبکه در ساعات مشخصی به طور هم‌زمان شرایط جو را رصد نمود و به ثبت دما و فشار در نقاط مختلف جهت تحلیل‌های لازم کامپیوتری و غیرکامپیوتری پرداخت. هم‌چنین می‌توان با کنترل تابش توسط بالون‌های هواشناسی به آنالیز ساختار عمودی باد، دما و رطوبت هوا پرداخت. هرچند وجود این شبکه مفید و لازم است، به دلیل عدم فراگیری و گستردگی آن، کافی نیست زیرا همه‌ی سطح زمین را پوشش نمی‌دهد. در ممالک عقب نگاه داشته شده تعداد ایستگاه‌های هواشناسی بسیار اندک است. بر پهنه‌ی اقیانوس‌ها که هفتاد درصد سطح زمین را تشکیل می‌دهند عملاً ایستگاه هواشناسی وجود ندارد. پس کمبود شدیدی بر روی سطح زمین از نظر وجود ایستگاه‌های هواشناسی، آن هم حتی‌الامکان با توزیع جغرافیایی یک‌نواخت، وجود دارد. این امر باعث شده است که بررسی‌های جوی صورت گرفته از فضا و از طریق ماهواره‌ها، اهمیت بسیاری پیدا کنند. فایده‌ی عمده‌ی این بررسی‌های ماهواره‌ای این است همه‌ی جو زمین به صورت یکنواخت و متعادل و با توزیعی یکسان مورد بررسی قرار می‌گیرد چون با دیدی از بالا بر همه چیز این کار صورت می‌پذیرد. علیرغم این مزیت مهم هواشناسیِ ماهواره‌ای، عیب بارزی نیز در این روش موجود است که عبارت است از این که به علت دوری فاصله‌ی اندازه گیری، تعداد پارامترهای قابل اندازه‌گیری و دقت اندازه‌گیری در آنها کاهش می‌یابد. اما به هر حال به ناچار این روش اکنون کارآمدترین روش اتخاذ شده در هواشناسی می‌باشد. در اینجا به دلیل اهمیت موضوع هواشناسی ماهواره‌ای به بعضی از جنبه‌های چگونگی انجام این‌گونه بررسی‌ها می‌پردازیم.
می‌دانیم آن مقدار از انرژی تابشی خورشید که از جو عبور کرده و به سطح زمین برخورد می‌کند عمدتاً در طول موج‌های قرمز و مادون قرمز یا فرو سرخ منعکس می‌شود (و خود همین امر علت اصلیِ به وجود آمدن اثر گلخانه‌ای و پدیده‌ی گرم شدن زمین است زیرا تابش‌های فروسرخ که عمدتاً مربوط به جنبش‌های مولکولی هوای مجاور سطح زمین است امکان نفوذ در لایه‌های دود بالای جو و بازگشت به فضا را ندارند و در نتیجه، گرمای جذب شده‌ی خورشید در زمین گیر می‌افتد). هم‌چنین بخش‌هایی از انرژی خورشیدی رسیده به زمین در طول موج‌های مرئی باز می‌تابد. این طول موج‌های مرئی بازتابیده و نیز طیف وسیع تابش‌های فروسرخ منعکس شده از سطح زمین، مبنای قسمتی از بررسی‌های ماهواره‌ای هواشناسی هستند، زیرا اندازه‌گیری شدت و تغییرات آنها دقیقاً بیانگر افت و خیزهای تغییرات جوی است که این تشعشات از بین آنها عبور کرده‌اند تا به گیرنده‌های حساس ماهواره برسند و ثبت گردند. به این عملِ ثبت تغییرات جوی، تابش سنجی غیرفعال گفته می‌شود (کلمه‌ی غیر فعال بیانگر استفاده از بازتاب‌های خورشیدی از سطح زمین و نه بازتاب‌های تابش‌های مصنوعی الکترومغناطیسی می‌باشد). برخی از این نوع تابش‌سنج‌ها دارای باند پهنی می‌باشند و قادر به ثبت و آنالیز طیف گسترده‌ای از طول موج‌های الکترومغناطیسی بازتابیده از سطح زمین هستند. گروه دیگری از این تابش‌سنج‌ها دارای پهنای باند باریکی هستند و روی طول موج‌های انتخاب شده و ویژه‌ای تنظیم شده‌اند. این نوع تابش‌سنج‌ها قادرند در مورد ساختار سه بعدی جو و به خصوص در مورد توزیع دما و رطوبت و پراکندگی و مشخصات ابرها اطلاعات بدهند. خود این نوع تابش‌سنج‌ها بر دو نوعند: تصویرگر و کاوشگر. در تصویرگرها، تصویری جغرافیایی از وضعیت آب و هوای زمین به دست می‌آید. این تصویر را می‌توان به صورت فضایی تحلیل کرد. از تصویرگرهای مرئی و فروسرخ به خصوص برای بررسی خصوصیات پوشش‌های ابری و سطحی استفاده می‌شود. سعی می‌شود با استفاده از مخابره‌های ماهواره‌ای-زمینی قابلیت تحلیلی این تصویرگرها را گسترش دهند. تابش‌سنج‌های کاوشگر، برخلاف تصویرگرها، در پهنای باند خیلی باریک‌تری کار می‌کنند و دارای تحلیل فضایی کم‌ارزش‌تری هستند اما درعوض اطلاعات به دست آمده از آنها را می‌توان کانالیزه کرد و تعداد زیادی کانال طیفی ایجاد نمود. به این ترتیب کاوشگرها امکان بررسی در چندین طول موج را فراهم می‌آورند که از روی آنها می‌توان ساختار عمودی میادین دما و رطوبت در جو را بازسازی نمود. دقت دمایی به دست آمده از این تحلیل‌ها در ستون‌های چند کیلومتری جوی زیاد و خطای دمایی به دست داده توسط آنها کمتر از یک درجه‌ی سانتیگراد است. برخی از این کاوشگرها دارای طیف‌سنج‌هایی چند صد کاناله‌اند که این، دقت را به میزان زیادی افزایش می‌دهد و امکان تحلیل ستون‌های بلندتری از جو را به دست می‌دهد. از این طریق می‌توان خطای مربوط به اختلال‌هایی که ابرها در اندازه‌گیری‌ها باعث می‌شوند را خیلی بهتر درنظر گرفت و از نتیجه‌ی کلی منها کرد.
هرچند چنان که در بالا توضیح داده شد سعی می‌شود در تابش‌سنج‌های فروسرخ، خطای مربوط به وجود ابرها درنظر گرفته شود اما از آنجا که ابرها به هر حال نقش بارزی در ممانعت از نفوذ تابش فروسرخ از بین خود دارند از کارایی ابزارهای فروسرخ در وضعیت‌های بحرانی هواشناسی می‌کاهند. برای رفع این اشکالِ ابزارهای فروسرخ، هرچند به ویژه برای کاوش در مورد دما و رطوبت بسیار سودمندند، اقدام به گسترش و تکمیل تصویرگرها و کاوشگرهای مایکرویو یا ریزموج گردید که قادر به دریافت و تحلیل طول موج‌های کوتاه الکترومغناطیسی بازتابیده از سطح زمین می‌باشند. امواجی با این طول موج‌ها قادر به نفوذ به داخل لایه‌های ابری برای رسیدن به ماهواره و دریافت شدن توسط آنها می‌باشند. این نوع تصویرگرها و کاوشگرها در هرگونه هوایی کاربرد دارند. البته باید این عیب را هم همواره برای آنها پذیرفت که شدت تابش‌های منعکس شده‌ی ریز موج از سطح زمین در مقایسه با شدت تابش‌های فروسرخ منعکس شده از سطح زمین خیلی کمتر است.
تابش سنج‌هایی که در بالا تشریح شدند تابش‌سنج‌های غیر فعال می‌باشند که مبنای کار آنها تحلیل تابش‌های خورشیدی منعکس شده از روی زمین است. این نوع تابش‌سنج‌ها به طور ذاتی برای توصیف کامل و دقیق شرایط جوی کافی نیستند زیرا همواره، مثلاً به هنگام شب یا مواقع ابری بودن هوا، تابش‌های خورشیدی بازتابیده‌ی کافی‌ای وجود ندارد تا تحلیل کارآمدی روی آنها صورت گیرد، گذشته از آن که شدت آنها در مواقع دیگر نیز متغیر است و این باعث بروز ناهماهنگی‌هایی می‌شود. لذا برای گسترش دامنه‌ی بررسی و قابل اعتماد و اتکا بودن بیشتر نتایج تحلیلی، باید از وسایلی فعال که ابزار اندازه‌گیری آنها فرستنده-گیرنده است استفاده نمود. مزیت چنین وسیله‌ای این است که به وسیله‌ی آن می‌توان سیگنال کنترل شده‌ای را به طرف هدف گسیل داشت و بازتاب آن از روی هدف را دریافت و آنالیز نمود تا به کنش و واکنش‌های آن به هنگام برخورد به هدف پی برد و از آنجا در مورد خصوصیات هدف، قضاوت کرد. رادار یکی از این نوع ابزارهاست که در آن امواج رادیویی ارسال، و بازتاب آنها دریافت و تحلیل می‌شود. نوع دیگری از این نوع ابزارها لیدار نام دارد که در آن، فرستنده، یک لیزر است. پرتوهای لیزری مرئی یا فروسرخ که دارای فرکانس معینی هستند، گسیل شده و پس از پراکنده شدن به وسیله‌ی ذرات بسیار ریز معلق در هوا، به وسیله‌ی گیرنده دریافت می‌شوند. گیرنده متشکل است از تلسکوپ، تقویت کننده و آشکارساز. پیچیدگی ساختمانی دریافت کننده به اعمالی که از آن انتظار داریم بستگی دارد. این ذرات در فاصله‌های چند صد متری بالای سطح زمین فراوانی زیادی دارند. با این حال این ابزار آن قدر قوی هست که پراکندگی ناشی از تراکم اندک درات در دیگر نفاط را دریافت و تحلیل کند. اساس کار لیدار بر گسیل گسسته‌ی پرتو لیزری است به گونه‌ای که فاصله‌ی زمانی بین پالس‌های متوالی لیزری از مرتبه‌ی میکروثانیه می‌باشد. هم‌چنین زمان رفت و برگشت پالس‌ها نیز توسط دستگاه، تعیین در تحلیل در نظر گرفته می‌شود. به این ترتیب پالس‌های گوناگون ممکن است به ذرات گوناگون برخود کرده و با شدت‌ها یا تغییرات طول موجی مختلف برگردند که با تعیین فاصله‌ی زمانی رفت و برگشت، فاصله‌ی فضایی ذرات نیز در تحلیل درنظر گرفته می‌شود. بنابراین، آنالیز سیگنال برگشتی و گسترش زمانی آن، مستقیماً دسترسی به مقطعی را ممکن می‌سازد که ماهیت خاصیت مورد نظر را در همه‌ی طول امتدادِ نشانه‌روی شده مشخص می‌نماید و این کار از کاوشگر غیرفعال ساخته نیست. آن‌چه در لیدارهای ساده قابل اندازه گیری است فقط شدت پراکندگی پرتوهای لیزری است. به همین خاطر، اطلاعات به دست آمده از آنها عمدتاً منحصر خواهد بود به جو چند صد متری بالای سطح زمین و توزیع ابرهای مرتفع. اما برای اندازه‌گیری‌های مربوط به باد، نیاز به استفاده از لیدارهای پیچیده‌تری می‌باشد که بعضاً لیدارهای دوپلر نامیده می‌شوند. در این ابزارها مانند همه‌ی ابزارهایی که در آنها اثر دوپلر استفاده می‌شود، با تکیه بر جابه جایی دوپلری فرکانس‌های گسیل شده و بازدریافت شده، سرعت جابه‌جایی هدف به دست آمده و مورد آنالیز قرار می‌گیرد. نوع دیگری از لیدارها عبارتند از لیدارهای جذب اختلافی یا دیفرانسیلی که برای مطالعه‌ی تمرکز ترکیب‌های جوی مناسبند. این نوع لیدارها بر اساس گسیل دو پرتو لیزری با دو بسامد مختلف که بر هم سوار شده‌اند کار می‌کنند. ترکیب‌های ریزی مثل بخار آب فقط یکی از این بسامدها را جذب و دیگری را می‌پراکند. از راه تجزیه و تحلیل انرژی پرتوهای پراکنده شده، با در نظر گرفتن فرکانس آنها می‌توان میزان تمرکز آن ترکیب را در ناحیه‌ی پراکننده تعیین کرد تمام این ابزارها علیرغم توانایی‌های فراوانشان، از نظر کاربردی دچار مشکلاتی هستند. مهم‌ترین مسأله تأمین انرژی لازم برای به کار انداختنشان روی ماهواره است. نمی‌توان ذخیره‌ی سوخت قابل توجهی را روی ماهواره پیش بینی کرد و سوخت رسانی به ماهواره هم غیر اقتصادی و عملاً ناممکن است. بنا بر این انرژی لازم برای کار انداختن آنها باید به وسیله‌ی تابش از روی زمین تأمین گردد. چون انرژی تابشی رسیده به ماهواره با عکس مجذور فاصله متناسب است با توجه به قدرت منابع تابشی که در اختیار داریم ماهواره‌های حامل این ابزارها نباید خیلی دور باشند و لازم است در مدارهای پایین، مثلاً حداکثر در ارتفاع پانصد کیلومتری از سطح زمین، در گردش به دور زمین باشند. این باعث می‌شود که این ابزارهای فعال نسبت به ابزارهای غیرفعال که می‌توانند در ماهواره‌های مستقر در ارتفاع‌هایی تا هزار و دویست کیلومتر نصب شوند میدان دید بسیار کم‌تری داشته باشند. روشن است که هرچه محدوده‌ی میدان دید ابزارهای مستقر روی ماهواره گسترده‌تر باشد بررسی وضعیت آب و هوایی، جامع‌تر و هماهنگ‌تر خواهد بود. پارامتر مؤثر دیگر در افزایش دقت ابزارها برای بررسی شرایط آب و هوایی این است که خیلی بهتر است که ماهواره‌ی محل استقرار آنها ایستا زمینی باشد، یعنی سرعت زاویه‌ای گردشش به دور محور زمین برابر با سرعت زاویه‌ای چرخش زمین به دور محور خودش باشد که در این حال ماهواره همواره بالای یک نقطه از زمین قرار خواهد داشت. این مسأله کار بررسی شرایط جو را خیلی دقیق‌تر می‌نماید. اما از طرفی علم فیزیک ایجاب می‌کند که ایستازمینی شدن ماهواره تنها در ارتفاع سی و شش هزار کیلومتری امکان‌پذیر باشد که این مسأله به خاطر بعد فاصله، مشکلاتی را برای دقت کار این ابزارها فراهم می‌آورد هرچند از طرفی پوشش‌دهی خیلی وسیع‌تری، تقریباً برابر با ربع مساحت زمین، را می‌تواند برای آنها فراهم آورد. اطلاعات به دست آمده از ابزارهای نصب شده روی ماهواره‌های ایستا زمینی عمدتاً شامل تحول‌هایی است که بر حسب زمان در ساختارهای جوی روی می‌دهند، مثلاً از روی تصویرهای متوالی ارسالی توسط آنها می‌توان اطلاعات دقیقی در مورد میادین باد به دست آورد یا این که می‌توان جابه‌جایی ابرها یا بخارهای آب را تعقیب نمود.
علاوه بر ایستگاه‌های هواشناسی ثابتِ زمینی و فضایی که به آنها اشاره شد هر از چندی اردوگاه‌های موقت چندین ماهه یا حتی چندین ساله در جای جای کره‌ی زمین بر قرار می‌شود که در آنها از وسایلی توانمند هم‌چون هواپیماها یا بالون‌های مجهز شده به وسایل اندازه‌گیری لازم یا شبکه‌های کاوشگر جهت بررسی‌های هواشناسانه به ویژه در هماهنگی با ایستگاه‌های فضایی استفاده می‌شود. این‌گونه بررسی‌های غیرثابت اما مؤثر، این امکان را فراهم می‌آورند که در مورد سازو کارهای جوی که ناشناس‌تر مانده‌اند، مثلاً در رابطه با چگونگی شکل‌گیری ابرها و تأثیرپذیری آنها از تشعشعات تحقیق شده و به جمع‌آوری داده پرداخته شود.