ناسا تحلق جواً لدراسة الزهور البرية: نظرة متعمقة على استكشاف الأرض ونباتاتها جواً وفضائياً

ارتبط استكشاف الأرض ونباتاتها جواً وفضائياً تاريخياً بالبحث عن حياة خارج الأرض، ورسم خرائط الكواكب، ورحلات الفضاء البشرية. ومع ذلك، لا يزال أحد أهم تطبيقاته الأقرب: فهم كوكب الأرض. ويُعدّ قرار ناسا بالطيران جواً لدراسة الزهور البرية تجلياً معاصراً لهذه المهمة. فمن خلال المنصات الجوية والأقمار الصناعية، يمكن للعلماء مراقبة النظم البيئية، وتتبع التنوع البيولوجي، ومراقبة الحياة النباتية عبر تضاريس شاسعة، وغالباً ما يصعب الوصول إليها. يستكشف هذا المقال تاريخ دراسات الأرض الجوية والفضائية وأدواتها وإنجازاتها ومستقبلها، مع تسليط الضوء على البعثات الجوية الجديدة التي تدرس أزهار كاليفورنيا البرية النابضة بالحياة.

1. لمحة تاريخية عن الاستكشاف الجوي والفضائي للأرض ودراستها.

بدأ استخدام التكنولوجيا المحمولة جواً لدراسة الأرض بجدية خلال الحرب العالمية الأولى، عندما أُعيد استخدام الطائرات العسكرية للاستطلاع والرصد البيئي. وشهدت حقبة ما بعد الحرب تزايداً في استخدام التصوير الجوي المدني لأغراض الزراعة والجيولوجيا. ومع إطلاق أول قمر صناعي للطقس، تيروس-1 (Tiros-1)، عام ١٩٦٠، دخل رصد الأرض عصر الفضاء. تأسس قسم علوم الأرض في ناسا رسمياً في سبعينيات القرن الماضي، ومع إطلاق لاندسات ١ (Landsat- 1) عام ١٩٧٢، أحدثت صور الأقمار الصناعية ثورة في مجال الرصد البيئي.

أهم المحطات:

· ١٩١٤-١٩١٨: استُخدم التصوير الجوي لرسم الخرائط البيئية خلال الحرب العالمية الأولى.

· ١٩٦٠: إطلاق تيروس-١ لرصد الطقس.

· ١٩٧٢: بدأ لاندسات ١ أطول برنامج تصوير مُستمر عبر الأقمار الصناعية.

· ١٩٩٩: إطلاق القمر الصناعي تيرا (Terra)، مُطلقاً بذلك نظام رصد الأرضEarth Observation System EOS).

📊  الاستثمار الاقتصادي: اعتباراً من عام ٢٠٢٢، بلغت ميزانية قسم علوم الأرض في ناسا ملياري دولار سنوياً (تقديرات ميزانية ناسا، السنة المالية ٢٠٢٣).

2. الأساليب والأدوات في استكشاف الأرض جواً وفضائياً.

تستخدم ناسا مزيجاً من المنصات الجوية، ومهام الأقمار الصناعية، وعمليات التحقق الأرضية لدراسة الأرض. تتراوح هذه الأدوات من أجهزة قياس الطيف عالية الدقة على متن الطائرات إلى أنظمة الليدار والرادار المثبتة على الأقمار الصناعية.

الأساليب والأدوات الرئيسية:

المراصد الجوية: تحمل منصات مثل طائرة ER-2التابعة لناسا أجهزة قياس الطيف التصويري مثل AVIRIS(مطياف التصوير المرئي/الأشعة تحت الحمراء المحمول جواً).

الأقمار الصناعية: لاندسات (Landsat)، وموديس (MODIS) (على قمري تيرا Terra  وأكوا  Aqua)، ومهمة علم الأحياء والجيولوجيا السطحية ( Surface Biology and Geology SBG) القادمة.

الاستشعار عن بُعد: يُعدّ التحليل الطيفي، والتصوير الحراري، والليدار، والرادار تقنيات بالغة الأهمية.

التحقُّق الأرضي: تُجري فرق أرضية التحقق من صحة البيانات المُجمّعة من الأعلى.

📊 مخرجات البيانات: يُدير نظام بيانات ومعلومات نظام رصد الأرض التابع لناسا Earth Observing System Data and Information System EOSDIS) أكثر من 39 بيتابايت من بيانات علوم الأرض (بيانات ناسا الأرضية، 2023).

3. المجالات والتطبيقات المُستكشفة.

تمتد جهود ناسا في مجالي الجو والفضاء على نطاق واسع ومتعدد التخصصات. من خلال التصوير عالي الدقة والتغطية العالمية، تدعم بعثات رصد الأرض الأبحاث والتطبيقات العملية في مجموعة واسعة من المجالات:

· علم المناخ: رصد تركيب الغلاف الجوي، واتجاهات درجات الحرارة العالمية، وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري، وارتفاع مستوى سطح البحر، وذوبان الجليد القطبي. وقد لعبت بعثات مثل أكوا (Aqua) وأورا (Aura) دوراً أساسياً في رصد التغيرات في تراكيز بخار الماء والأوزون.

· علم البيئة والتنوع البيولوجي: رسم خرائط النظم البيئية، وتتبع توزيع الأنواع، ودراسة تجزئة المواطن. تساعد هذه الملاحظات في بناء نماذج لمناطق التنوع البيولوجي الساخنة، كما تُسهم في تخطيط الحفظ.

· رصد الكوارث والاستجابة لها: الكشف المبكر عن الكوارث الطبيعية ورصدها، مثل حرائق الغابات والأعاصير والزلازل والفيضانات والجفاف. تُوفر أقمار ناسا الصناعية، مثل GOES وSuomi NPP، تحديثات آنية لخدمات الطوارئ والمساعدات الإنسانية.

· الزراعة والأمن الغذائي: تُراقب المؤشرات المُستمدة من الأقمار الصناعية، مثل مؤشر NDVI (مؤشر الفرق الطبيعي للغطاء النباتي Normalized Difference Vegetation Index)، صحة المحاصيل، وتتنبأ بالغلّات، وتُقيّم إجهاد الجفاف. تقيس مهمة SMAP(مؤشر رطوبة التربة النشط السلبي Soil Moisture Active Passive) رطوبة التربة وتأثيرها على الزراعة.

· التخطيط الحضري واستخدام الأراضي: تتبّع الزحف العمراني، وتغير الغطاء الأرضي، وتطوير البنية التحتية. يدعم رصد الأرض أهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة، وخاصةً الهدف 11 المتعلق بالمدن المستدامة.

· علم المياه وموارد المياه: رصد توافر المياه العذبة، والغطاء الثلجي، والجريان الجليدي، وديناميكيات الأنهار. ترصد أقمار GRACE-FOطبقات المياه الجوفية وتغيرات تخزين المياه. الجيولوجيا واستكشاف المعادن: تحليل تركيب السطح، وكشف خطوط الصدع، ومراقبة النشاط البركاني باستخدام الرادار والتصوير الحراري.

📊 قيمة التطبيق: من المتوقع أن يصل سوق الزراعة الدقيقة القائمة على الأقمار الصناعية إلى 12,9 مليار دولار بحلول عام 2030 (أبحاث السوق المتحالفة، 2023).

4. النتائج الرئيسية لدراسات الأرض من الجو والفضاء.

على مدى عقود، قدمت ناسا ووكالات الفضاء الدولية رؤىً ثاقبة غيّرت فهم الأرض وعملياتها:

• تتبع إزالة الغابات: استُخدمت بيانات لاندسات لقياس انحسار الغابات، لا سيما في الأمازون، حيث فُقد ما يقرب من 17% من الغطاء الحرجي منذ سبعينيات القرن الماضي. تدعم هذه البيانات مبادرات إعادة التحريج العالمية وتعويض الكربون.

• اتجاهات المناخ وحلقات التغذية الراجعة: أظهرت أقمار ناسا الصناعية ارتفاعاً قدره 1,2 درجة مئوية في درجات الحرارة العالمية منذ أواخر القرن التاسع عشر، مع تضخيم قطبي أدى إلى تسارع فقدان الجليد في جرينلاند والقارة القطبية الجنوبية.

• تكوين الغلاف الجوي: وفّرت مهمتا OCO-2وAuraخرائط شاملة عالميا لتراكيز ثاني أكسيد الكربون والغازات النزرة،ً مما ساهم في تطوير نمذجة المناخ.

• ارتفاع مستوى سطح البحر: تشير بيانات قياس الارتفاع عبر الأقمار الصناعية من مهمات مثل سلسلة TOPEX/PoseidonوJasonإلى ارتفاع متوسط

مستوى سطح البحر عالمياً بنحو 3.3 ملم/سنة خلال العقود الثلاثة الماضية.

• التنبؤ بالكوارث الطبيعية: أنقذت التحسينات في نماذج التنبؤ بالأعاصير والكشف المبكر عن حرائق الغابات أرواحاً وقلّلَت الخسائر الاقتصادية.

• تأثيرات الجزر الحرارية الحضرية: استُخدمت البيانات الحرارية لقياس توزيع الحرارة في المناطق الحضرية، مما وجّه مخططي المدن في تطبيق الأسطح الخضراء والبنية التحتية للتبريد.

📂  المنشورات: استخدمت أكثر من 20,000 ورقة علمية مُحكّمة بيانات MODISوحدها، مما يؤكد تأثيرها الواسع في مختلف التخصصات العلمية (فريق علوم MODISالتابع لوكالة ناسا).

5. تطور الدراسات الجوية والفضائية للنباتات.

في حين ركّزت البعثات المبكرة على الجغرافيا الطبيعية والطقس، ازداد التركيز على أبحاث الغلاف الحيوي مع تطور التصوير فائق الطيف. وقد استفادت دراسات النباتات بشكل كبير من هذه التطورات:

• النشاط الضوئي: يمكن لأجهزة مثل MODISوAVIRISاكتشاف الاختلافات الدقيقة في تراكيز الصبغات النباتية، مثل الكلوروفيل، لتقييم معدلات التمثيل الضوئي.

• مراقبة الظواهر الجوية: تساعد مراقبة توقيت سقوط الأوراق، والإزهار، والشيخوخة عبر الفصول في نمذجة آثار تغير المناخ على النظم البيئية.

• رسم خرائط السمات النباتية: تساعد البيانات فائقة الطيف العلماء على دراسة سمات النباتات، مثل محتوى الماء في الأوراق، وتركيز النيتروجين، والتصبُّغ على نطاق إقليمي.

• كشف الإجهاد: يُحدِّد التحليل الطيفي الجوي العلامات المُبكِّرة للجفاف أو الإجهاد الناتج عن الأمراض قبل أن تصبح مرئية للعين المجردة.

📊 استخدام مؤشر الغطاء النباتي: يُستخدم مؤشر الغطاء النباتي الوطني (NDVI) في أكثر من 300 دراسة بيئية مُراجعة من قِبل النظراء سنوياً (Google Scholar، 2024).

6. دراسة حالة: ناسا تُحلّق جواً لدراسة الزهور البرية.

في ربيع عام 2023، نشرت ناسا طائرتها ER-2فوق جنوب كاليفورنيا لدراسة "الإزهار الهائل" للزهور البرية النادرة والضخمة في المنطقة. باستخدام AVIRIS-NG، رسمت المهمة خرائط لأنواع الزهور، وتصبُّغاتها، ومعدلات التمثيل الضوئي عبر المروج الشاسعة.

• لماذا الزهور البرية؟ إنها حساسة للتغيرات المناخية وتُمثل مؤشرات على صحة النظام البيئي.

• الأهداف: فهم تكيُّف النباتات، ومقاومة الجفاف، وتحسين الخوارزميات لمهام أقمار SBGالمستقبلية.

📊 بيانات ميدانية:

• تم مسح أكثر من 450 ميلاً مربعاً.

• تم تحديد أكثر من 50 نوعاً من الزهور البرية المحلية.

• ساهم التعاون مع جامعة كاليفورنيا، ديفيس، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وهيئة الحفاظ على الطبيعة في تحسين التحقق من صحة البيانات.

📂 المصدر: بيان صحفي صادر عن مختبر الدفع النفاث التابع لناسا، أبريل 2023.

7. نتائج دراسة الزهور البرية وتأثيراتها.

• تطوير الخوارزميات: تُسهم البيانات الطيفية المحمولة جواً في تصميم أجهزة استشعار SBGوخوارزميات معالجة الصور.

• مراقبة النظام البيئي: تُمكّن من جمع بيانات أساسية لتتبع تأثيرات المناخ المستقبلية.

• التأثير على السياسات: يدعم إدارة الأراضي وتخطيط الحفاظ عليها على مستوى الولايات والمستوى الفيدرالي.

📊  القيمة الاقتصادية: تُدرّ سياحة الزهور البرية في كاليفورنيا ما بين 50 و100 مليون دولار سنوياً؛ ويمكن أن تُسهم التنبؤات الأفضل في دعم الاقتصادات المحلية (حدائق ولاية كاليفورنيا، 2023).

8. مستقبل استكشاف الأرض جواً وفضائياً.

تستعد ناسا وشركاؤها للجيل القادم من المهام:

• إطلاق SBG (أواخر عشرينيات القرن الحادي والعشرين): سيرصد التنوع البيولوجي والزراعة وكيمياء السطح.

• مرصد نظام الأرض: مبادرة شاملة لدراسة أنظمة الأرض المترابطة.

• تكامل الذكاء الاصطناعي: سيُحسّن التعلُّم الآلي التحليل الفوري لبيانات الأقمار الصناعية.

📊 الإنفاق المتوقع: من المتوقع أن تصل ميزانية علوم الأرض في ناسا إلى 2,5 مليار دولار بحلول عام 2027 (مكتب الإدارة والميزانية، 2024).

9. التعاون الدولي في مجال رصد الأرض.

تتعاون ناسا عالمياً من خلال:

• كوبرنيكوس (Copernicus) (الاتحاد الأوروبي): تبادل بيانات مشترك مع أقمار سنتينل (Sentinel) التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية.

• لجنة أقمار رصد الأرض (Committee on Earth Observation Satellites CEOS): تضم 61 وكالة فضاء تُنسِّق المهام.

• مهمة نيسار (NISAR) المشتركة بين منظمة أبحاث الفضاء الهندية وناسا: قمر صناعي راداري لمراقبة النظام البيئي والحركة التكتونية.

📊 الاستثمار العالمي: من المتوقع أن يصل سوق أقمار رصد الأرض إلى 21 مليار دولار بحلول عام 2032.

الخلاصة.

تُعدّ مهمة ناسا الجوية لدراسة الزهور البرية رمزاً واضحاً لالتزام أعمق بفهم كوكب الأرض المتغير. من إطلاقات الأقمار الصناعية التاريخية إلى رحلات التحليل الطيفي المتطورة، يعكس تطور دراسات الأرض الجوية والفضائية حاجةً متزايدة لإدارة صحة الكوكب في ظلّ عدم اليقين المناخي. يشير اندماج التعاون الدولي، والاستشراف الاقتصادي، والابتكار التكنولوجي إلى مستقبل واعد، حيث ستواصل البيانات من السماء إثراء الحياة على الأرض.