הפוטנציאל הטמון בתשתיות רשת התקשורת הסלולארית לניטור ערפל

חוקר: נעם דוד

למעלה: תופעות מזג אוויר שונות לרבות גשם, ערפל ולחות גורמות לניחות הגלים האלקטרומגנטים המשודרים לצרכי העברת דאטה בין תחנות הבסיס של רשת התקשורת הסלולארית. תוך ניצול מדידות הרשת ניתן, אם כן, להשתמש בה כמערכת לניטור האטמוספרה בגבהים הסמוכים לפני הקרקע. מערכת המספקת מדידות באופן רציף בזמן ופרושה בצורה נרחבת על פני השטח. עלויות תפעול השיטה מינימאליות שכן ספקי הסלולאר אוגרים ממילא את הנתונים בהם נעשה שימוש לניטור. הקונספט החדשני נחשף לראשונה ע"י פרופסור חגית מסר ירון, ד"ר ארטיום זינביץ' ופרופסור פינחס אלפרט במאמרם: Messer, H., Zinevich, A., and Alpert, P.: Environmental monitoring by wireless communication networks, Science, 312, 713, 2006.

 

 

מחקר חדש שפורסם ע"י ד"ר נעם דוד, פרופ' פינחס אלפרט ופרופ' חגית מסר ירון חושף שיטה ייחודית לזיהוי ערפל כבד, מדידת עוצמתו וקבלת הערכת הראות בזמן התרחשותו. זאת בהתבסס על נתוני עוצמת האות הנקלט ע"י עורקי תקשורת אלחוטיים המהווים את התשתית להעברת נתונים בין תחנות הבסיס של רשת התקשורת הסלולארית.

 

מגבלות הראות הקשות הנגרמות בעטיו של ערפל כבד עשויות להוביל לתאונות חמורות בין אמצעי תחבורה שונים, לנזקים כלכליים כבדים ולאבדן בנפש. אולם, השיטות המצויות כיום לניטור התופעה לעיתים אינן נותנות מענה מספק. אמצעי הניטור כוללים מדי ראות מסוגים שונים, תצפיות עין אנושיות ומערכות לווין. מדי הראות- מספקים מדידה נקודתית ולכן מפיקים תצפיות ברזולוציה מרחבית נמוכה שלעיתים אינה מייצגת נאמנה את נוכחות הערפל האזורית. בנוסף, מדים אלו ממוקמים באתרים מסוימים בלבד בהם קיים הכרח בשימוש באינפורמציה זו, כדוגמת שדות תעופה. מערכות תצפית לווייניות- אמנם מספקות מדידות ברזולוציה מרחבית גבוהה, אך מנגד, יכולת המדידה שלהן בסמוך לפני הקרקע עלולה להיות מוגבלת בשל הפרעות הנגרמות, למשל, ע"י עננים המצויים בין קו הראיה של הלוויין לפני הקרקע- שם שורר הערפל. יתרה מכך, עלויות המכשור הייעודי למדידה וזיהוי ערפל גבוהות ודרושה תחזוקה שוטפת לצורך תפעולו התקין. צופים אנושיים- מלבד היותם מפיקים מדידות באופן שאינו "אוטומטי", ממוקמים גם הם בנקודות מסוימות בלבד על פני המרחב ואמדן הראות הניתן על ידם סובייקטיבי. שכן, אין עינו של הצופה האחד תאמוד את מרחק הראות כזו של האחר. מאידך, עורקי התקשורת האלחוטיים ממוקמים בסמיכות לפני הקרקע (בגבהים של עשרות מטרים בודדים) ופרושים בצורה נרחבת על פני השטח באזורים עירוניים והן בכאלו מרוחקים כדוגמת מדברים ואזורים לא מיושבים. המדידות מתקבלות במערכת באופן אוטומטי ובעלויות מינימאליות שכן ספקי הסלולאר מפעילים את המערכת ממילא לצרכי העברת נתונים.  פרמטרים אטמוספריים שונים לרבות גשם, לחות ובפרט- ערפל משפיעים על הערוץ האלקטרומגנטי בתחום המיקרוגל (בתדרים של עשרות גיגה הרץ) וגורמים להחלשת עוצמת הגלים הנקלטים ברשת התקשורת האלחוטית. כך מהווה זו בפועל מערכת ניטור אטמוספרית מובנית. במסגרת המחקר שנערך, נמצא כי תוך ניצול המדידות הסטנדרטיות של רשת התקשורת ניתן לזהות מצבי ערפל כבד, להעריך את ריכוז טיפונות המים שבאוויר בזמן התופעה ולאמוד את מרחק הראות הלקויה הנגרמת בגינה ע"י שימוש במודלים פיסיקליים מתאימים. האיור מציג כדוגמא את מידת ניחות אותות המיקרוגל כפונקציה של מרחק השידור כפי שנמדד ע"י מספר עשרות עורקי תקשורת אלחוטיים ביום ערפילי (a) אל מול המדידות שנלקחו ע"י המערכת ביום לח שאינו ערפילי (b). ניתן להבחין בניחות הגדל בהתאם לאורך העורק ביום האירוע (a) בשל האינטראקציה עם התווך הערפילי. הערכת הראות שהתקבלה ממדידות השיטה החדשנית נמצאה בתחום שבין 30- 70 מטרים ותאמה את הערכות הראות שהתקבלו ע"י אמצעי המדידה הייעודיים הפרושים באותו האזור.

 

 

מדידות מערכת המיקרוגל בלילה ערפילי  מתאריך 10.12.2005- (a)  אל מול מדידות המערכת בלילה לח שאינו ערפילי מתאריך 15.12.2005- (b). כל נקודה באיור מייצגת מדידה אחת אשר נלקחה ע"י עורק מיקרוגל אחד בסמיכות לשעה 03:30 לפנות בוקר (זמן מקומי). המערכת פועלת בתדר של כ-38 גיגה הרץ. המדידות התבצעו באזור העיר ת"א ע"י 88 עורקים במהלך האירוע הערפילי ו 68 עורקים במהלך הלילה שאינו ערפילי, בהתאם לזמינות הנתונים בכל מועד (מקור האיור: (David, Alpert, and Messer, JGR- Atmos., 2013.

 

המחקר הניב פטנט ופורסם לאחרונה במגזין האמריקאי Journal of Geophysical Research- Atmospheres. הנתונים למחקר שנערך בשיתוף בין החוג למדעי כדור הארץ וביה"ס להנדסת חשמל באוניברסיטת ת"א נמסרים, פרו-בונו, על ידי החברות סלקום, פלאפון ופרטנר. הנתונים המטאורולוגיים ונתוני הראות נמסרו ע"י השירות המטאורולוגי הישראלי, המשרד להגנת הסביבה וחברת מטאו-טק.

 

למאמר בנושא ב-physicstoday >

אוניברסיטת תל-אביב, ת.ד. 39040, תל-אביב 6997801
UI/UX Basch_Interactive