Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 31 בינואר, 2019

כיצד מודדים את כמות הגשם?

תַקצִיר

אני די בטוח שאתם חוֹוִים גשמים בקביעוּת, ולפעמים אפילו די מתרטבים מהם, כשאין לכם ביגוד מתאים. ירידת גשמים היא גם מַשְׁאָב נחוץ היות שהגשמים ממלאים את הנחלים במים מתוקים, וגם אִיּוּם פוטנציאלי, שֶׁכֵּן גשם כבד עלול לגרום להצפוֹת, לפעמים במהירות רבה. צעד נחוץ מאוד במטרה להבין טוב יותר את תופעת הטבע הזו הוא למדוד אותה נכון. מתברר שהדבר די מְתַעְתֵּעַ, שֶׁכֵּן הגשמים משתנים מאוד בין זמנים שונים ומקומות שונים. במאמר זה תלמדו על התפקוד של שלושה מכשירים למדידת גשמים הַמְּסַפְּקִים מידע על כמות הגשם המצטבר (מד גשם עם ריקוּן עצמי), על גודל טיפות הגשם ומהירותן (דיסדרוֹמטר) ועל מפוֹת גשם (רדארים של מזג אוויר).

גשם הוא אחת התופעות הנפוצות ביותר על פני כדור הארץ, ואני בטוח שאתם עֵדִים לגשם על בסיס קבוע. לפעמים אתם מוכנים לקראתו בביגוד מתאים, ולפעמים לא! לפעמים זהו גשם קל שנמשך זמן רב, לפעמים גשם כבד אך קצר ולפעמים כבד וממושך. כאשר הגשם כבד ונמשך זמן רב הוא עלול לגרום לשיטפונות מהירים, שמסוכנים לאוכלוסייה הסמוכה. ירידת גשם היא גם הֶכְרֵח, היות שהגשם מְסַפֵּק מים לצמחים, ולבסוף ממלא נהרות. היות שירידת הגשם היא גם משאב נחוץ וגם אִיּוּם, חשוב להבין טוב יותר את התופעה הטבעית הזו.

סביר להניח כי כבר שמתם לב לכך שהגשם משתנה במהלך הזמן. כאשר נשארים באותו מקום, לא יורד שָׁם גשם כל הזמן. אפילו בזמן אירוע גשם עוצמת הגשם יכולה להשתנות כל הזמן, מגשם קל מאוד לגשם כבד מאוד. תקופות הגשמים החזקים יותר הן בדרך כלל די קצרות. שוֹנוּת מסוג זה בירידת הגשם ניכרת גם בקנה מידה גדול, שֶׁכֵּן כפי שאתם יודעים יש חודשים (או שנים) רטובים יותר ויש רטובים פחות. יש גם שוֹנוּת במקום שבו יורד גשם. ייתכן שירד הרבה מאוד גשם במקום אחד, ובמרחק של כמה קילומטרים משם, ואולי אפילו כמה מטרים, לא ירד גשם כלל, או ירד גשם בעוצמה שונה.

המאפיין הבסיסי של ירידת גשמים הוא שוֹנוּת, הגורמת לכך שמדידת הגשמים מסובכת. מֶטֶאוֹרוֹלוֹגִי (אנשים החוקרים את מזג האוויר) וחוקרים פיתחו כמה מכשירי מדידה המאפשרים להם ללמוד על השוֹנוּת הגדולה בירידת הגשמים. במאמר זה מוסברים התפקודים של שלושה מהמכשירים שהשימוש בהם הוא הנפוץ ביותר. הנתונים המוצגים נאספו בבית הספר הטכנולוגי Ecole des Ponts שבפריז.

כיצד אנו מודדים את כמות הגשם היורד?

מדידת הגשמים הנפוצה ביותר היא כמות הגשם סך הכול במהלך תקופה נתונה, הנמדדת במילימטרים (מ”מ). למשל, ייתכן שנרצה לדעת כמה מילימטרים של גשם הצטברו במהלך שעה אחת, יום אחד, חודש אחד או שנה אחת.

אתם יכולים לקבל הַעֲרָכָה גסה לכמות הגשם בקלוּת ובביתכם. עליכם פשוט לפעול לפי השלבים האלה: (1) קחו בקבוק שצדדיו חלקים, חתכו את חלקו העליון והניחו את הבקבוק החתוך הפוך על החלק העליון שלו, ליצירת מעין מַשְׁפֵּךְ (ראו איור 1A); (2) הדביקו סרגל על צידו של הבקבוק, ומלאו את הבקבוק במים עד לגובה האפס שבסרגל. אם לא תעשו זאת, הבליטותֹ ישפיעו על המדידה; (3) הוציאו החוצה את מד הגשם שלכם, רחוק ככל האפשר מבניינים וּמֵעֵצִים; (4) בדקו את גובה המים בתדירות קבועה (למשל, בכל בוקר בשעה 8:00, לפני יציאתכם לבית הספר) כדי לאסוף את הנתונים שלכם.

איור 1 - A. מד גשם תוצרת בית. B. מד גשם מקצועי עם ריקון עצמי.
  • איור 1 - A. מד גשם תוצרת בית. B. מד גשם מקצועי עם ריקון עצמי.
  • C. דוגמה לנתונים המתקבלים מִמַּד הגשם עם ריקון עצמי, המראֶה כמה גשם (במ“מ, ציר Y) ירדו במשך זמן נתון (ציר X), ב־27 ביוני 2017 בבית הספר הטכנולוגי Ecole des Ponts. הזמן המצוין הוא זמן שעון של יום המדידה. העלייה המהירה ביותר, המתאימה לגשם החזק יותר, התרחשה בין שעה 13:00 לשעה 14:00. Funnel = מַשְׁפֵּךְ Buckets = כלי קיבּוּל Cumulative rainfall depth (mm) = כמות גשם מצטבר (מ”מ) Time (h) = זמן (שעות)

אם אתם מתכננים לבצע את המדידות שלכם בחודשי הקיץ, חלק מהמים שבבקבוק יתאדוּ (עד כמה מ“מ ליום), דבר שישפיע על המדידות שלכם. כדי למנוע זאת אתם יכולים להוסיף למים שכבה דקה של שֶׁמֶן. היות שהשמן קל מהמים הוא יצוף על המים וימנע את האידוי. תוצאות המדידות שתקבלו מִמַּד הגשם שלכם יעידו על כמות הגשם שירד במשך תקופת זמן מסוימת.

אנשי מקצוע משתמשים במכשירים מורכבים יותר הנקראים מד גשם עם ריקון עצמי. אחד מהם מוצג באיור 1B. מד גשם זה נראה כמו המכשיר תוצרת בית שלכם, ההבדל הוא שיש בו שני כלי קיבול מתחת למשפך. המים הנכנסים למד הגשם ינותבו על-ידי המשפך לכלי קיבול אחד. ברגע שכלי הקיבול הזה מתמלא, בדרך כלל כעבוֹר 0.2 מ”מ גשם, המכשיר מתוכנן כך שהוא ייטה באופן אוטומטי, כלומר עכשיו כלי הקיבול השני יימצא מתחת למשפך. התהליך מתחיל שוב מההתחלה בכלי הקיבול השני, עד שהוא מתמלא ונוטה. מד הגשם מתעד את זמני נטיית כלי הקיבול, וכך החוקר מקבל נתונים על מהירות ירידת הגשמים במהלך הזמן. איור 1C מציג דוגמה לנתונים שיכולים להתקבל ממד גשם בריקון עצמי. תצפיות אלה התקבלו ב־27 ביוני 2017. כמות הגשם (במ“מ) עלתה במהירות בין שעה 13:00 לשעה 14:00, כלומר בזמן הזה ירד הרבה גשם. במהלך זמן שבו יורד גשם קל מכשיר זה אינו מדויק במיוחד. למשל, בין שעה 05:15 לשעה 13:00 אפשר רק לומר כי ירדו 0.2 מ”מ גשם (נטייה אחת של כלי הקיבול), אבל אי אפשר לדעת בדיוק מתי ירד הגשם הזה. גם רוח חזקה עלולה להשפיע על דיוק המדידה של המכשיר.

כיצד אנו מודדים את גודל טיפות הגשם?

ממה עשוי הגשם? טיפות גשם, כמובן! מַדֵּי גשם אינם רגישים מספיק כדי לבצע מדידות של טיפות גשם נפרדות. כדי להתחיל לאסוף נתונים על טיפות הגשם ועל גודלן אתם זקוקים למכשיר הנקרא דיסדרוֹמטר.

לפני תיאור דיסדרומטר “אמיתי”, הנה דרך להכנתו בבית (ראו במקור [1] תיאור מפורט יותר). פעלו לפי השלבים האלה: (1) קחו צלחת ופזרו על כולה שכבת קמח בעובי של כמה מ“מ; (2) כאשר יורד גשם צאו החוצה עם הצלחת מכוסה, הסירו את הכיסוי למשך שניות אחדות כדי שכמה טיפות גשם ייפלו על הצלחת וייצרו מַכְתְּשִׁים קטנים, וחזרו פנימה; (3) נתחו את התוצאות.

אתם תראו משהו הדומה למוצג באיור 2A, ותשימו לב שלא לכל הטיפות אותו גודל – חלק מהן קטנות מאוד, וחלק ענקיות! למעשה, המכתשים גדולים מהטיפות כי המים מעט מתפשטים אחרי שהם פוגעים בצלחת, אבל למרות זאת הם מאפשרים לכם לחזוֹת ישירוֹת בשוֹנוּת הָרַבָּה שֶׁיֶּשְׁנָהּ בגודל הטיפות, גם במשך זמן קצר מאוד.

כפי שאתם יכולים לדמיין לעצמכם, מטאורולוגים וחוקרים רצו מכשיר שיהיה אוטומטי ומדויק יותר מאשר צלחת קמח! כיום משתמשים בעיקר בדיסדרומטרים אופטיים, המתפקדים כפי שמוצג באיור 2B. סוג זה של דיסדרומטר עשוי משני חלקים: מַשְּדֵּר ומַקְלֵט. המַשְּדֵּר מייצר משטח של אור שגובהו כמה מ“מ. המַשְּדֵּר מסודר באותה שורה עם המַקְלֵט, כלומר כאשר לא יורד גשם המַשְּדֵּר מקבל את כל האור. אולם כאשר טיפה עוברת דרך משטח האור, נחשו מה קורה? כמות האור המתקבלת קטנה יותר כי חלק ממנו נחסם על-ידי הטיפה. אם הטיפה נופלת מהר מאוד, משך פחיתת האור יהיה קצר. כך מעריכים את קצב (מהירות) ירידת הטיפה. אם הטיפה גדולה, האות שנמדד על-ידי המַשְּדֵּר יפחת יותר מאשר הפחיתה המתרחשת כאשר הטיפות קטנות יותר. כך מעריכים את גודל הטיפות. באופן זה נמדדים הגודל והמהירות של כל טיפה העוברת בין המַקְלֵט ובין המַשְּדֵּר.

איור 2 - A. מדידות המתקבלות מדיסדרומטר תוצרת בית, העשוי מקמח על צלחת.
  • איור 2 - A. מדידות המתקבלות מדיסדרומטר תוצרת בית, העשוי מקמח על צלחת.
  • B. דיסדרומטר אופטי. מורכב ממַשְּדֵּר המייצר מִשְׁטָח של אור לכיוון המַקְלֵט. כאשר טיפה נופלת דרך המכשיר מוטל צל על המַקְלֵט (ראו במקורות [12] מאמר מדעי המתאר שימוש במכשיר זה). C. נתוני דיסדרומטר המראים את מספר הטיפות, בהתבסס על סיווג לפי הגדלים שלהן שנמדדו במהלך אירוע ירידת גשם שהתרחש ביוני 2017 מעל בית הספר הטכני Ecole des Ponts שבפריז. בציר X אפשר לראות את קוטר הטיפות בכל סוג, ובציר Y את מספר הטיפות בסוג זה. כפי שאתם רואים, הרוחב של סוגי הטיפות השונים אינו תמיד אחיד. הוא קטן יותר עבור הטיפות הקטנות, שמופיעות בכמות רבה יותר. D. קצב ירידת הגשם ביחידות של מ”מ לשעה (ציר Y) כתלות בזמן (ציר X), במהלך אותו אירוע גשם המתואר ב־C. גרף זה מראֶה שאירעו שלושה שיאי גשם באותו יום. Light sheet = מִשְׁטָח של אור Drop = טיפה Transmitter = מַשְּדֵּר Detector = גַּלַּאי Number of drops in class = מספר הטיפות בסוג D (mm) = קוטר (מ“מ) R (mm·h-1) = רדיוס (מ”מ לשעה) Time (h) = זמן (שעה)

טיפות גשם יכולות להגיע לגודל של 6-5 מ”מ. טיפות גדולות יותר מתפצלוֹת במהלך נפילתן. בגודל זה, הן בהחלט אינן חזקות מספיק כדי להתנגד לכוחות הרוח הנושבת עליהן, כאשר הן נופלות במהירוּת. המהירוּת שבּה הטיפות יורדות עולה ככל שהן גדולות יותר: טיפות שגודלן 1 מ“מ יורדות בקצב של 3 מטר לשנייה, בעוד שטיפות שגודלן 5 מ”מ (גדולות מאוד) יורדות בקצב של 8 מטר לשנייה. איור 2C מראֶה את מספר הטיפות בכל גודל שיורדות במהלך סערה שהתרחשה ב־27 ביוני 2017 באזור פריז. יש הרבה יותר טיפות קטנות מאשר טיפות גדולות. אבל, אל תשכחו שהנפח של טיפה שגודלה 1 מ“מ קטן פי 125 מהנפח של טיפה שגודלה 5 מ”מ! פירושו של דבר, שאף שֶׁטִּיפּוֹת גדולות אינן רבּות, הן אלה שאחראיוֹת לעיקר כמות הגשם. בואו נתייחס למדרגות זמן רצופות של 30 שניות. אחר כך, על-ידי הוספת הנפח של כל הטיפות שעברו בדיסדרומטר במהלך כל מדרגת 30 שניות, אפשר להעריך את כמות הגשם שירדה במהלך כל אחת ממדרגות ה־30 שניות. הַעֲרָכָה זו תיתן את קצב ירידת הגשם, ובדרך כלל היא מבוטאת ביחידות של מ“מ לשעה. קצב ירידת הגשם נותן מושג על חוזקו. קצב ירידת הגשם תוֹאֵם לכמות הגשם שיצטבר במשך שעה אחת, בהנחה שקצב ירידת הגשם נשמר קבוע במהלך אותה שעה (דבר שלמעשה אף פעם לא קורה). איור 2D מראֶה את קצב ירידת הגשם (במ”מ לשעה), במדרגות של 30 שניות, במהלך אותו אירוע גשם ב־27 ביוני 2017. בגרף אפשר לראות בקלות את השוֹנוּת הרבָּה בקצב ירידת הגשם.

כיצד מכינים מפות גשם?

עד כה דנו רק במכשירים שיכולים לספֵּק מדידות של הגשם היורד במיקום מסוים. גם מַדֵּי הגשם וגם הדיסדרומטרים רק נותנים לנו מושג על הגשם שירד עליהם, אבל לא על האזורים שבסביבתם או שנמצאים במרחק של 20 ק“מ מהם. כדי ליצור מפות גשם, שהן מפות המראוֹת את כמות הגשם היורד ביחידת זמן מסוימת (למשל 5 דקות או שעה אחת) במקומות רבים, אנו צריכים להסתמך על רדאר מזג אוויר.

התפקוד של רדאר מזג אוויר מסוכם באיור 3A. ראשית, ציוד הרדאר מְשַׁדֵּר גל אלקטרומגנטי לכיוון אחד, המעביר כמות אנרגיה מסוימת דרך האטמוספרה. כאשר אנרגיה זו מגיעה לטיפת מים שבענן, חלק זעום של אותה אנרגיה נשלח בחזרה לציוד הרדאר. אחר כך, הציוד מודד את כמות האנרגיה הזעומה הזו שהגיעה מהטיפות. בעזרת תוכנות מחשב מיוחדות אפשר להמיר את כמות האנרגיה שהתקבלה לכמות של גשם. חשוב לזכור שרדאר אינו מודד ישירות את כמות הגשם, אלא הוא מודד את כמות האנרגיה שמוחזרת מהטיפות. מתברר כי ההמרה הזו של אנרגיה לכמות גשם מתעתעת, ועדיין מתקיים מחקר במטרה לשפר זאת [3]. למשל, כיום מניחים כי התפלגות גודל הטיפות וכן מיקום הטיפות בפיקסל של הרדאר הם הומוגניים. זהו פישוט יֶתֶר של המציאוּת, שעלול להשפיע על המדידות [4]. תוכנת המחשב מאפשרת לציוד הרדאר להעריך את כמות הגשם במקומות מרוחקים ממנו. ציוד הרדאר יכול להסתובב, והוא גם יכול לשנות את הזווית שלו, כך שהוא יכול להעריך את קצב הגשם בכל סביבתו.

איור 3 - A. רדאר של מזג אוויר פועל על-ידי שליחת גל לאטמוספרה, והטיפות מחזירות חלק ממנו לרדאר.
  • איור 3 - A. רדאר של מזג אוויר פועל על-ידי שליחת גל לאטמוספרה, והטיפות מחזירות חלק ממנו לרדאר.
  • הציוד המוצג ממוקם בבית הספר הטכנולוגי Ecole des Ponts שבפריז. B. מפת גשם שנוצרה תוך שימוש ברדאר ב־15 בספטמבר 2016 במשך 3 דקות ו־40 שניות. שני תאי גשם חזקים מאוד ניכרים בחלק התחתון של המפה. Precipitation = מִשׁקעים Returning echoes = הֵדִים מוחזרים Radar = רדאר Transmitted electro-magnetic wave = גל אלקטרומגנטי שמשודר Rain rate (mm/h) = קצב הגשם (מ”מ לשעה)

כתלוּת בסוג הרדאר אפשר להעריך גשמים היורדים עד 200-150 ק“מ ממיקום ציוד הרדאר. בכמה מדינות מפותחות יש רשת של ציודי רדאר. על-ידי שילוב הנתונים המתקבלים מכל ציודי הרדאר השונים אנו יכולים לקבל מפות גשם מעל המדינה כולה. איור 3B מראֶה דוגמה של מפת גשם מרדאר שנמדדה על-ידי ציוד הרדאר שנמצא בבית הספר הטכנולוגי Ecole des Ponts שבפריז. אפשר לראות את השוֹנוּת בגשמים – שימו לב לשני תאי הגשם החזקים מאוד בחלק התחתון של המפה, בצהוב ובאדום.

מה למדנו?

יש שוֹני גדול מאוד בגשמים שיורדים, הן במהלך הזמן והן בין מיקומים שונים, דבר הַמַּקְשֶׁה עלינו מאוד את המדידה. מד גשם אוסף את המים היורדים עליו, ומקליט את השינוי בכמות הגשם, המבוטאת בדרך כלל במ”מ, לאורך הזמן. בעזרת דיסדרומטרים אפשר לקבל מידע מדויק הרבה יותר. דיסדרוֹמטר מייצר משטח של אור, שבחלקו נחסם כאשר טיפת גשם יורדת דרכו. הגודל של כל טיפה וטיפה ומהירוּת המעבר של הטיפות דרך משטח האור, מוערכים מכמות האור שנחסם. כדי ליצור מפות גשם שמודדות את הגשם באזורים רבּים יש להשתמש ברדאר, ששולח לאטמוספרה כמות אנרגיה מסוימת, ומנתח את כמות האנרגיה המוחזרת אליו לאחר שהיא מְנַתֶּרֶת חזרה מטיפות גשם שנמצאות באטמוספרה. עדיין יש מדענים רבּים שמחפשים דרכים למדידה מדויקת של הגשמים במהלך הזמן ובמקומות שונים בו בזמן.

מילון מונחים

מד גשם עם ריקוּן עצמי (Tipping bucket rain gauges): מכשיר המודד את כמות הגשם המצטבר (במ“מ) במקום מסוים.

דיסדרוֹמטר (Disdrometer): מכשיר המודד את הגודל של כל טיפת גשם העוברת דרכו, ואת מהירותה.

רדאר של מזג אוויר (Weather radar): מכשיר המאפשר לְחַשֵּׁב מפות גשמים באזורים נרחבים, עבור מִגְוָן מדרגות זמן (למשל, 5 דקות, שעה אחת ויום אחד).

הומוגני (Homogeneous): אחיד, היוֹת הדבר מאותו סוג בכל מקום.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

המחבּרים מודים על תמיכה כלכלית חלקית מִטַּעַם יושב ראש ”הידרוֹלוֹגיה עבוּר ערים בעלוֹת חֹסֶן“ (נתרם על-ידי Veolia) של בית הספר הטכנולוגי Ecole des Ponts שבפריז.


מקורות

[1] Gires, A., Muller, C. L., le Gueut, M.-A., and Schertzer, D. 2016. Making rainfall features fun: scientific activities for teaching children aged 5–12 years. Hydrol. Earth Syst. Sci. 20:1751–63. doi: 10.5194/hess-20-1751-2016

[2] Gires, A., Tchiguirinskaia, I., and Schertzer, D. 2016. Multifractal comparison of the outputs of two optical disdrometers. Hydrol. Sci. J. doi: 10.1080/02626667.2015.1055270

[3] Berne, A., and Krajewski, W. F. 2013. Radar for hydrology: unfulfilled promise or unrecognized potential? Adv. Water Resour. 51:357–66. doi: 10.1016/j.advwatres.2012.05.005

[4] Schertzer, D., Tchiguirinskaia, I., and Lovejoy S. 2012. “Getting higher resolution rainfall estimates: X-band radar technology and multifractal drop distribution,” in Proceedings of the Weather Radar and Hydrology Symposium Held in Exeter, UK, April 2011. (Vol. 351), IAHS Publ. p. 672.