הצילום שמגלה את הזיהום

איך ניתן לגלות זיהום במקור מים, באדמה או באוויר? הכלים הקיימים כיום מצריכים בדרך כלל נטילת דגימה של החומר הנבדק – מים, אדמה או אוויר – ובדיקה שלו במעבדה או בשימוש בתהליכים אחרים המסוגלים לאתר חריגה בערכים מסוימים, המעידה על זיהום. אבל האם ניתן לגלות זיהום באמצעות מבט מרחוק?

התשובה היא כן. טכנולוגיות חדשניות המפותחות כיום באקדמיה ובתעשייה בישראל מאפשרות ניטור של הסביבה, או שיפור של תהליכים בתעשייה ובחקלאות באמצעות שימוש בחיישנים. אחת הטכנולוגיות, שנחקרת כיום על ידי חוקרי היחידה להנדסת הסביבה מים וחקלאות בטכניון מבוססת על מצלמה רגישה במיוחד (אשר יוצרה במגדל העמק), המרחיבה את יכולת הראיה האנושית. המצלמה מסוגלת לתרגם שינויים מזעריים באורכי הגל הנפלטים מגופים שונים לתמונה המאפשרת זיהוי חריגות – בין אם מדובר בזיהומים או בשינויים שגרתיים.

כיצד האדם רואה? אור השמש, שהוא קרינה אלקטרומגנטית, מוחזר מגופים או מפני השטח, עובר דרך האוויר (או מים) ונקלט על ידי רשתית העין. העין קולטת את האותות והמוח מפענח אותם למופעים – אנשים, חפצים, נוף, בעלי חיים וכ"ד. למעשה המוח מצליח לזהות את הגופים והחפצים השונים מרחוק – בלי שהם נבדקו באופן פיזי על ידי מישוש, הרחה או טעימה – והוא מסיק מסקנות ביחס למהותם, זהותם או משמעותם.

שוברים את האור לחתיכות

אור השמש מורכב מספקטרום רחב של קרינה אלקטרומגנטית באורכי גל רבים ומגוונים. ישנם אורכי גל בתחום האולטרה-סגול (כ-0.3 מיקרו-מטר - מיליוניות המטר) ומן העבר השני אורכי גל בתחום האינפרא-אדום (כ-2.5 מיקרו-מטר). אולם העין האנושית מוגבלת. עין האדם רגישה לתחום אורכי גל שבין 0.480 ל 0.680 מיקרומטר, טווח הנקרא "התחום הנראה". אור (קרינה) שחורג מתחום זה ומופץ באורכי גל אחרים, לא נקלט בעין האנושית ואינו מפוענח במוח.

הטכנולוגיה החדישה, שקרויה חישה היפר-ספקטרלית, מאפשרת לשלב בין התכונות הללו: היא קולטת את האותות מרחוק – מבלי שהחומרים ייבדקו באופן פיזי, ומפענחת אותם בכלים ממוחשבים. היא גם רגישה במיוחד לאורכי גל שונים ומסוגלת לפענח ולתרגם אותם למעין מפה צבעונית, שמעידה על שינויים וחריגות – עדויות לתקלה או זיהום.

הטכנולוגיה מאפשרות להמיר את הקרינה בתחומי אורכי גל שעין האדם אינה רגישה לו לאורכי גל ב"תחום הנראה", ולהפוך אותם לתמונה (מפה) שניתן לראות. באופן זה היא מסוגלת לקלוט מידע חדש ביחס לסביבת החיים שלנו שהיה נסתר מעינינו קודם לכן: תהליכי פוטוסינתזה בצמח מתבטאים לדוגמא על ידי "בליעת" קרינה בתחום האדום; סוגים שונים של ריאקציות כימיות במים, באוויר ובקרקע, וגם תכונות של חומרים טבעיים ומלאכותיים במרחב הקיום שלנו, מתאפיינים כל אחד בצירוף של החזרות ובליעות קרינה בתחומים של אורכי גל צרים, בטווח שבין האולטרא-סגול והאינפרא-אדום.

על מנת להגביר את יכולת האבחנה בפרטים אלו, חיישני המצלמות החדשות מתוכננים להיות רגישים לשינויים בעוצמת הקרינה ובהבדלים של אורכי גל מזעריים (סדר גודל של 0.002 מיקרו מטר). אם מחלקים את טווח אורכי הגל בין קצה אחד - האולטרא סגול, והקצה השני - אינפרא-אדום, ל"רצועות" שרוחבן 0.002 מיקרומטר, מתקבלים אלפי ערוצים (רצועות). חיישנים בעלי רגישות כזו נקראים חיישנים היפר-ספקטרליים (רב-ערוציים).

מתגברים על ההשפעות החיצוניות

בתעשייה בישראל שוקדים על פיתוח חיישנים שכאלה, ובפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון עוסקים בפיתוח השיטות לניצול הנתונים שהם מספקים לשימושים שונים. בצילום היפר-ספקטרלי יחיד של אזור מפרץ חיפה למשל ניתן להבחין מרחוק בזיהום אויר מעל אזורי תעשיה והתפשטותו אל עבר אזורי מגורים. אפשר להבחין גם בזיהום מי נחלים או מי ים כתוצאה מהזרמת חומרים כימיים למים או כתוצאה מתאונות.

צילום היפר-ספקטרלי של מפרץ חיפה. יכול לאתר זיהומי אוויר ומים

ניתן לצלם שדות כותנה או חיטה ולהבחין בעדויות לנזקים של עודף או חוסר במים – מידע חיוני למגדל שמעוניין בשמירה על היבול. השינוי מתבטא בקבלת צבע שונה בתמונה, שמקורו בקרינה בתחום האינפרא-אדום. ניתן לבחון מרחוק את מצב התחזוקה של בניינים על ידי בליעת קרינה המאופיינת על ידי רטיבות בחומרי הציפוי. ניתן אפילו לבדוק הצטברות אבק על קווי מתח גבוה, תופעה הגורמת להם להגברת ההתנגדות ולהתחממות, אשר מתבטאת בצילום תרמי (כמו שעושים בחברת החשמל).

אך איתור ובדיקה של כל התופעות הללו מתצלומים היפר-ספקטרליים דורשת פיתוח של שיטות עיבוד האותות, והתמודדות עם מצבים שאינם קיימים בתנאי מעבדה. כאשר מצלמים בשטח במצלמה היפר-ספקטרלית יכולים נתוני השטח עצמו, והשפעות אחרות כמו מצב האוויר והקרינה באותו יום, להשפיע על הנתונים שמתקבלים. זו הסיבה למשל שצילום ממצלמה נייחת על מגדל גבוה או צילום ממטוס בגובה רב מציב בעיות של כיול הנתונים. בטכניון אנו שוקדים על פיתוח שיטות לפענוח המידע למרות אי-הדיוקים וההשפעות החיצוניות הללו.

שיטות אלה מיושמות בטיפול בבעיות של חקלאות, בעיות מיפוי, תכונות קרקע ובעיות ניטור מים או אוויר. במסגרת מחקר המבוצע במימון סוכנות החלל הישראלית, מותאמות שיטות אלו לשיפור יכולת ניצול המידע מתצלומי הלווין "ונוס", לווין ישראלי–צרפתי אשר מיועד לשיגור לחלל בשנה הקרובה. קבוצת מחקר ישראלית-גרמנית המתגבשת בימים אלו תחקור את יישום השיטות הללו לשיפור אפשרויות החישה מרחוק באירופה, שם קיימת השפעה קריטית של כיסוי עננים על יכולת הצילום ויכולת פענוח הנתונים.

שיפור מערכת הצילום ועיבוד הנתונים למרות ההשפעות הסביבתיות יוכל לסייע לשמירה על איכות הסביבה וייעול תהליכים תעשייתיים וחקלאיים באופן שיקדם את ישראל בהתמודדות בתחום הטכנולוגיות ה"ירוקות" המתפתחות כענף טכנולוגי מוביל בעידן הנוכחי.

• פרופ' מקסים שושני הוא מרצה בכיר ביחידה להנדסת תחבורה וגיאו-אינפורמציה שבטכניון
  

• אירועי "חכמים גם בלילה" יתקיימו ביום שני, 24 בספטמבר, בחסות משרד המדע, התרבות והספורט והאיחוד האירופי. מטרתם היא להפגיש ילדים, בני נוער ומבוגרים עם מדענים וחוקרים מתחומי המדע השונים. במסגרת האירועים יתקיימו סיורים, הדגמות, ניסויים, סדנאות והפעלות לכל המשפחה וללא תשלום, במוסדות המחקר ובמוזיאונים למדע. חוקרי הטכניון יציגו ב"מדעטק - מוזיאון המדע בחיפה , טכנולוגיות שונות בנושאי מים, סביבה ואנרגיה.
  

• לחצו כאן לעוד פרטים על פעילויות נוספות של "חכמים גם בלילה" ברחבי הארץ