डॉ. सुवर्णा मेघश्याम पुनाळेकर
आपल्या घरातील अन्न गरम करणाऱ्या मायक्रोवेव्हमधील, तसेच वायफाय यंत्रणेत वापरल्या जाणाऱ्या लहरी काय करू शकतात याची आपल्याला कल्पना नाही. पृथ्वीच्या अभ्यासात त्यांना महत्त्वाचं स्थान आहे. तसेच सूर्यमालेतील इतर ग्रहांच्या भूभागाचा ठाव घेण्यासाठीही त्यांचा उपयोग होत आहे. या लहरींचा आधार घेऊन संशोधनात अतिशय मोलाच्या ठरणाऱ्या उपग्रहांविषयी..
‘‘अच्छा, तुम्हाला तुमचं हरवलेलं शहर शोधायला आमचं अंतराळ यान वापरायचं आहे तर?’’ नासाच्या शटल इमेजिंग रडार (SIR), या प्रोजेक्टचे प्रमुख चार्ल्स एलाची यांनी माहितीपटकार निकोलस क्लॅप यांना हा प्रश्न १९८३ मध्ये झालेल्या त्यांच्या भेटीत विचारला होता. नुकतीच एलाचींना सहारा वाळवंटात लाखो वर्षांपूर्वी लुप्त झालेल्या मोठय़ा नद्यांची पात्र कोलंबिया या अंतराळ यानात बसवलेल्या काही सेन्सर्सच्या साहाय्याने शोधली. त्यांनी वापरलेले तंत्रज्ञान, सहाराच्या त्या गूढ, विराण वाळवंटाने गिळून टाकलेल्या उबार या एके काळी गजबजलेल्या व्यापारी वसाहतीचा ठावाठिकाणा शोधू शकेल का, हा प्रश्न क्लॅप यांना पडला होता. क्लॅप आणि एलाची यांच्यातील ती भेट पुरातत्त्वशास्त्रातील संशोधनासाठी उपग्रहांचा वापर करणाऱ्या ‘स्पेस आर्किओलॉजी’ या आगळय़ावेगळय़ा क्षेत्राच्या पायाभरणीसाठी फार उपयुक्त ठरली. पुढील दहा-वीस वर्षांत ओमान या देशात दक्षिणेला, एका लुप्त ओअॅयसिसचे आणि त्याभोवती वसलेल्या उबारचे अवशेष शोधण्यात क्लॅप आणि नासातील संशोधक रोनाल्ड बॉन यांना यश मिळाले. चॅलेंजर या यानातून घेतलेल्या विशिष्ट छायाचित्रांनी साधारणत: २००० वर्षांपूर्वी अस्तित्वात असलेल्या या वसाहतीचे अचूक स्थान शोधून दिले. परंतु पार वाळूच्या जाड थरांखाली दडून गेलेल्या पुरातन वसाहतींच्या खाणाखुणा अवकाशातून कशा बरे दिसल्या असतील? यासाठी आपल्या डोळय़ाला दिसणाऱ्या ‘व्हिसिबल’ प्रकाश लहरींपेक्षा लांब तरंगलांबी (वेव्हलेन्थ) असणाऱ्या मायक्रोवेव्ह या लहरी उपयोगी ठरल्या. आपल्या घरातील अन्न गरम करणाऱ्या मायक्रोवेव्हमध्ये, तसेच वायफाय यंत्रणेत वापरल्या जाणाऱ्या याच त्या लहरी.
वरून दिसणाऱ्या पृथ्वीच्या पृष्ठभागाखाली अनेक घडामोडी सतत घडत असतात- ज्यांची माहिती मिळवणे एकदंरीत पर्यावरणाच्या अभ्यासासाठी अत्यावश्यक असते. याखेरीज, सतत ढगाळ वातावरण असलेल्या प्रदेशांत, जसे की- सागरी बेटे, उष्णकटिबंधीय जंगले, समशीतोष्ण आणि ध्रुवीय प्रदेश येथील नियमित स्वरूपात माहिती केवळ ऑप्टिकल छायाचित्रांतून मिळवणे शक्य होत नाही. मायक्रोवेव्ह लहरी ढगांच्या, धुक्याच्या आरपार जाऊ शकतात, आणि त्यामुळे ऑप्टिकल उपग्रहांपेक्षा अधिक नियमितपणे मायक्रोवेव्ह उपग्रहांनी काढलेली छायाचित्रे उपलब्ध होऊ शकतात. विशेषत: वादळी, ढगाळ दिवसांत पूर परिस्थितीचा अंदाज घेण्यासाठी लवकरात लवकर अशी उपयुक्त छायाचित्रे मिळवणे वित्त आणि जीवितहानी टाळण्यासाठी महत्त्वाचे असते.
मायक्रोवेव्ह स्पेक्ट्रममध्ये तरंगलांबी ही सामान्यत: १ मीमी ते ३० सेमी इतकी असू शकते. जेवढी लांबी अधिक तितकी पृष्ठभाग भेदून आत शिरण्याची क्षमता अधिक. विशेषत: ‘एल’ बॅण्ड लहरी (-३० सेमी) वालुकामय किंवा बर्फाच्छादित पृष्ठभागाच्या १ ते ५ मी इतक्या खोलवर जाऊ शकतात. हा गुणधर्म लक्षात घेऊन, १९७०-८० च्या दशकात डॉ. एलाची आणि त्यांचे सहकारी मायक्रोवेव्ह लहरींचा वापर पृथ्वीवरील तसेच सूर्यमालेतील इतर ग्रहांवरील काही भौगोलिक तसेच भूगर्भशास्त्रीय गोष्टींच्या अभ्यासासाठी करता येईल का याचे संशोधन करत होते. त्यातूनच एलाची यांना प्रायोगिक तत्त्वावर काही मायक्रोवेव्ह सेन्सर्स अंतराळात झेपावणाऱ्या यानात बसवावे आणि त्यातून मिळणाऱ्या इमेजेसमध्ये दृष्टीआडच्या पृथ्वीवरील सृष्टीचं दर्शन घडते का ते पाहावे, अशी कल्पना सुचली. आश्चर्यकारकरीत्या वर उल्लेख केलेल्या सहारा वाळवंटातील लुप्त नद्यांच्या पात्रांचा आणि वसाहतींचा शोध या छायाचित्रांमुळे लागला. या आणि अशाच आधीच्या काही प्रायोगिक मोहिमांतून समुद्राच्या लाटांचं विशेषत: खराब वादळी हवामानातील स्वरूप, तसेच ध्रुवांवरील वितळणारे आणि कोसळून समुद्राधीन होणारे बर्फाचे कडे, असे बरेच काही मायक्रोवेव्ह लहरींच्या साहाय्याने अभ्यासात येईल, हे शास्त्रज्ञांच्या लक्षात आले. ‘सीसॅट’ हा पहिला मायक्रोवेव्ह उपग्रह १९७८ मध्ये आकाशात झेपावला. त्यांनतर पुढील दशकांमध्ये विविध मायक्रोवेव्ह उपग्रह, जसे की भारताचे ‘रीस्याट’, जपानी ‘आलोस पल्सार’ आणि युरोपिअन ‘सेंटीनेल-१’, इत्यादी पृथ्वीच्या भोवती विविध कक्षांमध्ये स्थिरावले.
यातील पृथ्वीनिरीक्षण करणारे बहुतांश उपग्रह ‘अॅेक्टिव्ह’ अर्थात सक्रिय या प्रकारात मोडतात. ऑप्टिकल उपग्रह हे परावर्तित सूर्यकिरणाचेच मापन करत असतात. म्हणून त्यांना ‘पॅसिव्ह’ उपग्रह म्हणतात. परंतु सूर्यप्रकाशात, तसेच पृथ्वीमधून उत्सर्जित होणाऱ्या प्रकाशात मायक्रोवेव्ह लहरींचे प्रमाण फारच कमी असते. त्यामुळे या मायक्रोवेव्ह उपग्रहांना सूर्यावर अवलंबून न राहता स्वत:चा प्रकाशस्रोत घेऊन फिरावे लागते. हे उपग्रह मायक्रोवेव्ह लहरींचा ‘टॉर्च’ अर्थात प्रकाशझोत पृथ्वीच्या दिशेने पाठवतात. त्यानंतर परावर्तित झालेल्या प्रकाशाचे आणि त्याच्या एकंदरीत ‘रिटर्न जर्नी’ला लागलेल्या वेळेचे अचूक मापन करतात. यातूनच ‘रडार बॅकस्कॅटर’ अर्थात मायक्रोवेव्ह सिग्नलचे मोजमाप मिळते. आपण समुद्र किनारी, हवामानमापन केंद्राच्या किंवा मिलिटरी बेसच्या जवळ ‘रडार’ यंत्रणा पाहतो. त्याही थोडय़ाफार फरकाने अशा प्रकारे स्वत:चा स्रोत वापरून लांबवरच्या गोष्टींची माहिती मिळवत असतात.
मायक्रोवेव्ह (किंवा रडार) छायाचित्रांचे आपल्याला दिसण्यासाठी केले जाणारे ‘इमेज’रूपी चित्रण हे फार स्पष्ट नसते. जंगल, शहर, जलाशय या ऑप्टिकल इमेजेसमध्ये सहज दिसणाऱ्या गोष्टी धूसर दिसतात. पण या अस्पष्टतेत, ज्या गोष्टींपासून परावर्तित होऊन या लहरी आल्या आहेत, त्या गोष्टींविषयी दोन महत्त्वपूर्ण संदेश असतात – पहिला, त्या गोष्टी खडबडीत आहेत की गुळगुळीत, याची माहिती देतो. समजा उपग्रहाने सोडलेला किरणांचा झोत जर नितळ शांत जलाशय किंवा समुद्रावर पडला तर त्याच्यातील बहुतांश किरणे उपग्रहापासून विरुद्ध दिशेला परावर्तित होतात. जसे आपण आरशाच्या एका बाजूला उभे राहून त्याच्या मध्यावर टॉर्च मारला तर आपल्या विरुद्ध बाजूला त्याचा झोत पडतो, तसेच हे. त्यामुळे असे जलमय भूभाग मायक्रोवेव्ह इमेजमध्ये सामान्यत: गडद काळोखी दिसतात. याउलट जर उपग्रहांतून येणारे किरण जंगलांवर किंवा इमारती, पूल यावर पडले तर त्यातील किरण अनेक बाजूला विखुरतात. उपग्रहाच्या दिशेनेही त्यातील बरेचसे किरण परतीचा प्रवास करतात. त्यामुळे जलाशयांच्या तुलनेत असे खडबडीत, उंच सखल पृष्ठभाग जास्त चमकदार दिसतात. तसेच ज्या वेळी अथांग समुद्राच्या नितळ कांतीवर मोठय़ा लाटा उठतात किंवा मोठाली जहाजे मार्गस्थ होतात त्या वेळी गडद आणि चमकदार रांगोळीच मायक्रोवेव्ह इमेजेसमध्ये दिसू लागते.
मायक्रोवेव्ह बॅकस्कॅटर मधील दुसरा महत्त्वाचा संदेश भूपृष्ठावरील गोष्टींच्या डायइलेक्ट्रिक कॉन्स्टन्ट अर्थात पराविद्युत स्थिरांकाशी संबंधित असतो. सोप्या शब्दांत सांगायचं तर हा स्थिरांक एखाद्या गोष्टीत लहरी किती सहजतेने शोषल्या जातात आणि परावर्तित होऊ शकतात याची कल्पना देतो. उदाहरणार्थ पाण्याचा डायइलेक्ट्रिक कॉन्स्टन्ट खूप जास्त असतो, तर हवेचा आणि सुक्या मातीचा, वाळूचा फार कमी. जेव्हा लहरी हवेतून प्रवास करून नितळ पाण्यावर येऊन आदळतात, तेव्हा त्याच्या उच्च स्थिरांकामुळे त्या जोरकसपणे परावर्तित होतात. मात्र वर उल्लेख केल्याप्रमाणे हे परावर्तन सेन्सरच्या विरुद्ध दिशेला होते आणि त्यामुळे पाणी गडद दिसते. आता समजा लहरी ओल्या मातीवर पडल्या, तर त्याआधी शोषल्या जातात आणि तितक्याच जोमाने पुन्हा बाहेर बहुविध दिशांना उत्सर्जित केल्या जातात. त्यामुळे ओली माती मायक्रोवेव्ह इमेजेसमध्ये जास्त चमकदार भासते. याउलट दुष्काळी भागातली सुकी माती किंवा वाळूमधून मायक्रोवेव्ह लहरी फार शोषल्या किंवा परावर्तित केल्या जात नाहीत आणि अशा शुष्क जागा मायक्रोवेव्ह इमजेमध्ये तुलनेने गडद दिसतात. ओल्या मातीत मात्र या लहरी फार खोलपर्यंत जाऊ शकत नाहीत. त्यामुळे अशा ओलसर मातीखाली दडलेली रहस्य मायक्रोवेव्ह लहरी फार शोधू शकत नाहीत. परंतु विज्ञान तंत्रज्ञानाच्या जगात एका गोष्टीतील मर्यादा ही दुसऱ्या समस्येवरील उपाय असू शकते. तेव्हा, मायक्रोवेव्ह लहरींचा उपयोग जमिनीत पाण्याचे किती प्रमाण आहे हे मोजण्यासाठी केला जातो. त्यामुळे विशेषत: प्रचंड पावसानंतर किंवा हिमनद्या/तलाव अचानक विरघळून होणाऱ्या भूस्खलनाची आगाऊ सूचना देण्यासाठी ह्या लहरींचा उपयोग होऊ शकतो. हल्लीच सिक्कीममध्ये हिमतलाव तुडुंब भरून फुटला तेव्हा त्याची मायक्रोवेव्ह छायाचित्रे काही माध्यमांवर दाखवण्यात आली होती.
मायक्रोवेव्ह सिग्नल्स हे एकंदरीत पृथ्वीवरील गोष्टींचा पृष्ठभाग, त्याची जडणघडण आणि त्यातील घटक याच्याशी संबंधित असतात. बहुविध प्रकारच्या संशोधनात आणि अगदी रोजच्या आयुष्यातही ह्या इमेजेसमधून मिळालेली माहिती उपयुक्त ठरते. त्यांच्या विश्वासार्ह नियमिततेमुळे पीक वाढीच्या विविध टप्प्यांची माहिती मिळते. उदाहरणार्थ, शेताची नांगरणी कधी झाली, बियाणे रुजून किती दिवस झाले, फुलोरा कधी आला, धान्यांची कणसे कधी बहरू लागली, पीक तोडणी कधी झाली, इत्यादी. याच प्रकारे जंगलातील झाडे किती मोठाली आहेत, त्यांचा खोडांमध्ये किती प्रमाणात कार्बन एकवटला आहे याचे ठोकताळे मांडले जातात. याशिवाय, नद्यांची पात्रं तुडुंब भरल्यावर ओढवणारी पूरस्थिती, तसेच ध्रुवीय प्रदेशात मागील २०-३० वर्षांत झालेला हिमावरणाचा ऱ्हास, रोडावणारे बर्फाचे थर याविषयी अनन्यसाधारण माहिती मायक्रोवेव्ह लहरी आपल्यापर्यंत घेऊन येतात. आणखी अनोखे उदाहरण द्यायचे तर समुद्रावर होणारी चाचेगिरी किंवा बेकायदेशीर व्यापार, मासेमारीवर लक्ष ठेवण्यासाठी या इमेजेसचा वापर करता येईल का याची चाचपणी सुरू आहे. ऑप्टिकल उपग्रहांच्या तुलनेत मायक्रोवेव्ह छायाचित्रांचा अभ्यास ही संशोधन शाखा आजही नवीन आणि तुलनेने जास्त क्लिष्ट आहे. धूसर अस्पष्टतेतून निव्वळ आणि निर्दोष संदेश मिळवणे तसे कर्मकठीणच. पण इतर प्रकारच्या उपग्रहांच्या जोडीने पृथ्वीच्या अभ्यासात या उपग्रहांना महत्त्वाचं स्थान आहे. एवढंच नाही तर सूर्यमालेतील इतर ग्रहांच्या भूभागाचा ठाव घेण्यासाठीही मायक्रोवेव्ह लहरी फार उपयोगी ठरत आहेत.
अमेरिकेचे राष्ट्राध्यक्ष थिओडोर रूसवेल्ट यांचे ‘डेअर मायटी थिंग्स’ हे भाषण पार दूरवर लेबेनॉनमधल्या छोटय़ाशा गावात जन्मलेल्या एलाचींना फार प्रेरणादायी वाटायचे. २०२१ साली मंगळावर उतरलेल्या नासाच्या पर्सिवेअरन्स या रोव्हरच्या पॅराशूटवर बायनरी कोडमध्ये हेच शब्द लिहिले गेले. मायक्रोवेव्ह लहरी विज्ञानाच्या कक्षा रुंदावणाऱ्या आणि पृथ्वीविषयी आपल्याला अधिक सजग करणाऱ्या अशा अनेक महत्त्वाकांक्षी प्रयोगांचा आणि मोहिमांचा भाग होत्या आणि पुढेही असणार आहेत. यात आपल्या चांद्रयान मोहिमेचाही समावेश आहे. तेव्हा आपल्या दृष्टीच्या मर्यादांपलीकड? असलेल्या दुनियेचे आणखी काय दर्शन या लहरी घडवतील याची कल्पना स्वयंपाकघरातील मायक्रोवेव्हचं बटण दाबताना एकदा तरी जरूर करावी.
(लेखिका पर्यावरणशास्त्र अभ्यासक आणि रिमोट सेन्सिंगतज्ज्ञ आहेत.)
smp15aber@gmail.com
