كيف تشكل الأقمار الصناعية الحياة اليومية: من ملاحة GPS إلى التنبؤات الجوية
نُشر:
الصورة: U.S. Air Force · Public domain · Wikimedia Commons
باختصار
توفر الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض الإشارات الموضعية التي تقف وراء ملاحة GPS والصور الفضائية التي تقف وراء التنبؤات الجوية اليومية. يدعم مزيج من أقمار الملاحة في مدار أرضي متوسط والأقمار الجوية الثابتة أو المدارات القطبية الآن الأدوات اليومية من خرائط الهواتف الذكية إلى تحذيرات العواصف.
لا يفكر معظم الناس في سبب إمكانية تطبيقات الخرائط أو توقعات الطقس عند فتحهما. خلف كليهما توجد طبقة من الأقمار الصناعية في مدارات مختلفة، كل منها مصمم لوظيفة محددة، وفقاً لموقع GPS.gov، الموقع الرسمي للحكومة الأمريكية المتخصص في نظام تحديد المواقع، وإدارة المحيطات والغلاف الجوي الوطنية الأمريكية (NOAA).
كيفية تحديد أقمار GPS لموقعك
يصف موقع GPS.gov نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) باعتباره أداة مملوكة للولايات المتحدة تم بناؤها حول ثلاثة أجزاء: جزء فضائي وجزء تحكم وجزء المستخدم. الجزء الفضائي عبارة عن "كوكبة اسمية من 24 قمراً صناعياً تعمل" تبث باستمرار موقعهما والوقت الدقيق. تراقب محطات التحكم الأرضية وتعدل هذه الأقمار الصناعية، بينما تلتقط أجهزة الاستقبال في الهواتف والسيارات والطائرات الإشارات لحساب موقع المستخدم، وفقاً لـ GPS.gov.
يشرح موقع ناسا للفضاء (Space Place)، وهو موقع تعليمي يديره مختبر الدفع النفاث، الرياضيات الكامنة بمصطلحات أبسط: تتضمن الكوكبة الحالية أكثر من 30 قمراً صناعياً نشطاً، ويحتاج جهاز الاستقبال إلى إشارات من أربعة منها على الأقل لحساب موقع ثلاثي الأبعاد دقيق من خلال طريقة تسمى التثليث. وتقول ناسا إن أجهزة استقبال GPS العادية تتمتع عادة بدقة تبلغ بضعة أفنية، بينما يمكن لأجهزة الاستقبال المتخصصة تقليص ذلك إلى بضع بوصات.
يلاحظ موقع GPS.gov أن القوة الجوية الأمريكية تطور وتحتفظ وتشغل أقمار GPS وشبكة التحكم الأرضية، بينما يتم توفير الإشارة نفسها مجاناً لمستخدمي المدنيين في جميع أنحاء العالم لاستخدامات مثل تعليمات القيادة والملاحة في الرحلات.
وبعيداً عن الملاحة اليومية، يسرد موقع ناسا للفضاء استخدامات الاستجابة للكوارث: تساهم أجهزة الاستشعار القائمة على GPS في أنظمة التحذير المبكر من تسونامي، وتساعد في تتبع تشوه الأرض البركانية، وتسرع من تقييم الأضرار بعد الزلازل.
نوعان من المدارات خلف توقعات الطقس الخاصة بك
يعتمد التنبؤ بالطقس على مجموعة مختلفة من الأقمار الصناعية، وتقول خدمة الأقمار الصناعية والبيانات والمعلومات البيئية الوطنية في NOAA (NESDIS) أن الوكالة تشغل نوعين رئيسيين من الأقمار الصناعية يعملان معاً. تدور الأقمار الصناعية الثابتة، وهي جزء من برنامج قمر بيئي تشغيلي جيوستاسيوني (GOES)، حول 22,236 ميلاً فوق خط الاستواء، مطابقة دوران الأرض بحيث تبقى ثابتة فوق نفس المنطقة. تقول NESDIS أن أقمار GOES تحدث صورها كل 30 ثانية، مما يجعلها أساسية للتنبؤات قصيرة الأجل وتتبع العواصف في الوقت الفعلي؛ يغطي GOES-16 أمريكا الشمالية والمحيط الأطلسي بينما يغطي GOES-17 المحيط الهادئ.
النوع الثاني، الأقمار الصناعية المدارية القطبية التابعة لنظام الأقمار الصناعية القطبية المشترك (JPSS)، تحلق أقرب كثيراً إلى الأرض - حوالي 512 ميلاً لأعلى - تدور من القطب إلى القطب تقريباً 14 مرة في اليوم، وفقاً لـ NESDIS. تغطي كل ممر شريطاً أضيق، لكن لأن القمر الصناعي أقرب، الصور بدقة أعلى، وتصور الأسطول الكامل الكوكب بأكمله مرتين على الأقل يومياً. تنص NESDIS على أن هذه البيانات العالمية تغذي النماذج الجوية الرقمية المستخدمة لتوليد التنبؤات قبل عدة أيام، بينما تتعامل الأقمار الصناعية الثابتة مع الصورة الفورية والمحلية.
أقمار مراقبة الأرض الأوروبية
تشغل وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) برنامج كوبرنيكوس الخاص بأقمار Sentinel، والتي تصفها ESA بأنها خمس عائلات من الأقمار الصناعية تحمل أدوات مختلفة تدعم معاً المراقبة بما يتجاوز الطقس وحده. تنص ESA على أن Sentinel-1، على سبيل المثال، يتتبع انسكابات النفط البحري والجليد البحري وتغطية الأراضي والتشوه السطحي، وأن بيانات Copernicus بشكل عام تدعم مراقبة الكوارث والاستجابة الإنسانية والسلامة البحرية، مثل توجيه السفن بأمان عبر جليد البحر.
لماذا تأتي مدارات قمرية مختلفة بأهمية
تشير أمثلة GPS والطقس إلى خيار تصميم شائع في أنظمة الأقمار الصناعية: الارتفاع هو مقايضة بين منطقة التغطية والتفاصيل. يمكن للأقمار الصناعية البعيدة، مثل أقمار GPS أو أقمار الطقس الثابتة، مراقبة منطقة كبيرة وثابتة بشكل مستمر. الأقمار الصناعية الأقرب إلى الأرض، مثل أقمار الطقس القطبية، تضحي بالتغطية المستمرة لمكان واحد مقابل صور أكثر وضوحاً وتفصيلاً أثناء مرورها فوقها.
أنواع المدار المقارنة، حسب المصدر الرسمي
النظام
نوع المدار
الارتفاع
الدور الرئيسي اليومي
GPS
مدار أرضي متوسط
غير محدد من قبل المصادر المستشهد بها
تحديد المواقع والملاحة والتوقيت للهواتف والسيارات والطائرات (GPS.gov)
بيانات عالية الدقة عالمية للتنبؤات متعددة الأيام (NOAA/NESDIS)
ما يعنيه هذا للمستخدمين اليوميين
لا يمكن رؤية أي من هذه الأنظمة من قبل الأشخاص الذين يعتمدون عليها مئات المرات في اليوم. يستخدم تطبيق الملاحة بصمت الإشارات من أربعة أقمار GPS على الأقل لوضع نقطة زرقاء على خريطة، وفقاً لشرح ناسا للتثليث. يستمد توقع تطبيق الطقس على صور مخيطة معاً من أقمار صناعية على بعد 22,236 ميلاً لأعلى وغيرها على بعد 512 ميلاً فقط لأعلى، وفقاً لـ NOAA. والنتيجة هي أن المهام الروتينية اليومية - التنقل والتحقق من الطقس قبل مغادرة المنزل أو تتبع عاصفة - تعتمد على الأجهزة التي تدور بعيداً فوق الغلاف الجوي الذي لا يفكر به معظم المستخدمين.
أسئلة
كم عدد أقمار GPS المطلوبة للعثور على الموقع؟
وفقاً لموقع ناسا للفضاء، يحتاج جهاز استقبال GPS إلى إشارات من أربعة أقمار على الأقل لحساب موقع دقيق ثلاثي الأبعاد من خلال التثليث.
من يشغل نظام GPS؟
ينص GPS.gov على أن القوة الجوية الأمريكية تطور وتحتفظ وتشغل أقمار GPS ومحطات التحكم الأرضية، بينما يتم توفير الإشارة مجاناً للمستخدمين المدنيين في جميع أنحاء العالم.
ما الفرق بين أقمار الطقس الثابتة والمدارية القطبية؟
تشرح NOAA/NESDIS أن الأقمار الصناعية الثابتة مثل GOES تبقى ثابتة فوق منطقة واحدة على بعد حوالي 22,236 ميلاً لصور متكررة ومتواصلة، بينما تحلق أقمار JPSS المدارية القطبية أقرب على بعد حوالي 512 ميلاً وتدور من القطب إلى القطب، مما يعطي تغطية عالمية عالية الدقة تستخدم للتنبؤات متعددة الأيام.
ما مدى دقة GPS القياسي؟
ينص موقع ناسا للفضاء على أن أجهزة استقبال GPS العادية تتمتع عادة بدقة تبلغ بضعة أفنية، بينما يمكن لأجهزة الاستقبال المتخصصة تحقيق دقة تصل إلى بضع بوصات.
ما الذي تراقبه أقمار Sentinel الأوروبية بخلاف الطقس؟
تقول ESA أن أقمار Sentinel مثل Sentinel-1 تتتبع انسكابات النفط البحري والجليد البحري وتغطية الأراضي والتشوه السطحي، وتدعم مراقبة الكوارث والاستجابة الإنسانية والسلامة البحرية.
تتشكل النجوم عندما تنهار الجاذبية سحب باردة من الغاز والغبار حتى يصل اللب إلى حوالي 10 ملايين كلفن، وهي درجة حرارة كافية لإشعال الاندماج النووي للهيدروجين. ومن هناك، تحدد كتلة النجم كل شيء آخر: المدة التي يشع فيها، وكيفية وفاته، وما إذا كان يترك خلفه قزماً أبيض أو نجم نيوترون أو ثقب أسود.
تتحرك الصواريخ بطرد العادم في اتجاه واحد بحيث يتم دفع المركبة في الاتجاه الآخر، وفقاً لقانون نيوتن الثالث للحركة. يعتمد الدفع على كمية كتلة العادم التي تتدفق خارجاً في الثانية وسرعة خروجها من الفوهة، بينما يعتمد البقاء في المدار على تحقيق توازن بين السرعة الأمامية وقوة الجاذبية. يتم استخدام التصاميم متعددة المراحل والدفع الكهربائي، في بعض المهام، لإدارة كمية الوقود الضخمة التي تتطلبها الرحلات الفضائية.
تدريب رواد الفضاء عملية متعددة السنوات تبدأ بفحص اختياري للتعليم والخبرة واللياقة البدنية، ثم تنتقل إلى سنوات من التدريب الأرضي قبل أي رحلة. وفقاً لوكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، يتعلم المرشحون أنظمة المركبات الفضائية ويمارسون المشي في الفضاء تحت الماء، وأيضاً يدرس مرشحو وكالة الفضاء الأوروبية اللغة الروسية، بينما تعمل الحياة على محطة الفضاء الدولية (ISS) وفقاً لجدول يومي ثابت يتضمن العمل والتمارين والنوم.
الثقب الأسود هو منطقة في الفضاء تكون الجاذبية فيها قوية جداً بحيث لا يستطيع أي شيء، حتى الضوء، الهروب بمجرد عبوره الأفق الحدثي. معظمها يتشكل عندما تنفد الوقود النووي لنجم ضخم ويحدث انهيار في نواته؛ وتنمو النسخ الفائقة في مراكز المجرات على مدى مليارات السنين. قد أكدت الصور المباشرة وكشوفات الموجات الثقالية وجودها واختبرت النسبية العامة لأينشتاين.
