يستخدم العلماء تقنية تتبع قائمة على الليزر وبيانات الجاذبية لتحسين كيفية مراقبة الأقمار الصناعية والحطام الفضائي، من خلال دمج هذه الأساليب، يمكنهم الآن التنبؤ بمدارات الأقمار الصناعية بدقة أكبر وجمع رؤى حول جاذبية الأرض وكتل المياه.

العلاقة بين الجاذبية ومدارات الفضاء

كيف ترتبط جاذبية الأرض بمسارات الأقمار الصناعية والحطام الفضائي؟ تشكل جاذبية الأرض مدارات الأقمار الصناعية والحطام، ويمكن أن تكشف التغيرات في هذه المدارات عن تغييرات في الحقل الجاذبي، مما يقدم أيضا رؤى حول توزيع كتل المياه على سطح الأرض.

مشروع COVER: تحسين حسابات الحقل الجاذبي

في مشروع COVER، قام الباحثون في معهد الجيوديسيا بجامعة TU غراز بتحسين حسابات الحقل الجاذبي من خلال دمج قياسات الجاذبية للأقمار الصناعية مع قياسات الليزر للأقمار الصناعية (SLR). لا يُحسن هذا النهج نماذج الحقل الجاذبي فحسب، بل يساهم أيضا في تحسين تتبع وتوقعات الأجسام في المدار. هذه التطورات متاحة الآن في برنامج "نظام برمجة الكائنات الجاذبية" (GROOPS)، وهو أداة مفتوحة المصدر يوفرها المعهد على موقع GitHub.

تحسين دقة الحقل الجاذبي طويل الموجات

يقول ساندر كراوس من معهد الجيوديسيا بجامعة TU غراز: "قدمت مهام الأقمار الصناعية مثل Grace وGrace Follow-on وGOCE بيانات قيمة حقا لحساب حقل الجاذبية الأرضي. ومع ذلك، فإن الطول الموجي الطويل للحقل الجاذبي، الذي يغطي كتلًا بحجم القارات، لا يمكن حله بشكل جيد من خلال استخدام هذه المهام."

تستطيع قياسات SLR، من ناحية أخرى، حل هذه الأجزاء الطويلة الموجة بدقة عالية. للقيام بذلك، يشير شبكة من محطات SLR إلى قمر صناعي مزود بعاكسات عاكسة تعكس الضوء الليزري المنبعث. من خلال قياس زمن السفر، يمكن تحديد موقع الأقمار الصناعية بدقة تصل إلى سنتيمترات، ومن خلال قياسات متعددة، يمكن أيضا الكشف عن التغيرات في المدار نتيجة لتغيرات في الكتلة على سطح الأرض.

دمج SLR مع أساليب القياس الأخرى

يضيف كراوس: "إذا قمت بدمج SLR مع طرق قياس الأقمار الصناعية الأخرى، يمكن حساب الحقل الجاذبي بدقة أكبر، حيث يمكنك حل جميع الأطوال الموجية للحقل الجاذبي بدقة. وهذا يسمح لنا بتحديد كتل المياه الموجودة على الأرض بمزيد من التفاصيل. في الوقت نفسه، يمكننا استخدام البيانات التي تم الحصول عليها من القياسات للتنبؤ بموقع الأقمار الصناعية والحطام الفضائي بدقة أفضل، وتحديد مواقعها، ورسم خرائطها باستخدام SLR، والتنبؤ بمداراتها المستقبلية بدقة عالية، مما يساهم في مزيد من السلامة في الفضاء."

تتبع الحطام الفضائي من أجل مدارات أكثر أمانا

يوجد حاليًا حوالي 40,000 قطعة من الحطام الفضائي بحجم أكثر من عشرة سنتيمترات تدور حول الأرض، وحوالي مليون قطعة بحجم سنتيمتر واحد أو أكبر. تتحرك هذه القطع بسرعة تصل إلى 30,000 كيلومتر في الساعة (~20,000 ميل في الساعة) ولا تسير جميعها في نفس الاتجاه.

لذلك، سيكون لوقوع تصادم تأثير كبير وسيدمر الأقمار الصناعية ويعرض حياة البشر في محطات الفضاء أو المركبات الفضائية المأهولة للخطر. لذا، يصبح من المهم أكثر من أي وقت مضى تحديد مدارات جميع الأجسام والتنبؤ بمساراتها المستقبلية بدقة ممكنة.

الانتقال من قياسات الكيلومترات إلى دقة السنتيمترات

تُستخدم قياسات الرادار حاليا لمراقبة جميع قطع الحطام الفضائي، ولكن دقتها محدودة. وقد عانت التنبؤات الحالية للمدار من أنها كانت دقيقة فقط في حدود بضعة كيلومترات، مما جعل من الصعب تحديد مواقعها. بالتعاون مع محطة قياس الليزر للأقمار الصناعية في معهد الفضاء في الأكاديمية النمساوية للعلوم في مرصد لوستبيهل، تم إحراز تقدم حاسم هنا.

استخدم معهد الجيوديسيا نماذج القوة الخاصة به، والتي يمكن استخدامها لتحديد موقع قمر صناعي أو حطام بدقة تصل إلى حوالي 100 متر. وقد ساعد ذلك في تتبعها وتسجيلها بدقة باستخدام الليزر المساحي. قدمت قياسات إضافية خلال التحليقات التالية صورة أكثر دقة عن كيفية تصرف المدار، مما مكن الباحثين من تحسين التنبؤات.

تعزيز التنبؤ بالمدار باستخدام نمذجة القوة

يقول تورستن ماير-غور من معهد الجيوديسيا بجامعة TU غراز: "لتنبؤ المدارات، يجب علينا نمذجة جميع القوى المؤثرة على الأقمار الصناعية." ويضيف: "يشمل ذلك القوة الجاذبية للأرض، والتي تتأثر بوجود كتل مثل الماء. إن الجمع بين نمذجة المدار وقياسات SLR يتيح الآن حسابات دقيقة جدا في برنامجنا GROOPS، الذي يتاح للجميع مجانًا."

ويختتم: "بقدر ما نعلم، نحن الوحيدون الذين نقدم مثل هذه الحزمة الشاملة لتحديد الحقل الجاذبي وتحديد المدارات ومعالجة SLR مجانًا. يتيح لنا الوصول المفتوح هذه الميزة بأن نتلقى ملاحظات بسرعة إذا كان هناك شيء يحتاج إلى تحسين."