ابتداءً من الخمسينيات من القرن العشرين ببرامج سبوتنيك وفوستوك وميركوري ، بدأ البشر في "هزيمة الروابط الفائقة للأرض". ولفترة من الوقت ، كانت جميع مهماتنا هي ما يعرف باسم مدار الأرض المنخفض (LEO). بمرور الوقت ، مع مهام أبولو والمهمات الفضائية العميقة التي تنطوي على المركبات الفضائية الروبوتية (مثل بعثات فوييجر) ، بدأنا في المغامرة بعد ذلك ، ووصلنا إلى القمر والكواكب الأخرى في النظام الشمسي.
ولكن بشكل عام ، فإن الغالبية العظمى من الرحلات إلى الفضاء على مدار السنين - سواء كانت طاقمًا أو بدون طاقم - كانت في مدار أرضي منخفض. هنا تكمن مجموعة واسعة من الأقمار الصناعية للاتصالات والملاحة والعسكرية في الأرض. ومن هنا تجري محطة الفضاء الدولية (ISS) عملياتها ، وهو المكان الذي تذهب إليه غالبية المهام الطاقم اليوم. إذن ما هو LEO ولماذا نحن عازمون على إرسال الأشياء إلى هناك؟
تعريف:
من الناحية الفنية ، تكون الأجسام الموجودة في مدار أرضي منخفض على ارتفاع يتراوح بين 160 إلى 2000 كيلومتر (99 إلى 1200 ميل) فوق سطح الأرض. أي جسم تحت هذا الارتفاع سيعاني من الانحلال المداري وسوف ينزل بسرعة إلى الغلاف الجوي ، إما يحترق أو يتحطم على السطح. تحتوي الأجسام على هذا الارتفاع أيضًا على فترة مدارية (أي الوقت الذي تستغرقه لتدور الأرض مرة واحدة) من 88 إلى 127 دقيقة.
تخضع الأجسام الموجودة في مدار أرضي منخفض لسحب الغلاف الجوي لأنها لا تزال داخل الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض - وتحديدًا الغلاف الحراري (80-500 كم ؛ 50-310 ميل) ، توقف مؤقت (500-1000 كم ؛ 310– 620 ميل) ، والغلاف الخارجي (1000 كم ؛ 620 ميل وما بعدها). كلما ارتفع مدار الجسم ، انخفضت كثافة الغلاف الجوي وسحبه.
ومع ذلك ، بعد 1000 كم (620 ميل) ، ستخضع الأجسام لأحزمة Van Allen Radiation Belts - وهي منطقة من الجسيمات المشحونة التي تمتد إلى مسافة 60،000 كم من سطح الأرض. في هذه الأحزمة ، حوصر المجال الشمسي للرياح الشمسية والأشعة الكونية ، مما أدى إلى مستويات مختلفة من الإشعاع. ولهذا السبب تهدف المهمات إلى المدار الأرضي المنخفض إلى الوصول إلى مواقف بين 160 إلى 1000 كيلومتر (99 إلى 620 ميل).
مميزات:
تتنوع الظروف الجوية داخل الغلاف الحراري ، والحرارة الحرارية ، والغلاف الخارجي. على سبيل المثال ، يحتوي الجزء السفلي من الغلاف الحراري (من 80 إلى 550 كيلومترًا ؛ 50 إلى 342 ميل) على الأيونوسفير ، الذي سمي بهذا الاسم لأنه في الغلاف الجوي تتأين الجزيئات بواسطة الإشعاع الشمسي. ونتيجة لذلك ، يجب أن تكون أي مركبة فضائية تدور في هذا الجزء من الغلاف الجوي قادرة على تحمل مستويات الأشعة فوق البنفسجية والإشعاع الأيوني الصلب.
تزداد درجات الحرارة في هذه المنطقة أيضًا مع الارتفاع ، والذي يرجع إلى الكثافة المنخفضة جدًا لجزيئاته. لذلك ، في حين أن درجات الحرارة في الغلاف الحراري يمكن أن ترتفع إلى 1500 درجة مئوية (2700 درجة فهرنهايت) ، فإن تباعد جزيئات الغاز يعني أنها لن تشعر بالحرارة للإنسان الذي كان على اتصال مباشر مع الهواء. على هذا الارتفاع أيضًا ، من المعروف أن الظاهرة المعروفة باسم Aurora Borealis و Aurara Australis تحدث.
يمتد الغلاف الخارجي ، وهو الطبقة الخارجية من الغلاف الجوي للأرض ، من خارج القاعدة ويندمج مع فراغ الفضاء الخارجي ، حيث لا يوجد جو. تتكون هذه الطبقة بشكل أساسي من كثافات منخفضة للغاية من الهيدروجين والهيليوم والعديد من الجزيئات الثقيلة بما في ذلك النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون (وهي أقرب إلى exobase).
من أجل الحفاظ على مدار منخفض الأرض ، يجب أن يكون للجسم سرعة مدارية كافية. بالنسبة للأجسام على ارتفاع 150 كم وما فوق ، يجب الحفاظ على سرعة مدارية تبلغ 7.8 كم (4.84 ميل) في الثانية (28130 كم / ساعة ؛ 17،480 ميل في الساعة). هذا أقل بقليل من سرعة الهروب اللازمة للدخول إلى المدار ، وهي 11.3 كيلومترًا (7 أميال) في الثانية (40680 كم / ساعة ؛ 25277 ميل في الساعة).
على الرغم من حقيقة أن سحب الجاذبية في المدار الأرضي المنخفض ليس أقل بكثير من سطح الأرض (حوالي 90 ٪) ، فإن الأشخاص والأشياء الموجودة في المدار في حالة مستمرة من السقوط الحر ، مما يخلق شعورًا بانعدام الوزن.
استخدامات LEO:
في هذا التاريخ من استكشاف الفضاء ، كانت الغالبية العظمى من المهام البشرية إلى مدار الأرض المنخفض. تدور أيضًا محطة الفضاء الدولية في المدار الأرضي المنخفض ، بين ارتفاع 320 و 380 كم (200 و 240 ميل). و LEO هي المكان الذي يتم فيه نشر وصيانة معظم السواتل الاصطناعية. أسباب ذلك بسيطة للغاية.
أولاً ، يتطلب نشر الصواريخ والمكوكات الفضائية على ارتفاعات أعلى من 1000 كيلومتر (610 ميل) وقودًا أكثر بكثير. وفي داخل المدار الأرضي المنخفض ، تواجه سواتل الاتصالات والملاحة ، بالإضافة إلى المهمات الفضائية ، عرض نطاق ترددي عالٍ وتأخر وقت اتصال منخفض (يُعرف أيضًا باسم الكمون).
بالنسبة لرصد الأرض والأقمار الصناعية للتجسس ، لا يزال LEO منخفضًا بما يكفي لإلقاء نظرة جيدة على سطح الأرض وحل الأجسام الكبيرة وأنماط الطقس على السطح. يسمح الارتفاع أيضًا بفترات مدارية سريعة (تزيد قليلاً عن ساعة إلى ساعتين) ، مما يسمح لهم بالاطلاع على نفس المنطقة على السطح عدة مرات في يوم واحد.
وبالطبع ، على ارتفاعات تتراوح بين 160 و 1000 كيلومتر من سطح الأرض ، لا تخضع الأجسام للإشعاع الشديد لأحزمة Van Allen Belts. وباختصار ، فإن المدار الأرضي المنخفض هو الموقع الأبسط والأرخص والأكثر أمانًا لنشر الأقمار الصناعية والمحطات الفضائية والبعثات الفضائية المأهولة.
مشاكل متعلقة بالحطام الفضائي:
بسبب شعبيتها كوجهة للأقمار الصناعية والبعثات الفضائية ، ومع زيادة إطلاق الفضاء على مدى العقود القليلة الماضية ، أصبحت منظمة المدار الأرضي المنخفض مزدحمة بشكل متزايد بالحطام الفضائي. يأخذ هذا شكل مراحل الصواريخ المهملة ، والأقمار الصناعية غير العاملة ، والحطام الناتج عن التصادمات بين قطع كبيرة من الحطام.
أدى وجود حقل الحطام هذا في المدار الأرضي المنخفض إلى قلق متزايد في السنوات الأخيرة ، حيث أن التصادمات بسرعات عالية يمكن أن تكون كارثية بالنسبة للبعثات الفضائية. ومع كل تصادم ، يتم إنشاء حطام إضافي ، مما يخلق دورة مدمرة تعرف باسم تأثير كيسلر - الذي سمي على اسم عالم ناسا دونالد ج. كيسلر ، الذي اقترحه لأول مرة في عام 1978.
في عام 2013 ، قدرت وكالة ناسا أنه قد يكون هناك ما يصل إلى 21000 بت من النفايات غير المرغوب فيها أكبر من 10 سم ، و 500000 جسيم بين 1 و 10 سم ، وأكثر من 100 مليون أصغر من 1 سم. ونتيجة لذلك ، اتخذت في العقود الأخيرة تدابير عديدة لرصد الحطام والاصطدام الفضائي ومنعهما والتخفيف من آثارهما.
على سبيل المثال ، في عام 1995 ، أصبحت وكالة ناسا أول وكالة فضائية في العالم تصدر مجموعة من المبادئ التوجيهية الشاملة حول كيفية التخفيف من الحطام المداري. في عام 1997 ، استجابت الحكومة الأمريكية من خلال تطوير الممارسات القياسية لتخفيف الحطام المداري ، استنادًا إلى المبادئ التوجيهية لوكالة ناسا.
أنشأت وكالة ناسا أيضًا مكتب برنامج الحطام المداري ، الذي ينسق مع الإدارات الفيدرالية الأخرى لرصد الحطام الفضائي والتعامل مع الاضطرابات الناجمة عن التصادمات. بالإضافة إلى ذلك ، تراقب شبكة مراقبة الفضاء الأمريكية حاليًا حوالي 8000 من الأجسام المدارية التي تعتبر مخاطر تصادم ، وتوفر تدفقًا مستمرًا لبيانات المدار إلى وكالات مختلفة.
كما يحتفظ مكتب الحطام الفضائي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) أيضًا بقاعدة البيانات ونظام المعلومات الذي يميز الأجسام في الفضاء (DISCOS) ، والذي يوفر معلومات حول تفاصيل الإطلاق والتاريخ المداري والخصائص الفيزيائية ووصف المهام لجميع الأجسام التي يتم تتبعها حاليًا من قبل وكالة الفضاء الأوروبية. قاعدة البيانات هذه معترف بها دوليًا وتستخدمها ما يقرب من 40 وكالة ومنظمة وشركة حول العالم.
لأكثر من 70 عامًا ، كان مدار الأرض المنخفض ملعبًا لقدرة الإنسان على الفضاء. في بعض الأحيان ، غامرنا بعيدًا عن الملعب وأبعد من ذلك إلى النظام الشمسي (وحتى أبعد). في العقود المقبلة ، من المتوقع أن يحدث قدر كبير من النشاط في المدار الأرضي المنخفض ، والذي يتضمن نشر المزيد من الأقمار الصناعية ، والمكعبات ، والعمليات المستمرة على متن محطة الفضاء الدولية ، وحتى السياحة الفضائية.
وغني عن القول أن هذه الزيادة في النشاط ستتطلب منا أن نفعل شيئًا بشأن كل القمامة التي تتخلل الممرات الفضائية. مع وجود المزيد من وكالات الفضاء ، وشركات الطيران الخاصة ، والمشاركين الآخرين الذين يتطلعون إلى الاستفادة من المدار الأرضي المنخفض ، سيلزم إجراء بعض عمليات التنظيف الجادة. وستحتاج بالتأكيد بعض البروتوكولات الإضافية إلى تطويرها للتأكد من أنها تبقى نظيفة.
لقد كتبنا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول مدار الأرض هنا في مجلة الفضاء. إليك ما هو مدار الأرض ؟، ما مدى ارتفاع الفضاء ؟، كم عدد الأقمار الصناعية في الفضاء ؟، الأضواء الشمالية والجنوبية - ما هو الشفق القطبي؟ وما هي محطة الفضاء الدولية؟
إذا كنت ترغب في مزيد من المعلومات حول مدار الأرض المنخفض ، فاطلع على أنواع المدارات من موقع وكالة الفضاء الأوروبية على الويب. إليك أيضًا رابط لمقالة وكالة ناسا حول مدار الأرض المنخفض.
لقد سجلنا أيضًا حلقة كاملة من علم الفلك يلقي كل شيء حول التجول في النظام الشمسي. استمع هنا ، الحلقة 84: التجول في النظام الشمسي.
مصادر:
- وكالة ناسا - ما هو المدار؟
- وكالة الفضاء الأوروبية - أنواع المدار
- ويكيبيديا - مدار الأرض المنخفض
- مستقبل الفضاء - الوصول إلى مدار أرضي منخفض
