هواشناسی با مکعب‌های فضایی

بتازگی رقابت فضایی جدیدی، برای ساخت و بهره‌برداری از ماهواره‌های بسیار کوچک آغاز شده است. اندازه هریک از این ماهواره‌ها ممکن است کوچک‌تر از یک جعبه کفش باشد و صفحات خورشیدی و آنتن‌هایی از آنها بیرون می‌زند.

کد خبر: ۱۱۳۱۹۰۲

قرار دادن تعداد زیادی از این ماهواره‌ها در مدار زمین این امکان را فراهم می‌کند که با حسگرهای کوچکشان شرایط جو زمین و سطح آن را با چنان دقتی اندازه بگیرند که پیش‌بینی‌های هواشناسی و تغییرات اقلیمی آینده به میزان قابل توجهی بهتر شود. حتی همین حالا هم این ماهواره‌ها شروع به پرکردن خلأ موجود در سامانه‌های مشاهداتی زمین کرده‌اند. این سامانه‌ها اکنون متشکل از ماهواره‌های بسیار گران‌قیمت‌تر دولتی است، اما ممکن است در نهایت روزی چنین ماهواره‌هایی کاملا کنار گذاشته شوند.

بجز ایده استفاده از ماهواره‌های کوچک و نسبتا ارزان، نوآوری دیگری نیز در زمینه سنجش شرایط جوی از فضا مطرح شده است که به بهبود و توسعه داده‌های هواشناختی و اقلیمی کمک می‌کند: استفاده از روش اختفای رادیویی (Radio Occultation) دانشمندان مدت‌های طولانی مشاهده کرده بودند که امواج الکترومغناطیس حین عبور از جو زمین اندکی خم می‌شوند. در دهه 1360/1980 نخستین ماهواره‌های ناوبری در مدار زمین شروع به کار کردند. این ماهواره‌ها بخشی از سامانه موقعیت‌یابی جهانی ایالات متحده یا همان جی‌پی‌اس بودند که علائم رادیویی دقیقی را برای هدایت هواپیماها و کشتی‌های نظامی ارسال می‌کردند. جو زمین این امواج رادیویی را به میزان متغیری خم یا دچار اعوجاج می‌کرد. دانشمندان کم‌کم دریافتند میزان این خم‌شدگی با توجه به مسیر هر موج از میان لایه‌های جو متفاوت است. اگر ماهواره‌های کوچک با گیرنده‌های رادیویی حساس در مدار زمین قرار داشتند می‌توانستند این امواج را از ماهواره‌های ناوبری دریافت کنند، زاویه‌های خمیدگی علائم رادیویی، اطلاعاتی فراهم می‌کرد که از روی آنها چگالی، فشار، دما و میزان رطوبت جو به دست می‌آمد. اینها داده‌هایی است که هواشناسان به‌طور معمول با استفاده از ایستگاه‌های هواشناسی زمینی، برج‌های مرتفع، بالن‌های حامل تجهیزات رادیویی و انواع متداول حسگرهای ماهواره‌ای جمع‌آوری می‌کنند تا پیش‌بینی‌های دقیق هواشناسی را آماده کنند. درحالی‌که ماهواره‌های جی‌پی‌اس به زیر افق می‌روند، گیرنده‌های مداری می‌توانند علائم رادیویی متغیر آنها را مشاهده کنند. این علائم اطلاعات دقیقی از لایه‌های جو فراهم می‌کند که گیرنده‌های مستقر در فضا قادر به ثبت و ارسالشان به زمین هستند.

نخستین تجربه استفاده از اختفای رادیویی

روش اختفای رادیویی از سال‌ها قبل توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده و در سازمان‌های دولتی ایالات متحده مطرح شده بود، اما بودجه‌های دولتی محدود بود و ساخت و پرتاب ماهواره‌های متداول در هواشناسی که به صورت تک ساخته می‌شدند، بین سه تا پنج میلیارد دلار هزینه برای هر ماهواره در بر داشت. برای عملی شدن این طرح به مجموعه جدیدی از ماهواره‌های کوچک‌تر و نیز روشی ارزان برای پرتابشان به فضا نیاز بود. نخستین طرح پیشنهادی برای استفاده از روش اختفای رادیویی را مهندسی در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) سال‌ها پیش ارائه کرده بود و این مرکز پس از آن شروع به ساخت و آزمایش اولین نمونه از ابزاری کرد که می‌توانست در ماهواره‌ای به قطر تقریبی یک متر جا بگیرد. در سال 1385/2006 در پروژه‌ای به نام کازمیک ( COSMIC به معنی کیهانی) همکاری چند مرکز دولتی آمریکایی با سازمان فضایی ملی تایوان، به پرتاب شش ماهواره برای استفاده از روش اختفای رادیویی انجامید. این پروژه موفقیت‌آمیز بود و در آن داده‌های جوی بر فراز دوردست‌ترین نقاط جهان جمع‌آوری و طی سه ساعت بین مراکز هواشناسی توزیع می‌شد. دانشمندان هواشناس در 77 کشور از آمارهای به دست آمده در این پروژه استفاده می‌کردند. به دنبال این موفقیت، برنامه‌ریزی‌هایی برای فاز دوم این پروژه به نام کازمیک-2 انجام شد که در آن قرار بود 12 ماهواره به فضا پرتاب شود؛ به‌طوری که سراسر جهان تحت پوشش قرار گیرد و داده‌های علمی به میزان چهار برابر بیشتر تولید شود.

در سال 1385/2006 با پیشرفت روند ساخت ماهواره‌های کوچک، مهندسان موفق به طراحی ماهواره‌هایی شدند که از واحدهای کوچک استانداردی ـ مکعب‌هایی با ابعاد ده سانتی‌متر ـ تشکیل می‌شد. این نوع ماهواره‌ها که تاسواره (CubeSat) نام گرفتند، از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه بودند؛ ماهواره‌های هواشناسی که امروزه به فضا پرتاب می‌شوند میلیاردها دلار و ماهواره‌های پروژه کازمیک-1، میلیون‌ها دلار قیمت دارند. اما وقتی ابعاد ماهواره به اندازه تاسواره کوچک می‌شود، هزینه‌ها به چند صد هزار دلار کاهش پیدا می‌کند. ساخت این تاسواره‌ها بسرعت و با هزینه کم در خطوط مونتاژ انجام می‌شود.

رقابت در جمع‌آوری داده‌های جوی

در حال حاضر دو شرکت خصوصی آمریکایی به نام اسپایر گلوبال (Spire Global Inc.) و ژئواپتیکس (GeoOptics) در حال رقابت با یکدیگر برای جمع‌آوری داده‌های هواشناسی و داده‌های کاربردی دیگر به کمک ماهواره‌های کوچک هستند. اسپایر گلوبال اکنون 52 ماهواره کوچک در حال کار برای جمع‌آوری داده‌های مختلف از کره زمین دارد که قصد دارد تعدادشان را به 200 عدد برساند و کل زمین را از نظر راستای دید پوشش دهد. ژئواپتیکس شروع به پرتاب ماهواره‌هایی کرده که بتازگی برای پروژه اختفای رادیویی ساخته و در نهایت هدف آن استقرار 24 ماهواره در فضاست. برنده نهایی این رقابت زمانی مشخص خواهد شد که سازمان‌های هواشناسی دولتی آمریکا و دیگر کشورها شروع به خرید داده‌ها و استفاده از آنها کنند. این شرکت‌ها امیدوارند در وهله بعد مشتریان خصوصی داده‌های فضایی را از آنها بخرند. تهیه این داده‌ها ارزان‌تر تمام می‌شود و ممکن است نظر تعداد زیادی از کسب‌وکارهای خصوصی از جمله بیمه، ساخت‌وساز، کشاورزی و حمل و نقل را به خود جلب کند. هر دو شرکت نیز قصد دارند نه فقط علائم جی‌پی‌اس، بلکه امواج سه سامانه موقعیت‌یابی ماهواره‌ای دولت‌های دیگر یعنی چین، روسیه و اتحادیه اروپا را دنبال کنند و به این ترتیب محدوده عملکرد خود را گسترش دهند.

اما آیا وجود صدها یا هزاران ماهواره کوچک درمدار زمین مسأله‌ای از نظر افزایش زباله‌های فضایی ایجاد نخواهد کرد؟ پاسخ منفی است. ارتفاعی که این ماهواره‌ها در آن پرواز می‌کنند به گونه‌ای است که گرانش زمین بعد از دو یا سه سال آنها را آن‌قدر پایین می‌کشد که در جو زمین می‌سوزند و بنابراین باید مدام با ماهواره‌های جدید جایگزین شوند.

این دو شرکت خصوصی همچنین رقابت با پروژه دولتی کازمیک-2 را پیش رو خواهند داشت که البته در حال حاضر به دلیل وابستگی به بودجه و تصمیمات دولتی، نیمه‌تمام مانده است؛ پرتاب شش ماهواره اول آن به تعویق افتاده است و برنامه پرتاب شش ماهواره دوم هم که قرار بود در سال 1399/2020 انجام شود، لغو و کنار گذاشته شد. به‌هرحال طبق برآوردهای نظری در عرصه این رقابت فضای خالی زیادی برای شرکت‌های دولتی و خصوصی وجود دارد؛ در حال حاضر هر روز حدود 2000 مجموعه داده یا گمانه زنی (sounding) از جو تهیه می‌شود درحالی‌که بر اساس بررسی‌های صورت گرفته، تولید صد هزار گمانه‌زنی در هر روز باعث بهبود مدل‌های اقلیمی و هواشناختی می‌شود که برای دولت‌ها و صنایع ارزشمند خواهد بود.