سيبدأ قمران صناعيان صغيران جديدان تابعان لوكالة ناسا بالسفر عبر الغلاف الجوي للأرض خلال بضعة أشهر لاكتشاف الحرارة المفقودة في الفضاء. سيقومون بملء البيانات المفقودة من المناطق القطبية للأرض. ستساعد الملاحظات من أبرد المناطق على الكوكب في التنبؤ بكيفية تغير الأنهار الجليدية والمحيطات والطقس في مواجهة ظاهرة الاحتباس الحراري.
السابق: مهمة لرسم خريطة للإشعاع الحراري القطبي
هذه الأقمار الصناعية المكعبة، أو CubeSats، هي بحجم صندوق الأحذية تقريبًا وهي جزء من مهمة تسمى PREFIRE. "PREFIRE" هو اختصار لعبارة "تجربة الطاقة للأشعة تحت الحمراء البعيدة القطبية". وهي مجهزة بتكنولوجيا أثبتت فعاليتها على المريخ، وتهدف إلى الكشف عن النطاق الكامل لفقدان الحرارة في المناطق القطبية للأرض لأول مرة، مما يجعل النماذج المناخية أكثر دقة.
تم تطوير PREFIRE بالاشتراك بين وكالة ناسا وجامعة ويسكونسن ماديسون، مع أعضاء فريق من جامعة ميشيغان وجامعة كولورادو.
فهم ميزانية الطاقة للأرض
تبدأ المهمة بميزانية طاقة الأرض. أثناء التوازن الكوكبي، فإن الطاقة الحرارية التي تتلقاها الأرض من الشمس تعادل بشكل مثالي الطاقة الحرارية التي يشعها نظام الأرض إلى الفضاء. إن الفرق بين الطاقة الواردة والصادرة يحدد درجة حرارة الأرض ويؤثر على مناخنا.
تلعب المناطق القطبية دورًا رئيسيًا في هذه العملية، حيث تعمل مثل الزعانف المبردة للأرض. من خلال تموج الهواء والماء بفعل الطقس والتيارات المحيطية، يتم نقل الطاقة الحرارية الواردة في المناطق الاستوائية إلى القطبين، حيث تنبعث على شكل إشعاع حراري بالأشعة تحت الحمراء - وهو نوع الطاقة التي تشعر بها من سخان أنبوب الكوارتز. ويتدفق نحو 60% من هذه الطاقة إلى الفضاء بأطوال موجية للأشعة تحت الحمراء البعيدة، والتي لم يتم قياسها بشكل منهجي على الإطلاق.
وقال بريان دروين، العالم في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا ونائب الباحث الرئيسي في المهمة: "يمكن لـ PREFIRE سد هذه الفجوة". "لدينا القدرة على اكتشاف بعض الأسئلة الأساسية حول كيفية عمل كوكبنا."
وقال: "الكثير من عدم اليقين في التنبؤات المناخية يأتي مما لا نعرفه عن القطبين الشمالي والجنوبي، ومدى كفاءة انبعاث الإشعاع إلى الفضاء". "في معظم فترات عصر الفضاء، لم نكن ندرك أهمية الإشعاع، ولكننا الآن نعرفه ونعمل على قياسه."
الابتكار التكنولوجي والتحديات
سيتم إطلاق كل قمر صناعي من نيوزيلندا بفارق أسبوعين في شهر مايو وسيحمل مطيافًا حراريًا للأشعة تحت الحمراء. تشتمل الأداة المصممة من قبل مختبر الدفع النفاث على مرايا وكاشفات ذات شكل خاص لتقسيم وقياس ضوء الأشعة تحت الحمراء. يستخدم جهاز Mars Climate Sounder الموجود على مركبة Mars Reconnaissance Orbiter التابعة لناسا تقنية مماثلة لاكتشاف الغلاف الجوي والطقس للكوكب الأحمر.
بالنسبة لفريق PREFIRE الهندسي، كان تصغير الأداة لتركيبها على CubeSat يمثل تحديًا. لقد طوروا تصميمًا مصغرًا مُحسّنًا لبيئة كوكبنا الدافئة نسبيًا. تزن هذه الأجهزة أقل من 6 أرطال (3 كجم) وتستخدم جهازًا يسمى المزدوج الحراري لأخذ القراءات، على غرار أجهزة الاستشعار الموجودة في العديد من منظمات الحرارة المنزلية.
أصل تغير المناخ
لتحقيق أقصى قدر من التغطية، سوف يدور التوأم PREFIRE حول الأرض على طول مسارات مختلفة، متداخلة كل بضع ساعات بالقرب من القطبين.
منذ السبعينيات، ارتفعت درجة حرارة القطب الشمالي بمعدل أسرع بثلاث مرات على الأقل من بقية الكوكب. ويفقد الجليد البحري الشتوي هناك أكثر من 15900 ميل مربع (41200 كيلومتر مربع) سنويًا، وهو انخفاض بنسبة 2.6% لكل عقد مقارنة بمتوسط الفترة 1981-2010. وتحدث تغييرات على الجانب الآخر من الكوكب أيضًا: إذ تفقد الصفائح الجليدية في القارة القطبية الجنوبية كتلتها بمعدل متوسط يبلغ حوالي 150 مليار طن سنويًا.
هذه التغييرات بعيدة المدى. تؤثر التقلبات في الجليد البحري على النظم البيئية القطبية وتؤثر على درجات حرارة المحيطات ودورانها. تعتبر المياه الذائبة من الصفائح الجليدية التي يبلغ سمكها ميلاً في جرينلاند والقارة القطبية الجنوبية مسؤولة عن ثلث ارتفاع متوسط مستوى سطح البحر على مستوى العالم منذ عام 1993.
وقال تريستان ليكوير، الأستاذ في جامعة ويسكونسن ماديسون والباحث الرئيسي للمهمة: "إذا قمت بتغيير المناطق القطبية، فإنك تغير الطقس بشكل أساسي في جميع أنحاء العالم". "العواصف الشديدة والفيضانات وتآكل السواحل - كل هذه الأشياء تتأثر بما يحدث في القطب الشمالي والقطب الجنوبي."
ولفهم هذا التغير والتنبؤ به، يستخدم العلماء نماذج مناخية تأخذ في الاعتبار العديد من العمليات الفيزيائية. إن تشغيل النموذج عدة مرات، وفي كل مرة في ظل ظروف وافتراضات مختلفة قليلاً، يؤدي إلى مجموعة من التنبؤات المناخية. يمكن أن يكون للافتراضات حول المعلمات غير المؤكدة، مثل مدى كفاءة إشعاع القطبين للإشعاع الحراري، تأثير كبير على التنبؤات.
تعزيز النماذج المناخية
سيوفر PREFIRE بيانات جديدة حول مجموعة من المتغيرات المناخية، بما في ذلك درجة حرارة الغلاف الجوي، وخصائص السطح، وبخار الماء، والغطاء السحابي. وفي نهاية المطاف، قال لوكوير، إن المزيد من المعلومات ستعطينا صورة أكثر دقة للعالم المتغير: "مع تقارب نماذجنا المناخية، سنبدأ في فهم الشكل الذي سيبدو عليه القطب الشمالي والقطب الجنوبي في المستقبل".
المصدر المجمع: ScitechDaily