از عملکرد جالب ماهواره های چمدانی چه می دانید؟

اوایل ماه جاری سازمان ناسا پروژه‌ی جدیدی را با به کارگیری مجموعه‌ای از ماهواره‌هایی کوچک شروع کرد که پیشگویی طوفان‌ها را متحول کرده و بینش‌های جدیدی درباره نحوه‌ی شکل‌گیری طوفان‌ها و فعالیت‌ آنها به ما می‌دهند.

گویا آی تی – پروژه‌ی مذکور که ”سیستم ماهواره‌ای راهبری جهانی گردباد یا CYGNSS“ نام گرفته مشتمل بر ۸ ماهواره است که هر کدام از به اندازه‌ی یک چمدان ساده بوده و به منظور ارزیابی و نقشه‌برداری از بادهای اقیانوس بر فراز مناطق حاره پرواز می‌کنند. باران‌های سنگین و طوفان‌های شدید به خاطر قرارگیری در ارتفاعی بسیار بالاتر از سطح زمین و جو، قادر به صدمه زدن به ماهواره‌ها نبوده و در زمان شکل‌گیری تندبادها، سیستم همچنان امکان نفوذ به هسته‌ی طوفان و جمع‌آوری داده‌ها را خواهد داشت؛ قابلیتی که تا به حال هیچ کدام از سیستم‌های فضایی قبلی قادر به انجام آن نبوده‌اند.
در این رابطه کریستین بونیکسن، مدیر اجرایی پروژه CYGNSS می‌گوید: ”CYGNSS ابزاری است که پوشش ۲۴ ساعته در طول هفته از منطقه گردباد در نواحی گرمسیری را فراهم می‌کند. این سیستم دانش ما درباره نحوه شکل‌گیری طوفان‌ها را بهبود خواهد بخشید و به این ترتیب می‌توانیم آمادگی بهتری پیدا کرده و از مردمی که در مسیر تندبادهای سنگین هستند، بهتر محافظت کنیم.“

باران، سدی در برابر دید پژوهشگران
در طی چند دهه‌ی گذشته، شاهد بهبود مستمر در پیشگویی طوفان‌ها و همچنین مکان‌هایی که به آنجا اصابت خواهند کرد بوده‌ایم و نرخ خطای مرکز ملی تندباد در مقایسه با ۲۰ سال گذشته، نصف شده است. اما در مورد بهبود پیش‌بینی شدت و قدرت طوفان‌ها نمی‌توان چنین ادعایی کرد. کریس راف، بازرس اصلی ماموریت CYGNSS و یکی از دانشمندان دانشگاه میشیگان اضافه می‌کند: ”اگر تاریخچه‌ی پیشگویی شدت طوفان‌ها را بررسی کنید خواهید دید که در ۲۰ سال گذشته، بهبود خاصی در این زمینه کسب کرده‌ایم.“ یکی از دلایل اصلی این امر، ناتوانی ماهواره‌های امروزی در سنجش و ارزیابی اتفاقاتی است که در هسته‌ی داخلی طوفان‌ها و گردبادها می‌افتد. راف: ”مدت‌های مدیدی است که این ناتوانی، نقطه‌ی ضعف اصلی در پیش‌بینی‌های عددی است که توسط مرکز ملی تندباد انجام می‌شوند. مسئولان مرکز آرزو داشتند اطلاعاتی در رابطه با هسته‌ی داخلی طوفان‌ها داشته باشند اما این امکان فراهم نبود.”

فضاپیمای فعلی که برای مشاهده وضعیت بادها استفاده می‌شود در مواقع بارانی شدن هوا کور شده و به همین خاطر امکان دسترسی به هسته‌های طوفان‌ها وجود ندارد. این امر به تجهیزات استفاده شده در آنها مربوط می‌شود. این تجهیزات یک طول موج ۸ میلی‌متری، تقریبا به اندازه‌ی یک قطره باران، در هوا منتشر می‌کنند. زمانی که سیگنال‌ها با باران برخورد می‌کنند، در هوا پراکنده شده و جذب می‌شوند. (مسیرهای طوفان بستگی به عوامل محیطی خارج از خود طوفان دارد، به همین خاطر پوشش باران مانعی در برابر پیش‌بینی محل اصابت طوفان‌ها نیست.)

علاوه بر این در سیستم‌های امروزی جمع‌آوری داده‌ها به منظور ایجاد یک نقشه از سرعت بادهای جهانی و میزان رطوبت آنها حدودا ۳ روز طول می‌کشد. این مقدار تاخیر زمانی که قصد ردیابی تشدید سریع طوفان‌ها و گردبادهای گرمسیری که تنها در طی چند ساعت شکل می‌گیرند. مشکل بسیار بزرگی محسوب می‌شود. تا به امروز دانشمندان روی فضاپیمایی موسوم به ”شکارچی طوفان” تکیه داشتند که برای ارزیابی سرعت باد امکان پرواز در طوفان‌ها را داشت.

راهکار جدید CYGNSS
CYGNSS با به کارگیری سیگنال‌های ماهواره‌ای GPS همه این موارد را به چالش کشیده و امکان نفوذ به شدیدترین باران‌ها را دارد. GPS با یک طول موج ۱۹ سانتی‌متری کار می‌کند که این ویژگی سبب می‌شود، باران هیچ تاثیر منفی روی عملکرد آن نخواهد داشت. زمانی که سیگنال‌های ماهواره‌ای GPS با اقیانوس برخورد می‌کنند، مجددا به فضا منعکس شده و تجهیزات رصد CYGNSS دریافت می‌شوند. برای درک بهتر شیوه‌ی عملکرد به تابیدن مهتاب روی یک دریاچه آرام فکر کنید: زمانی که دریاچه آرام است، تصویر مهتاب کاملا صاف و مشخص است. بعد از وزش باد، آب حرکت کرده و تصویر مهتاب خراب می‌شود. CYGNSS از عملکرد مشابهی بهره برده و برای تشخیص ویژگی‌های باد از میزان وضوح سیگنال‌های GPS استفاده می‌کند. این سیستم برای اندازه‌گیری سرعت باد. قدرت سیگنال‌های GPS در زمان پخش آنها از سطح اقیانوس را ارزیابی می‌کند.

هشت فضاپیمایی CYGNSS که عهده‌دار وظیفه‌ی رصد وضعیت آب‌وهوا هستند در یک صفحه‌ی مداری مجزا به دور زمین می‌چرخند. هر ماهواره دارای دستگاه مخصوصی به نام ”ابزار نقشه‌کشی دوپلر تاخیری“ یا DDMI است که درحقیقت گیرنده‌ی GPS‌ای است که امکان ردگیری ۴ سیگنال مختلف GPS را به طور همزمان دارد. دو آنتن این دستگاه به سیگنال GPS منعکس شده از سطح اقیانوس را دریافت کرده و میزان پراکندگی آنها را ارزیابی می‌کنند، و حاصل این کار مشخص شدن وضعیت دقیق سرعت و فعالیت باد است. ضمنا، یکی از آنتن‌ها با دریافت مستقیم یک سیگنال GPS موقعیت جغرافیایی دقیق (طوفان‌ها، تندبادها) را مشخص می‌کند. مخلص کلام این که هر کدام از این ماهواره‌های تقریبا ۳۰ کیلویی کار چهار فضاپیمای ”شکارچی طوفان“ را انجام می‌دهد. سیستم CYGNN شبیه یک گردان هوایی متشکل از ۳۲ فضاپیمای ”شکارچی طوفان“ است که به طور مستمر در نواحی گرمسیری گشت‌زنی کرده و به طور همزمان وضعیت آب‌وهوایی و احتمال شکل‌گیری طوفان و گرباد و همچنین شدت آنها را رصد می‌کنند.

این سیستم حتی در زمان وجود رطوبت بسیار شدید، هر هفت ساعت یک بار گزارش کاملا جدیدی از نقشه توزیع باد در مناطق گرمسیری در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد. در زمان وزش گردبادها و تندبادهای گرمسیری، حتی در مکان‌هایی که باد سرعت وزش بسیار شدیدی داشته و بدترین وضعیت جوی در آنها تجربه می‌شود، CYGNSS قادر به پاسخگویی به سوالاتی مثل اندازه‌ی طوفان، شدت آن و همچنین مشخص کردن محدوده‌ی جغرافیایی که شدیدترین بادهای طوفان به آن خواهند رسید، خواهد بود. علاوه بر این، از آن جایی که گستره‌ی پوشش از زمین در این سیستم ماهواره‌ای بسیار وسیع است، CYGNSS قادر به جمع‌آوری حجم بسیار زیادی از اطلاعات مربوط به محیط‌هایی که طوفان در آنها اتفاق می‌افتد، خواهد بود. سه پایگاه مختلف بر روی زمین برای دریافت این اطلاعات وجود داشته و پژوهشگران در مدت زمان بی‌نطیر و بسیار عالی تنها یک ساعت، قادر به دریافت این داده‌ها از ماهواره‌ها خواهند بود.
پرتاب سیستم به فضا چگونه انجام شد؟

سیستم CYGNSS در صبح پانزدهم دسامبر سال جاری از منطقه Cape Canaveral و با کمک یک موشک پیگاسوس، یک سیستم پرتاب هوایی، به فضا پرتاب شد. راکت مورد نظر در انتهای یک هواپیمای L-1011 به نام Stargazer نصب شده که نحوه بلند شدن آن شبیه سایر هواپیماهای معمولی است که تا اینجا و آنجا می‌بینید. در ارتفاع ۱۲ هزار کیلومتری اقیانوس اطلس، هواپیمای مذکور موشک پیگاسوس را رها کرد؛ ۵ ثانیه بعد موتور پیگاسوس روشن شد و سفر فضایی خود را شروع کرد. بعد از این دماغه مخروطی شکل نوک موشک باز شده و دستگاه آرایش ماهواره‌ها جدا شد؛ بعد از این ۸ ماهواره کوچک با وقفه‌هایی ۳۰ ثانیه‌ای یک به یک از آن جدا شدند. ده دقیقه بعد از جدا شدن، صفحات خورشیدی آنها باز شد. مدتی بعد همه ماهواره‌ها در مدار خود مستقر شده و شروع به کار کردند.

ساعت ۴:۱۲ عصر همان روز تیم CYGNSS موفق به برقراری ارتباط با تمام ماهواره‌ها شد. راف با رضایت اضافه می‌کند: ”مستقر سازی موفقیت‌آمیز ماهواره‌ها در طی چند ساعت و شروع به کار آنها، جواب خوبی برای تلاش‌های بی‌وقفه‌ی تیم CYGNSS بود. با وجود این که حسابی خسته‌ام اما نمی‌توانم خوشحالی‌ام را پنهان کنم و بی‌صبرانه منتظرم تا چند روز آینده امکان مهندسی داده‌های ارسالی از طرف ماهواره‌ها را انجام دهیم.“

این پروژه پرچمدار تلاش‌های ناساست که جزئی از برنامه‌ی جدید این سازمان برای پروژه‌های کم‌هزینه‌‌ای که از فناوری‌های بسیار پیشرفته در آنها استفاده شده و محدوده‌ی فعالیت‌ آنها زیر مدار زمین یا در مدارهای فوقانی آن است. دو ماموریت قبلی در همین طبقه، شامل هواپیماهایی برای انجام تحقیقات و ارتباطات جوی بود. انستیتیو تحقیقات جنوب غربی در ”بولدر“، کلورادو عملیات‌های ماموریت CYGNSS سات و فعالیت‌‌های علمی پروژه هم توسط دانشگاه میشیگان انجام می‌شوند. این پروژه ۱۶۰ میلیون دلاری به مدت دو سال فعالیت خواهد کرد. این مدت زمان برای پر کردن فضاهای خالی مجموعه‌داده‌های مرتبط با طوفان‌ها، اطلاع از نحوه تشدید هسته طوفان‌ها و نهایتا بهینه‌سازی مدل‌های پیش‌بینی که به این اطلاعات وابسته‌اند، کافی به نظر می‌رسد.