استخدام محطة الفضاء الدولية لدراسة مناخ الأرض والحفاظ على كوكبنا آمنًا

استخدام محطة الفضاء الدولية لدراسة مناخ الأرض والحفاظ على كوكبنا آمنًا
مع تغير مناخ الأرض ، تراقب محطة الفضاء الدولية من الأعلى ، مما يساعد على توفير رؤى فريدة للحفاظ على كوكبنا آمنًا.

على الأرض ، غالبًا ما نتطلع نحو السماء شوقًا لمعرفة ما يكمن في بقية الكون ؛ في هذه الأثناء ، على ارتفاع 250 ميلاً فوق كوكبنا ، تنظر محطة الفضاء الدولية إلى الوراء.

فوقنا ، يتم تثبيت العديد من أدوات مراقبة الأرض على الجزء الخارجي من العديد من وحدات المحطة ، بما في ذلك طرف مليء بالكاميرات والصناديق والأدوات التي تتدلى من حافة وحدة التجربة اليابانية (JEM) بالمحطة. تنتشر الأقمار الصناعية المكعبة لرصد الأرض بانتظام من غرفة معادلة الضغط بالمحطة. يلتقط رواد الفضاء صورًا للكوكب من نوافذ المختبر المداري. هذه البؤرة الاستيطانية تجري تجارب علوم الأرض. يوفر كل هذا العمل نظرة ثاقبة لمناخ منزلنا وكيف يمكننا الاستعداد للتغييرات القادمة.

يقول ويليام ستيفانوف ، مدير مكتب علوم الاستكشاف في Johnson Space التابع لناسا مركز في هيوستن.

يقول ستيفانوف إن الطقس يعكس ظروف الغلاف الجوي خلال فترة زمنية قصيرة ، والمناخ هو الطريقة التي “يتصرف” بها الغلاف الجوي على مدى عقود أو مئات السنين أو حتى فترات زمنية جيولوجية.

هذا يعني أنه يجب تتبع العوامل التي تؤثر على مناخنا على مدى فترات طويلة. أكثر من 20 عامًا في المدار يجعل المحطة الفضائية مكانًا رائعًا لجمع هذه البيانات طويلة المدى. تُنشئ المعلومات المجمعة مجموعة بيانات فريدة تساعدنا على إبلاغ قرارات المناخ وربما تطوير حلول للقضايا البيئية.

عيون على الأرض

توفر المحطة الفضائية منظورًا كوكبيًا فريدًا من خلال مسار مداري يمر بأكثر من 90 في المائة من سكان الأرض. يسمح ميله المداري البالغ 52 درجة لرواد الفضاء وحمولات مراقبة الأرض برؤية شروق الشمس وغروبها 16 مرة كل يوم في جميع أنحاء العالم.

“هذا المدار يسمح للمحطة الفضائية بالمرور فوق مناطق مختلفة من الأرض في أوقات مختلفة من النهار أو الليل وجمع البيانات. يقول ستيفانوف: “إنها مجموعة بيانات مختلفة اختلافًا جوهريًا عن معظم أدوات الاستشعار عن بعد الأخرى التي تجمعها على أقمار صناعية تطير بحرية”.

يتم تركيب الحمولات الدولية مثل ECOSTRESS و GEDI و OCO-3 و DESIS و TSIS (المعروف أيضًا باسم TSIS-1) و HISUI بشكل فردي ، ويتم تثبيتها على السطح الخارجي للمختبر المداري. يوفران معًا مجموعة فريدة من القياسات التي يمكن أن تدفع الريادة في البحث البيئي.

“يريد فريق OCO-3 فهم النباتات ودورها في دورة الكربون” ، كما تقول آن ماري إلدرينغ ، عالمة مشروع OCO-3 ، من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا. “اتضح أن جارتنا محطة الفضاء ECOSTRESS تبحث في كيفية استجابة النباتات للإجهاد. ثم هناك GEDI ، الذي يبحث في كمية المواد النباتية الموجودة على الأرض. العلماء الذين يفكرون في النباتات ودورها في دورة الكربون متحمسون للغاية. لقد سمعنا الكثير من المناقشات حول كيفية استخدام جميع البيانات معًا لفهم النباتات بشكل أفضل “.

يستخدم مستشعر OCO-3 انعكاسات ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي لقياس الاختلافات في ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، مع ملاحظة التغيرات التي تقل عن جزء واحد في المليون.

“معظم الغازات مثل الأوزون أو أول أكسيد الكربون أو بخار الماء تتضاعف أو تتضاعف ثلاث مرات في تركيز الغلاف الجوي عندما تكون ملوثة ، لذلك من السهل جدًا اكتشافها. لكن بالنسبة لثاني أكسيد الكربون ، من الصعب بشكل فريد رؤية التغييرات “، كما يقول إلدرينغ.

يمكن أن يكون قياس هذه التغييرات الصغيرة مفتاحًا للإجابة على الأسئلة طويلة الأمد حول ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

“لحسن الحظ بالنسبة لنا ، تمتص النباتات والمحيطات حوالي نصف انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن الإنسان كل عام. ولكن لا تزال هناك ألغاز حول كيفية القيام بذلك ، ولماذا يختلف المبلغ كل عام ، وكيف سيحدث الاستيعاب في المستقبل ، “كما يقول إلدرينغ. “تهدف بياناتنا إلى المساعدة في الإجابة عن هذا النوع من الأسئلة.”

كما تم فحص تخزين الكربون وإزالته داخل وخارج المحطة. قام مفاعل حيوي ضوئي بفحص ما إذا كانت الطحالب الدقيقة يمكن أن تساعد في إغلاق حلقة الكربون في أنظمة دعم الحياة ، وتجربة الكويت: درست الإشريكية القولونية C5 تأثير الجاذبية الصغرى على بكتيريا الإشريكية القولونية التي تم تعديلها لاستهلاك ثاني أكسيد الكربون كمصدر للغذاء. ساعدت الصور التي تم التقاطها بواسطة الحمولة السابقة لمحطة الفضاء HICO في تطوير خوارزمية للكشف عن ازدهار الطحالب الضارة. تلعب الطحالب دورًا رئيسيًا في دورة الكربون العالمية ، والزهور مسؤول عن الكثير من امتصاص المحيط للكربون.

مع أجهزة أخرى مثل SAGE-III لتتبع الأوزون و ISS-LIS و ASIM لمراقبة البرق ، و TSIS لتتبع إجمالي الطاقة المتدفقة إلى الأرض من الشمس ، تقدم تجارب المحطات العديد من السجلات والنماذج المناخية.

يقول المحقق الرئيسي السابق في TSIS والأستاذ بجامعة كولورادو بولدر بيتر بيلوسكي: “يمثل تغير المناخ ما قد يكون أكبر تحدٍ بيئي للبشرية”. “إن مراقبة الطاقة التي تتدفق إلى النظام وداخله وخارجه تدعم قدرتنا على فهم كيفية عمل النظام المناخي ، وإدراك أنه يتغير ، وتحديد تلك الآليات المسؤولة عن تغير المناخ.”

تقدم المحطة منصة موحدة وقادرة لإيواء تجارب مراقبة الأرض مثل TSIS. حجم ملعب كرة القدم ومجهز بالعديد من نقاط التعلق ، ووفرة من سعة البيانات ، ومصدر طاقة كبير (من المقرر أن يصبح أكبر مع التثبيت القادم لألواح iROSA الشمسية ، يمكن للمحطة الفضائية أن تستضيف مجموعة متنوعة من الأدوات في وقت واحد .

جعل توفر هذه الموارد المحطة خيارًا رائعًا في اللحظة الأخيرة لفريق TSIS لنقل حمولتها بسرعة إلى المدار. بعد بعض التأخيرات ، كان الفريق يواجه إخفاقًا محتملاً في أدوات التتبع السابقة قبل إطلاق TSIS.

يقول بيلوسكي : “لقد بدأ الأمر يتحول إلى رعب شديد ، لأن دقة سجل المناخ يتم الحفاظ عليها عند أعلى مستوى ممكن عندما يكون سجل البيانات مستمرًا”. “بسبب محطة الفضاء ، تمكنا من متابعة هذا السجل.”

بعد أن يتعلم الباحثون أساسيات إنشاء حمولة للمحطة الفضائية ، يمكنهم تطبيق هذه المعرفة على مشاريع المحطة المستقبلية. يعمل Pilewskie بالفعل على تجربته التالية ، CLARREO Pathfinder ، المقرر إطلاقها في السنوات القليلة المقبلة.

يقول بيلوسكي: “لا يمكن التقليل من القيمة التي اكتسبناها من تشغيل أداة في المحطة كانت بحاجة إلى التوجيه بدقة شديدة”. “علينا أن نفعل نفس الشيء مع CLARREO Pathfinder ، لذلك نحن نستخدم بعض المحركات نفسها التي نستخدمها لقيادة أدوات TSIS.”

يخطط CLARREO لدراسة مناخ الأرض من خلال أخذ قياسات ضوء الشمس المنعكس من الأرض والقمر مع عدم يقين أقل بخمس إلى عشر مرات من القياسات من أجهزة الاستشعار الموجودة.

العنصر البشري

لا يقتصر الأمر على أجهزة الاستشعار التي تراقب كوكبنا من الأعلى. يفعل الناس كذلك.

توفر نوافذ المحطة الفضائية فرصة لتصوير رواد الفضاء والجمع اليدوي للبيانات المناخية. التقط رواد الفضاء أكثر من 4 ملايين صورة للأرض من الفضاء (أكثر من 3.5 مليون صورة من المحطة الفضائية) ، مما ساهم في أحد أطول السجلات الجارية لكيفية تغير الأرض بمرور الوقت. تدعم Crew Earth Observations حاليًا عددًا من دراسات الإضاءة الليلية في المناطق الحضرية ، ومراقبة الأنهار الجليدية والبراكين ، ودراسات عمليات الغلاف الجوي المتأثرة بالانفجارات البركانية القوية. تُستخدم الصور أيضًا في التحقيقات البيئية ، بما في ذلك مشروع تعاوني يسمى AMASS ، والذي يتتبع طرق هجرة الطيور وتأثيرات التغييرات التي تحدث على طول تلك الطرق.

تدعم هذه الصور أيضًا جهود الإغاثة في حالات الكوارث لأحداث مثل الأعاصير وحرائق الغابات. بعد تلقي إخطار بحدوث كارثة طبيعية ، يحدد العلماء على الأرض ما إذا كان الطاقم سيكون قادرًا على رؤية تلك المنطقة أثناء الدوران في السماء. إذا كان الأمر كذلك ، فإن الطاقم يلتقط الصور ويرسلها إلى الأرض. يتم تحديد الصور بعد ذلك جغرافيًا لاستخدامها من قبل فرق الخطر على الأرض. كانت صور رواد الفضاء مفيدة في أحداث حرائق الغابات ، على سبيل المثال ، إظهار المستجيبين أين يتجه عمود الدخان.

الانتشار خارج المحطة

توسع المحطة تأثيرها على علوم المناخ من خلال نشر CubeSats في مدار أرضي منخفض. يتم إطلاق هذه الأجهزة بحجم صندوق الأحذية ، والتي تحتوي على عروض تكنولوجية أو تختبر أنواعًا جديدة من علوم المناخ ، إلى المحطة جنبًا إلى جنب مع آلاف الجنيهات من التحقيقات البحثية الأخرى وإمدادات الشحن. يقوم رواد الفضاء بتفريغها وإعدادها في المحطة ثم نشرها خارج غرفة معادلة الضغط بالمحطة.

“الكثير من أقمارنا الصناعية الصغيرة ، CubeSats ، تستقلها بسبب المحطة الفضائية. لقد كان هذا مصدرًا رائعًا للبرامج الصغيرة ، خاصة الجامعات أو مراكز ناسا التي تحاول الحصول على بعض المشاريع الصغيرة. قد يكون CubeSats هو أول نقطة انطلاق لأشياء أكبر ، “كما يقول الباحث الرئيسي TSIS و NanoRacks-MinXSS توم وودز. “توفر محطة الفضاء الكثير من الفرص لنقل هذه الأشياء الصغيرة إلى الفضاء.”

تم إطلاق أكثر من 250 CubeSats من المحطة ، بما في ذلك العديد من الحمولات التي تتمحور حول المناخ. على سبيل المثال:

• استهدفت NanoRacks-MinXSS CubeSat التي صممها الطلاب فهمًا أفضل لطاقة الأشعة السينية الشمسية وكيفية تأثيرها على طبقات الغلاف الجوي العلوي للأرض.
• يوفر القمر الصناعي DIWATA-1 معلومات الاستشعار عن بعد للفلبين من خلال مراقبة كوارث الأرصاد الجوية مثل الأعاصير والأمطار الغزيرة الموضعية.
• يساعدنا HARP CubeSat على فهم أفضل لكيفية تأثير السحب والهباء الجوي على الطقس والمناخ وجودة الهواء.

مع تغير مناخ الأرض ، ستراقب محطة الفضاء الدولية من الأعلى ، مما يساعد على توفير رؤى فريدة لازمة للحفاظ على كوكبنا آمنًا.