الحَمُولةُ العِلْمِيَّةُ لِبعثةِ الإماراتِ إلى المِرِّيخِ: نَظْرَةٌ عَامَّةٌ على مطياف الإمارات فوق البنفسجي (EMUS)

ٱلْمُؤَلِّفُونَ

H. Al Matroushi1, F. Lootah1, G. Holsclow2, J. Deighan2, M. Chaffin2, and the EMUS Team2, R. Lillis3, M. Fillingim3, S. England4, S. Al Mheiri1, and H. Reed2. 1Mohammed Bin Rashid Space Centre, Dubai, UAE, 2Laboratory of Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, Colorado, USA. 3Space Sciences Laboratory (SSL), University of California, California, USA, 4Aerospace and Ocean Engineering, Virginia Tech, Virginia, USA.

1مَرْكَزُ مُحَمَّدِ بْنِ رَاشِدٍ لِلْفَضَاءِ، دُبَي، ٱلْإِمَارَاتُ ٱلْعَرَبِيَّةُ ٱلْمُتَّحِدَةُ؛ 2مُخْتَبَرُ ٱلْغِلَافِ ٱلْجَوِّيِّ وَٱلْفَضَاءِ، جَامِعَةُ كُولُورَادُو، كُولُورَادُو، ٱلْوِلَايَاتُ ٱلْمُتَّحِدَةُ؛ 3مُخْتَبَرُ ٱلْعُلُومِ ٱلْفَضَائِيَّةِ (SSL)، جَامِعَةُ كَالِيفُورْنِيَا، بَيْرْكْلِي، ٱلْوِلَايَاتُ ٱلْمُتَّحِدَةُ؛ 4ٱلْهَنْدَسَةُ ٱلْجَوِّيَّةُ وَٱلْمُحِيطِيَّةُ، جَامِعَةُ فِيرْجِينِيَا تِكْ، فِيرْجِينِيَا، ٱلْوِلَايَاتُ ٱلْمُتَّحِدَةُ.

ٱلْمُقَدِّمَة

فِي عَام ٢٠١٤، أَعْلَنَتِ ٱلْإِمَارَاتُ ٱلْعَرَبِيَّةُ ٱلْمُتَّحِدَةُ عَنْ أَوَّلِ مَهَمَّةٍ عَرَبِيَّةٍ لِلكَوَاكِبِ ٱلْخَارِجِيَّةِ، مَهَمَّةِ ٱلْإِمَارَاتِ لِاسْتِكْشَافِ ٱلْمَرِّيخِ، كَحَافِزٍ لِتَطْوِيرِ قِطَاعَيِ ٱلْعُلُومِ وَٱلتِّكْنُولُوجِيَا فِي ٱلْمِنْطَقَةِ.

تَرَكَّزَتِ ٱلْمَهَمَّةُ عَلَى تَطْوِيرِ ٱلْقُدُرَاتِ ٱلْوَطَنِيَّةِ فِي كُلٍّ مِنَ ٱلْعُلُومِ وَٱلْهَنْدَسَةِ دَاخِلَ ٱلْإِمَارَاتِ ٱلْعَرَبِيَّةِ ٱلْمُتَّحِدَةِ، وَتَوْفِيرِ مَكْسَبٍ مَعْرِفِيٍّ جَدِيدٍ لِلْبَشَرِيَّةِ وَٱلْحَضَارَةِ.

سَيْنْطَلِقُ مِسْبَارُ ٱلْأَمَلِ، التَّابِعُ لِمَهَمَّةِ ٱلْإِمَارَاتِ لِاسْتِكْشَافِ ٱلْمَرِّيخِ، فِي عَامِ ٢٠٢٠ لِدِرَاسَةِ ٱلدِّينَامِيكِيَّاتِ فِي غِلَافِ ٱلْمَرِّيخِ ٱلْجَوِّيِّ عَلَى ٱلْمُسْتَوَيَيْنِ اليَوْمِيِّ وَٱلْمَوْسِمِيِّ.

تَتَمَاشَى ٱلْأَهْدَافُ ٱلْعِلْمِيَّةُ الرَّئِيسِيَّةُ لِمَهَمَّةِ ٱلْإِمَارَاتِ لِاسْتِكْشَافِ ٱلْمَرِّيخِ مَعَ هَدَفِ ٱلْمُجْتَمَعِ ٱلْخَبِيرِيِّ لِبَرْنَامَجِ ٱسْتِكْشَافِ ٱلْمَرِّيخِ لِعَامِ ٢٠١٥: "فَهْمِ ٱلْعَمَلِيَّاتِ وَتَارِيخِ ٱلْمُنَاخِ عَلَى ٱلْمَرِّيخِ" [1].

عِلَاوَةً عَلَى ذَلِكَ، تَتَوَافَقُ أَهْدَافُ وَإِنْجَازَاتُ مَهَمَّةِ ٱلْإِمَارَاتِ لِاسْتِكْشَافِ ٱلْمَرِّيخِ مَعَ أَهْدَافِ ٱلْخُبَرَاءِ فِي بَرْنَامَجِ ٱسْتِكْشَافِ ٱلْمَرِّيخِ لِعَامِ ٢٠١٥، وَتَشْمَلُ:
الْهَدَفَ الْفَرْعِيَّ (أ): "وَصْفُ الْحَالَةِ الْمُنَاخِيَّةِ الْحَالِيَّةِ لِغِلَافِ الْمَرِّيخِ الْجَوِّيِّ وَالْبِلَازْمَا الْمُحِيطَةِ وَتَفْصِيلِ الْعَمَلِيَّاتِ الرَّئِيسِيَّةِ تَحْتَ التَّكْوِينِ الْمَدَارِيِّ الْحَالِيِّ"،
وَالْهَدَفَ الْفَرْعِيَّ (ج): "وَصْفُ مِنَاخِ الْمَرِّيخِ الْقَدِيمِ وَتَحْلِيلُ الْعَمَلِيَّاتِ الرَّئِيسِيَّةِ" [1].

تُعْتَبَرُ مَهَمَّةُ ٱلْإِمَارَاتِ لِاسْتِكْشَافِ ٱلْمَرِّيخِ أُولَى مَهَمَّةٍ تُوَفِّرُ تَغْطِيَةً كَامِلَةً لِلدَّوْرَةِ اليَوْمِيَّةِ وَالمَوْسِمِيَّةِ مَعَ هَيْكَلٍ عَالَمِيٍّ يُسَاعِدُ فِي فَهْمِ نَقْلِ الطَّاقَةِ مِنَ ٱلْغِلَافِ الجَوِّيِّ السُّفْلِيِّ إِلَى الْعُلْوِيِّ.

ٱلْأَدَوَاتُ العِلْمِيَّةُ عَلَى مِسْبَارِ ٱلْأَمَلِ

عَلَى مَتْنِ مِسْبَارِ ٱلْأَمَلِ تُوَجَّدُ ثَلَاثُ أَدَوَاتٍ عِلْمِيَّةٍ تُوفِّرُ مَجْمُوعَةً مِنَ القِيَاسَاتِ لِفَهْمٍ مُتَعَمِّقٍ لِمُنَاخِ ٱلْمَرِّيخِ. اثْنَتَانِ مِنْ هَذِهِ الأَدَوَاتِ هُمَا «إماراتُ التَّصْوِيرِ الاسْتِكْشَافِيِّ» (EXI) [2] وَ«إماراتُ المَطْيَافِ لِلأَشِعَّةِ تَحْتَ الحَمْرَاءِ» (EMIRS) [3]، وَسَيُرَكِّزَانِ عَلَى غِلَافِ المَرِّيخِ الجَوِّيِّ السُّفْلِيِّ مِنْ خِلَالِ مُرَاقَبَةِ الغُبَارِ وَالسُّحُبِ الجَلِيدِيَّةِ وَبُخَارِ المَاءِ وَجُزْءِ الأُوزُون. أَمَّا الأَدَاةُ الثَّالِثَةُ، «إماراتُ المَطْيَافِ فَوْقَ البَنَفْسَجِيِّ» (EMUS)، فَسَتُرَكِّزُ عَلَى كِلَا الثِّيرمُوسْفِيرِ وَالإِكْسُوسْفِيرِ لِلكَوْكَبِ. تَسْتَعْرِضُ هَذِهِ الوَرَقَةُ مَلَامِحَ أَدَاةِ EMUS والإِجْرَاءِاتِ المُتَّبَعَةِ بِهَا، وَأَدَاءَ الأَدَاةِ بَعْدَ بَدْءِ تَشْغِيلِهَا.

الأَهْدَافُ العِلْمِيَّةُ لأَدَاةِ EMUS

دِرَاسَةُ الثِّيرمُوسْفِيرِ

سَتُقَيِّمُ أَدَاةُ EMUS كَمِّيَّةَ وَتَوزِيعَ العَنَاصِرِ المُحَايِدَةِ الأَسَاسِيَّةِ فِي الثِّيرمُوسْفِيرِ عِبْرَ الفُصُولِ. وَلِتَحْقِيقِ هَذَا الهَدَفِ، سَتُوَفِّرُ الأَدَاةُ قِيَاسَاتٍ لِلدِّينامِيكَا وَالنَّشَاطِ الحَرَارِيِّ فِي الثِّيرمُوسْفِيرِ، الَّذِي يُشَكِّلُ حَدَّهُ السُّفْلِيَّ مَعَ الإِكْسُوسْفِيرِ. وَيُنجَزُ ذَلِكَ بِتَحْدِيدِ كَمِّيَّةِ الأُكْسِجِينِ (O) وَأَحَادِيِّ أُكْسِيدِ الكَرْبُونِ (CO) وَتَوْزِيعِهَا المَكَانِيِّ.

دِرَاسَةُ الإِكْسُوسْفِيرِ

كَمَا تَسْتَهْدِفُ الأَدَاةُ تَحْدِيدَ البُنْيَةِ ثُلاثِيَّةِ الأَبْعَادِ وَتَوْزِيعِ العَنَاصِرِ الأَسَاسِيَّةِ فِي الإِكْسُوسْفِيرِ وَتَغَيُّرَاتِهَا الفَصْلِيَّةِ. لِذَلِكَ، سَتُرَاقِبُ EMUS الهِيدْرُوجِينَ (H) وَالأُكْسِجِينَ (O) فِي الإِكْسُوسْفِيرِ؛ إذْ تُعَدُّ قِيَاسَاتُ هَذَيْنِ المَركَّبَيْنِ أَسَاسِيَّةً لِتَقْدِيرِ فُقْدِ المَاءِ مِنَ الغِلَافِ الجَوِّيِّ العُلْوِيِّ.

نَبْذَةٌ عَنِ الأَدَاةِ

أَدَاةُ EMUS هِيَ مَطْيَافٌ تَصْوِيرِيٌّ بَعِيدُ المَدَى فَوْقَ بَنَفْسَجِيٍّ، طُوِّرَ بِالتَّعَاوُنِ بَيْنَ مُخْتَبَرِ الغِلَافِ الجَوِّيِّ وَٱلْفَضَاءِ (LASP) فِي جَامِعَةِ كُولُورَادُو بُولْدَر وَمَرْكَزِ مُحَمَّدِ بْنِ رَاشِدٍ لِلْفَضَاءِ. تَتَأَلَّفُ الأَدَاةُ مِنْ مِرْآةٍ تِلْسْكُوبِيَّةٍ وَاحِدَةٍ تُغَذِّي مَطْيَافًا تَصْوِيرِيًّا عَلَى دَائِرَةِ رُولَانْد مَعَ كَاشِفٍ لِلْفُوتُونَاتِ وَتَحْدِيدِ المَوَاقِعِ (مُقَدَّمٍ مِنْ مُخْتَبَرِ العُلُومِ الفَضَائِيَّةِ، جَامِعَةُ كَالِيفُورْنِيَا، بَيْرْكْلِي). الدِّقَّةُ المَكَانِيَّةُ لأَدَاةِ EMUS تَبْلُغُ 0.36° مُمَكِّنَةً وَصْفَ التَّبَايُنِ المَكَانِيِّ فِي الثِّيرمُوسْفِيرِ المَريخيِّ (100–200 كَم ارتفاعًا) وَالإِكْسُوسْفِيرِ (>200 كَم). تَقِيسُ الأَدَاةُ الإِشْعَاعَاتِ فَوْقَ بَنَفْسَجِيٍّ فِي النِّطَاقِ الطَّيْفِيِّ 100–170 نَانُومِتْرٍ بِدِقَّةٍ طَيْفِيَّةٍ اخْتِيَارِيَّةٍ (1.3، 1.8، أَوْ 5 نَانُومِتْر). لِمُرَاقَبَةِ هَالَةِ الهِيدْرُوجِينِ، تُرَكِّزُ الأَدَاةُ عَلَى خَطِّي لايمن-ألفا (121.6 نَانُومِتْر) ولايمن-بيتا (102.6 نَانُومِتْر). وَلِمُرَاقَبَةِ الأُكْسِجِينِ فِي الغِلَافِ الجَوِّيِّ العُلْوِيِّ، تَسْتَشْعِرُ الأَدَاةُ خَطِّي الـ130.4 نَانُومِتْر وَ135.6 نَانُومِتْر. أَمَّا أَحَادِيُّ أُكْسِيدِ الكَرْبُونِ فِي الثِّيرمُوسْفِيرِ، فَتَقِيسُهُ الأَدَاةُ بَيْنَ 140–170 نَانُومِتْر. يَلْخِصُ الجدولُ ١ مَعْلَمَاتِ تَصْمِيمِ الأَدَاةِ.

ٱلْجَدْوَلُ ١: مَعْلَمَاتُ تَصْمِيمِ أَدَاةِ EMUS
ٱلْمَعْلَمَةُ ٱلْقِيمَةُ
مَجَالُ ٱلرُّؤْيَةِ (0.18°, 0.25°, 0.7°) × 11.0°
نِطَاقُ الأَطْوَالِ المَوْجِيَّةِ 100 – 170 nm
ٱلدِّقَّةُ ٱلطَّيْفِيَّةُ 1.3, 1.8, 5 nm
ٱلدِّقَّةُ ٱلْمَكَانِيَّةُ - وَضْعُ الشِّقِّ الضَّيِّقِ 0.14° × 0.20°
كَاشِفُ ٱلْفُوتُونَاتِ CsI

مَفْهُومُ التَّشْغِيلِ

يَسْتَهْدِفُ ٱلْمَدَارُ الْعِلْمِيُّ لِمَهَمَّةِ ٱلْإِمَارَاتِ لِاسْتِكْشَافِ ٱلْمَرِّيخِ مَسَافَتَيْ حَضِيضِ 20,000 كَم وَأَوْجِ 43,000 كَم، مَعَ مَيْلٍ بِنَحْوِ 25° وَفَتْرَةٍ مَدَارِيَّةٍ تُبْلِغُ 55 سَاعَةً. يُمَكِّنُ هَذَا الْمَدَارُ الْفَرِيدُ مِنْ دِرَاسَةِ الإِكْسُوسْفِيرِ بِتَغْطِيَةٍ يَوْمِيَّةٍ وَعَالَمِيَّةٍ.

مُدَّةُ الْمَرْحَلَةِ الْعِلْمِيَّةِ عَامَانِ أَرْضِيَّانِ (أَكْثَرُ مِنْ سَنَةٍ مَرِّيخِيَّةٍ وَاحِدَةٍ) لِدِرَاسَةِ التَّغَيُّرَاتِ الْمَوْسِمِيَّةِ فِي الْغِلَافِ الْجَوِّيِّ. تَأْخُذُ أَدَاةُ EMUS ملاحظاتها بِاِسْتِخْدَامِ أَرْبَعِ اسْتِرَاتِيجِيَّاتِ مُخْتَلِفَةٍ لِلمُرَاقَبَةِ (U-OS) وَحَرَكَةِ الْمِسْبَارِ. يَلْخِصُ الجدولُ ٢ هَذِهِ الاسْتِرَاتِيجِيَّاتِ.

ٱلْجَدْوَلُ ٢: مُلَخَّصُ اسْتِرَاتِيجِيَّاتِ المُرَاقَبَةِ لأَدَاةِ EMUS
ٱلْمُرَاقَبَةُ ٱلْوَصْفُ ٱلشِّقُّ ٱلتَّكْرَارُ
U-OS1 المَسْحُ الإِشْعَاعِيُّ لِقُرْصِ المَرِّيخِ، يُغَطِّي 0–1.06 RM 1.3 nm مرتان في كل مدار خلال أسبوع
U-OS2 المَسْحُ الإِشْعَاعِيُّ لِقُرْصِ المَرِّيخِ، يُغَطِّي 0–1.6 RM 1.8 nm ست مرات في كل مدار خلال أسبوع
U-OS3 مَسْحٌ بِـ"نَمَطِ النُّجُومِ" تَمِيلُ فِيهِ المَرْكَبَةُ 100° فِي أَرْبَعِ مَسَارَاتٍ لِتُغَطِّي 0–6 RM 5 nm أربع مرات في كل مدار كل أسبوعين
U-OS4 تَوْفِيرُ أَوْقَاتِ تَعَرُّضٍ طَوِيلَةٍ لِلْهَالَةِ مُتَوَسِّطَةٍ وَخارِجِيَّةٍ عِنْدَمَا لا تَكُونُ الأَدَاةُ فِي وَضْعِ التَّصْوِيرِ 1.8 nm مراقبةٌ كل 500 كَم في كل مدار مرةً واحدةً في الشهر

اِكْتِمالُ البَيَانَاتِ

يُوجَدُ نَوْعَانِ مِنْ مَجْمُوعَاتِ الصُّوَرِ لأَدَاةِ EMUS: الاعتياديةُ وَالعاليةُ التَّكْرَارِ، لكِلَا الثِّيرمُوسْفِيرِ وَالهَالَةِ.

لِضَمَانِ تَغْطِيَةٍ شَامِلَةٍ وَعَالَمِيَّةٍ لِلْثيرموسفيرِ النَّهَارِيِّ، بِمَا فِي ذَلِكَ فَتْرَةَ الفَجْرِ، وَتَغْطِيَةٍ مُتَوَاصِلَةٍ لِلثِّيرمُوسْفِيرِ الاسْتِوَائِيِّ (إِطَارُ MSO)، يَجِبُ أَنْ تَتَضَمَّنَ المَجْمُوعَةُ الاعتياديةُ مَا لا يَقِلُّ عَنْ سِتَّةِ فَوَاصِلَ طُولِيَّةٍ بِنَحْوِ 30° تَمْتَدُّ مِنْ −120° إِلَى 120° (4 صَبَاحًا إِلَى 8 مَسَاءً بِتَوْقِيتِ MSO).

وَيَجِبُ أَنْ تَتَضَمَّنَ المَجْمُوعَةُ العَالِيَةُ التَّكْرَارِ مَا لا يَقِلُّ عَنْ 12 مِنْ أَصْلِ 16 فَاصِلَةً طُولِيَّةً بِنَحْوِ 15°، وَأَنْ تُؤْخَذَ كِلْتَاهُمَا خِلَالَ ثُلُثِ الأُسْبُوعِ.

وَفِي مَا يَتَعَلَّقُ بِالهَالَةِ، تَتَضَمَّنُ المَجْمُوعَةُ الاعتياديةُ صُوَرًا لِمَسْحِ 5 مِنْ أَصْلِ 8 فَوَاصِلَ طُولِيَّةٍ بِنَحْوِ 45° فِي إِطَارِ MSO (−180° إِلَى 180°)، دُونَ تَفْوِيتِ أَكْثَرَ مِنْ فَاصِلَةٍ وَاحِدَةٍ (45°)، بِمِنْهَا فَاصِلَةٌ مَرْكَزِيَّةٌ لِلَّيْلِ (135° إِلَى −135°) لِوَصْفِ هِيدْرُوجِينِ الإِكْسُوسْفِيرِ اللَّيْلِيِّ، أَوْ ثلاثِ فَوَاصِلَ لِلنَّهَارِ وَحُدُودِهِ (−135° إِلَى 135°) لِوَصْفِ هِيدْرُوجِينِ وَأُكْسِجِينِ الإِكْسُوسْفِيرِ النَّهَارِيِّ.

وَلَا يُتَوَقَّعُ أَنْ تَتَغَيَّرَ هَالَاتُ الهِيدْرُوجِينِ وَالأُكْسِجِينِ فِي الغِلَافِ السُّفْلِيِّ عَلَى مَقايِيسَ زَمَنِيَّةٍ تَقِلُّ عَنْ أُسْبُوعٍ، لِذَلِكَ يَجِبُ جَمْعُ مَجْمُوعَةٍ اعتياديةٍ وَاحِدَةٍ كُلَّ أُسْبُوعٍ.

وَلِلسَّمَاحِ بِوَصْفِ التَّغَيُّرَاتِ الزَّمَنِيَّةِ الْقَصِيرَةِ (أَقَلَّ مِنْ أُسْبُوعٍ) طِيلَ فُصُولِ المَرِّيخِ، يَجِبُ جَمْعُ بَيَانَاتٍ عَالِيَةِ التَّكْرَارِ، مُمَثَّلَةً بِثَلَاثِ مَجْمُوعَاتٍ مُتَتَالِيَةٍ مِنَ الصُّوَرِ الاعتياديةِ فِي نَفْسِ الأُسْبُوعِ، فِي 7 مِنْ أَصْلِ 8 فَوَاصِلَ طُولِيَّةٍ بِنَحْوِ 45° ضِمْنَ زَوَايَا الشَّمْسِ خِلَالَ السَّنَةِ المَرِّيخِيَّةِ، لِضَمَانِ تَشْكِيلِ تَغَيُّرٍ زَمَنِيٍّ مُتَّسِقٍ عَبْرَ الفُصُولِ وَالمَسَافَاتِ الشَّمْسِيَّةِ.

ٱلْمُلَخَّص

سَتُعَزِّزُ بَيَانَاتُ أَدَاةِ EMUS فَهْمَنَا لِلثِّيرمُوسْفِيرِ وَالإِكْسُوسْفِيرِ لِلمَرِّيخِ وَتَغَيُّرَاتِهِمَا عَبْرَ الفُصُولِ. صُمِّمَتِ الأَدَاةُ لِقِيَاسِ التَّغَيُّرَاتِ النِّسْبِيَّةِ فِي الثِّيرمُوسْفِيرِ وَبِنْيَةِ اِمْتِدَادِهِ وَعُلُوِّهِ، وَرَصْدِ الهِيدْرُوجِينِ وَالأُكْسِجِينِ فِي الإِكْسُوسْفِيرِ. فَوْقَ ذَلِكَ، سَتَقِيسُ الأَدَاةُ التَّغَيُّرَاتِ فِي بِنْيَةِ الهَالَةِ مَعَ المَوْسِمِ وَتَأْثِيرَاتِ الغِلَافِ السُّفْلِيِّ (كَالعَوَاصِفِ الرَّمْلِيَّةِ). وَبِالتَّعَاوُنِ مَعَ بَيَانَاتِ أَدَوَاتٍ أُخْرَى عَلَى مَتْنِ مِسْبَارِ الأَمَلِ، سَتُحَسِّنُ المَهَمَّةُ فَهْمَنَا لِلتَّرَابُطِ بَيْنَ الغِلَافِ الجَوِّيِّ العُلْوِيِّ وَالسُّفْلِيِّ وَمُناخِ المَرِّيخِ.

ٱلْمَرَاجِعُ

[1] MEPAG (2015)، NASA، 24 02.

Ninth International Conference on Mars 2019 (LPI Contrib. No. 2089) 6073.pdf