الحُمولة العلمية لِبَعْثة الإمارات إلى المريخ: نَظْرة عامّة على مطياف الإمارات فوق البنفسجي (EMUS)

المؤلِّفون

H. Al Matroushi¹, F. Lootah¹, G. Holsclaw², J. Deighan², M. Chaffin², and the EMUS Team, R. Lillis³, M. Fillingim³, S. England⁴, S. Al Mheiri¹, and H. Reed².

جهات الانتماء: 1 مركز محمد بن راشد للفضاء، دبي، الإمارات العربية المتحدة. 2 مختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء (LASP)، جامعة كولورادو، كولورادو، الولايات المتحدة الأمريكية. 3 مختبر علوم الفضاء (SSL)، جامعة كاليفورنيا، بيركلي، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية. 4 قسم الهندسة الجوية والمحيطية، فيرجينيا تك، فيرجينيا، الولايات المتحدة الأمريكية.

المقدمة

في عام ٢٠١٤، أعلنت الإمارات العربية المتحدة عن أول مهمةٍ عربيةٍ بينَ كوكبية، «مهمة الإمارات لاستكشاف المريخ»، بوصفها حافزًا لتطوير قطاعي العلوم والتكنولوجيا في المنطقة. تركّزت المهمة على تطوير القدرات الوطنية في كلٍّ من العلوم والهندسة داخل دولة الإمارات، وعلى الإسهام بمعرفةٍ علميةٍ جديدةٍ للبشرية.

سيُجري «مسبار الأمل» التابع لمهمة الإمارات لاستكشاف المريخ، ابتداءً من عام ٢٠٢٠، دراسةً لديناميكيات الغلاف الجوي للمريخ على المقاييس اليومية والموسمية. وتتوافق الأهدافُ العلميةُ الرئيسة للمهمة مع هدف مجموعة تحليل برنامج استكشاف المريخ MEPAG لعام ٢٠١٥: «فهم العمليات والمناخ التاريخي على المريخ» [1].

علاوةً على ذلك، تُعالج أهدافُ وإنجازاتُ المهمة عددًا من أهداف MEPAG لعام ٢٠١٥، وتشمل الهدف (٢-أ): «توصيف حالة المناخ الراهنة للغلاف الجوي المريخي وبيئة البلازما المحيطة، وتفصيل العمليات الرئيسة في ظل الظروف المدارية الحالية»، والهدف (٢-ج): «توصيف المناخ القديم للمريخ وتحليل العمليات الرئيسة» [1]. وتمثّل المهمةُ أولَ جهدٍ يوفّر تغطيةً كاملةً للدورة اليومية والموسمية مع تغطيةٍ عالمية، ما يُسهم في فهم نَقل الطاقة من الغلاف الجوي الأدنى إلى الغلاف الجوي العُلوي.

الأدوات العلمية على «مسبار الأمل»

يحمل «مسبار الأمل» ثلاثَ أدواتٍ علميةً تُوفّر مجموعةً من القياسات لفهمٍ مُتعمّقٍ لمناخ المريخ. أداتان منهما هما «مُصَوِّر الاستكشاف الإماراتي» (EXI) [2] و«مطياف الإمارات للأشعة تحت الحمراء للمريخ» (EMIRS) [3]، ويركّزان على الغلاف الجوي الأدنى عبر رصد الغبار وسُحُب الجليد وبخار الماء والأوزون ودرجات الحرارة. أمّا الأداةُ الثالثة، «مطياف الإمارات فوق البنفسجي» (EMUS)، فستركّز على كلٍّ من الغلاف الحراري (الثيرموسفير) والغلاف الخارجي (الإكسوسفير) للكوكب. تستعرض هذه الورقةُ ملامحَ أداة EMUS ومفاهيم التشغيل المرتبطة بها، وأداء الأداة بعد بدء تشغيلها.

الأهداف العلمية لأداة EMUS

تحقيقُ الغلافِ الحراري (الثيرموسفير)

ستُقيِّم أداةُ EMUS كميّةَ وتوزّعَ العناصرِ المُحايدةِ الأساسية في الغلاف الحراري عبر الفصول. ولتحقيق ذلك، ستوفّر الأداةُ قياساتٍ للديناميكيات والنشاطِ الحراري في هذا الغلاف، الذي يُمثّل حدَّه الأعلى بدايةَ الغلاف الخارجي. ويتم ذلك بتحديد كميّة الأكسجين الذرّي (O) وأول أكسيد الكربون (CO) وتوزّعِهما المكاني.

تحقيقُ الغلافِ الخارجي (الإكسوسفير)

ستتناول أداةُ EMUS كذلك توصيفَ البنية الثلاثية الأبعاد وتوزّعَ العناصرِ الأساسية في الغلاف الخارجي وتغيّرها عبر الفصول. ولهذا الغرض، سترصد الأداةُ الهيدروجين (H) والأكسجين (O) في الإكسوسفير؛ إذ تُعدّ قياساتُ هذين المكوّنين أساسيةً لتقدير فَقدِ الماء من الغلاف الجوي العُلوي.

نبذةٌ عن الأداة

أداةُ EMUS مطيافٌ تصويريٌّ بعيدُ المدى للأشعة فوق البنفسجية، طُوِّر بالتعاون بين مختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء (LASP) في جامعة كولورادو بولدر ومركز محمد بن راشد للفضاء. تتألّف من مرآةٍ تلسكوبيةٍ واحدةٍ تُغذّي مطيافًا تصويريًّا يعمل على «دائرة رولاند»، مع كاشفٍ فوتونيٍّ حسّاسٍ للموقع Position-Sensitive Photon-Counting Detector (مقدَّمٍ من مختبر علوم الفضاء، جامعة كاليفورنيا، بيركلي). تبلغ الدقّةُ المكانيةُ للأداة نحو ٠.٣٦°، ما يُمكّن من توصيف التباين المكاني في الغلاف الحراري المريخي (١٠٠–٢٠٠ كم ارتفاعًا) وفي الغلاف الخارجي (فوق ٢٠٠ كم). تقيس الأداةُ الإشعاعاتِ فوق البنفسجية في النطاق الطيفي ١٠٠–١٧٠ نانومتر بدقّةٍ طيفيّةٍ قابلةٍ للاختيار (١.٣ أو ١.٨ أو ٥ نانومتر). ولرصد «الهالة» الهيدروجينية، تُركّز الأداةُ على خطّي لايمان-ألفا (١٢١.٦ نانومتر) ولايمان-بيتا (١٠٢.٦ نانومتر). أمّا رصدُ الأكسجين في الغلاف الجوي العُلوي فيكون عند ١٣٠.٤ نانومتر والخطّ الأضعف عند ١٣٥.٦ نانومتر. ويُقاس أولُ أكسيد الكربون في الغلاف الحراري ضمن ١٤٠–١٧٠ نانومتر. يَلخّص الجدول ١ مُعلمات تصميم الأداة.

الجدول ١: مُعلماتُ تصميم أداة EMUS
المُعلمة	القيمة
مجال الرؤية	(0.18°, 0.25°, 0.7°) × 11.0°
نطاق الأطوال الموجية	100–170 nm
الدقّة الطيفية	1.3, 1.8, 5 nm
الدقّة المكانية مع شِقٍّ ضيّق	0.14° × 0.20°
الكاشف/المهبط الضوئي	CsI (يوديد السيزيوم)

مفهوم التشغيل

يُستهدَف للمدار العلمي لمهمة الإمارات لاستكشاف المريخ قيَمٌ تقارب ٢٠٬٠٠٠ × ٤٣٬٠٠٠ كم، مع مَيْل مداري بنحو ٢٥° وفترةٍ مداريةٍ قدرُها ٥٥ ساعة. يتيح هذا المدارُ الفريدُ دراسةَ الإكسوسفير بتغطيةٍ عالميةٍ وبتنوّعٍ في الأوقات المحلية على مدار اليوم.

تبلغ مدةُ المرحلة العلمية سنتين أرضيتين (أكثر من سنةٍ مريخيةٍ واحدة) لدراسة التغيّرات الموسمية في الغلاف الجوي. تلتقط أداةُ EMUS ملاحظاتِها وفق أربع استراتيجياتٍ مختلفةٍ للمراقبة (U-OS) وبالاقتران مع حركة المسبار. يَلخّص الجدول ٢ أدناه هذه الاستراتيجيات.

الجدول ٢: مُلخّصُ استراتيجيات المراقبة لأداة EMUS
الاستراتيجية	الوصف	الدقّة الطيفية	التكرار
U-OS1	مسحٌ شعاعيٌّ لقرص المريخ يغطي 0–1.06 R_M	1.3 nm	مرّتـان في كل مدار خلال أسبوع
U-OS2	مسحٌ شعاعيٌّ لقرص المريخ يغطي 0–1.6 R_M	1.8 nm	ستّ مرات في كل مدار خلال أسبوع
U-OS3	مسحٌ «بنمط النجوم»؛ تُميل المركبةُ ١٠٠° عبر أربع مسارات لتغطية 0–6 R_M	5 nm	أربعُ مراتٍ في كل مدار مرّةً كلَّ أسبوعين
U-OS4	أزمنةُ تعرّضٍ طويلة للهالة المتوسطة والخارجية عندما لا تكون الأداةُ في وضع التصوير	1.8 nm	مرّة شهريًّا، مع عيناتٍ متباعدةٍ بنحو ٥٠٠ كم على طول المدار

اكتمال البيانات

توجد نوعان من مجموعات الصور لأداة EMUS: «اعتيادية» و«عالية التكرار»، لكلٍّ من الغلاف الحراري والهالة. لضمان تغطيةٍ عالميةٍ كاملةٍ للغلاف الحراري النهاري (بما في ذلك فترةُ الفجر)، وتغطيةٍ دائمةٍ للغلاف الحراري الاستوائي (في إطار إحداثيات MSO)، ينبغي أن تشمل المجموعةُ الاعتياديةُ على الأقل ٦ من ٨ فواصل طولية (٣٠°) ممتدّةً من −١٢٠° إلى ١٢٠°، وأن تغطي أوقاتًا محلية شمسية بين ٠٤ و٢٠ ساعة.

وفيما يخصّ «الهالة»، تشمل المجموعةُ الاعتيادية صورَ مسحٍ لِـ ٥ من ٨ فواصل طولية (٤٥°) في إطار MSO (−١٨٠° إلى ١٨٠°)، من دون تفويت أكثر من فاصلةٍ واحدة (٤٥°) من أيّ فاصلة مركزية (٩٠°) لليل (من ١٣٥° إلى −١٣٥°) لوصف الهيدروجين في الإكسوسفير الليلي، أو من الفواصل النهارية وحدودها (−١٣٥° إلى ١٣٥°) لوصف كلٍّ من الهيدروجين والأكسجين في الإكسوسفير النهاري. ولأن هالاتِ الهيدروجين والأكسجين في الجزء المنخفض من الغلاف الخارجي لا يُتوقّع أن تتغيّر على مقاييس زمنيةٍ أقصر من أسبوع، فينبغي جمعُ مجموعةٍ اعتياديةٍ واحدةٍ كلَّ أسبوع.

وللسماح بتوصيف التغيّر الزمني القصير (أقل من أسبوع) في جميع فصول المريخ، ينبغي جمعُ بياناتٍ عاليةِ التكرار (ثلاثُ مجموعاتٍ متتالية من الصور الاعتيادية في الأسبوع نفسه) ضمن ٧ على الأقل من ٨ فواصل (٤٥°) لِطُولِيّات الشمس خلال سنةٍ مريخية، بما يضمن تتبُّع تغيّرٍ زمنيٍّ متّسقٍ عبر الفصول وتغيّر المسافة الشمسية.

الملخّص

ستُعزّز بياناتُ أداة EMUS فهمَنا للغلاف الحراري والإكسوسفير للمريخ وتغيّراتِهما عبر الفصول. صُمِّمت الأداة لقياس التغيّرات النسبية في الغلاف الحراري وبنية امتداده وارتفاعه، ورصد الهيدروجين والأكسجين في الإكسوسفير. وفوق ذلك، ستقيس الأداةُ تغيّرَ بنية الهالة مع الموسم وتأثيراتِ الغلاف الأدنى (مثل العواصف الغبارية). وبالتكامل مع بيانات أدواتٍ أُخرى على متن «مسبار الأمل»، ستُحسّن المهمةُ فهمنا للترابط بين الغلاف الجوي العُلوي والأدنى ولمناخ المريخ.

المراجع

[1] MEPAG (2015), NASA, 24 02.

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