إكسبلورر 7

قام فريق من جامعة ويسكونسن ، بقيادة الدكتور فيرنر إي. سومي وروبرت بارنت ، ^{[ 3 ] : 411،} بإنشاء تجربة الإشعاع الحراري للمستكشف 7 المصممة لقياس ميزانية إشعاع الأرض - أي كمية الطاقة الشمسية التي تمتصها الأرض وغلافها الجوي وتعكسها وتشعها - وذلك بهدف الحصول على فهم أفضل للقوى الدافعة لنظام الأرض والغلاف الجوي. ^{[ 8 ]}

تألفت أجهزتها الأساسية من خمسة مقاييس حرارة حرارية على شكل أنصاف كرات فضية مجوفة ، معزولة حراريًا عن مرايا مطلية بالألومنيوم ، ولكنها قريبة منها. وبذلك، تصرفت أنصاف الكرات بشكل مشابه للكرات المعزولة في الفضاء. كان لنصفي كرة طلاء أسود، واستجابا بالتساوي تقريبًا للإشعاع الشمسي والأرضي. أما نصف الكرة الثالث، المطلي باللون الأبيض، فكان أكثر حساسية للإشعاع الأرضي منه للإشعاع الشمسي. وكان نصف الكرة الرابع، ذو السطح المعدني الذهبي ، أكثر حساسية للإشعاع الشمسي منه للإشعاع الأرضي. أما نصف الكرة الخامس، المحمي من أشعة الشمس المباشرة، فقد استُخدم لقياس ضوء الشمس المنعكس. وُضع مُقاوِم حراري خرزي مطلي بالزجاج أعلى كل نصف كرة لقياس درجة الحرارة. استغرقت مجموعة كاملة من أربع قياسات لدرجة الحرارة وعينة مرجعية واحدة 30 ثانية. وهكذا، في كل مدار، أمكن الحصول على حوالي 180 قياسًا لدرجة الحرارة. ^{[ 8 ]}

تم تكليف فريق دراسة الأشعة الكونية بجامعة ولاية أيوا (SUI) بقيادة جيمس فان ألين بتطوير حزمة لمواصلة أبحاث الأشعة الكونية في المدار، وقد ازدادت الأولوية مع اكتشاف أحزمة فان ألين بواسطة المركبات الفضائية إكسبلورر 1 و3 و4. ^{[ 3 ] : 411} استُخدم عدادان جايجر متعددا الاتجاهات (أنتون 302 و112) مثبتان في أعلى القمر الصناعي ^{[ 5 ]} لإجراء رصد مكاني وزمني شامل لشدة الأشعة الكونية الكلية، والإشعاع الجسيمي المحصور مغناطيسيًا، والبروتونات الشمسية . وكان الكاشف حساسًا للبروتونات (طاقة > 20 ميجا إلكترون فولت) والإلكترونات (طاقة > 30 كيلو إلكترون فولت). ^{[ 9 ]} كان جورج هـ. لودفيج المصمم الرئيسي، بمساعدة بيل ويلبلي، بينما تولى طالب الدراسات العليا جون دبليو. فريمان معايرة العدادات، وانضم برايان أوبراين إلى الفريق في أغسطس 1959 كأستاذ مساعد للمساعدة في تحليل البيانات. كان من المقرر بث بيانات القياس عن بُعد على ترددين: 108.00 و19.994 ميجاهرتز ؛ وكان الهدف من التردد المنخفض وقوة الإخراج العالية نسبيًا البالغة 0.6 واط هو تسهيل عملية جمع البيانات لهواة الراديو. ^{[ 3 ] : 413}

قام فريق جيرهارد غروتزينغر في معهد غلين إل. مارتن للأبحاث للدراسات المتقدمة في بالتيمور، ميريلاند، بتطوير تجربة الأشعة الكونية الثقيلة ^{[ 3 ] : 411،} المصممة لقياس تدفق الأشعة الكونية الأولية الثقيلة من جميع الاتجاهات في نطاق الصلابة (الزخم مقسومًا على الشحنة) من 1 إلى 15.5 جيجا فولت . تم عدّ الجسيمات ذات الأعداد الذرية Z>5 وZ>8 وZ>15 بشكل منفصل بواسطة غرفة تأين، حيث أنتج كل جسيم يصطدم بها نبضة. وبينما كان سعة النبضة مستقلة إلى حد كبير عن طاقة الجسيم الساقط، إلا أنها كانت تتناسب طرديًا مع مربع قيمة Z الخاصة به. تم تحديد كل معدل من معدلات العد الثلاثة كل 15 ثانية. ^{[ 10 ]}

قدّم فريق من مختبر الأبحاث البحرية بقيادة هربرت فريدمان وتالبوت تشاب ^{[ 11 ]} تجربةً لرصد الأشعة السينية الشمسية وإشعاع ليمان-ألفا . ^{[ 3 ] : 411.} تضمنت التجربة غرف تأين غازية مثبتة على جانبين متقابلين من الجزء العلوي من التكوين المخروطي المزدوج للقمر الصناعي. رُصدت شدة الإشعاع للحصول على سجل طويل الأمد لتدفقات الأشعة السينية الشمسية وإشعاع ليمان-ألفا ، وربطها بالاستجابات الجوية الأرضية. مُلئ كاشفا الأشعة السينية ( بعمق 2.5 سم (0.98 بوصة) ) بغاز الأرجون، واحتوىا على نوافذ من البريليوم (0.021 جم/سم²)، مما أدى إلى حساسية للأشعة السينية في نطاق 2 إلى 8 أنجستروم . أما كاشفا ليمان-ألفا (على الجانب المقابل)، فكانا عبارة عن غرف تأين دائرية ( قطرها 1.9 سم (0.75 بوصة) ) مملوءة بغاز أكسيد النيتريك ، واحتوت على نوافذ من فلوريد الليثيوم . كانت حساسيتهم في نطاق 1050 إلى 1350 أنجستروم. ^{[ 12 ]}    

قام هيرمان إي. لاجو، مدير مشروع إكسبلورر 7 في مركز مارشال لرحلات الفضاء ، برعاية كاشف النيازك الدقيقة الخاص بالقمر الصناعي. ^{[ 11 ]} تتكون هذه الكاشفات من ثلاث خلايا ضوئية موصلة مصنوعة من كبريتيد الكادميوم ، مثبتة على صفيحة من المغنيسيوم على خط استواء القمر الصناعي، وموجهة للخارج بشكل عمودي على محور دوران القمر، لقياس اختراق النيازك الدقيقة والتذرية الجزيئية . كانت الخلايا الثلاث متطابقة في التصميم والمساحة الفعالة (18 مم²). ^{[ 13 ]}

عمل جهاز قياس التوازن الحراري التابع لجامعة ويسكونسن بكفاءة تامة، ^{[ 3 ] حيث تم الحصول على 413} بيانات قابلة للاستخدام منذ الإطلاق وحتى 28 فبراير 1961. ^{[ 8 ]} وقد أنتج الجهاز أولى الخرائط التقريبية لـ "الإشعاع الشمسي المنعكس من الأرض والأشعة تحت الحمراء المنبعثة منها". ^{[ 16 ]} وعلى مدى السنوات السبع التالية، تمكن العلماء من استخلاص المزيد من الاستنتاجات من مئات الآلاف من القياسات التي أجراها المسبار إكسبلورر 7 (ما يصل إلى 432,000 قياس في شهر واحد). وقد صعّب غياب وحدة تخزين البيانات عملية التحليل، حيث كانت النتائج تُرسل على دفعات بدلاً من إرسالها دفعة واحدة كخريطة عالمية. ولذلك، تم التعامل مع النتائج على مراحل. في البداية، قام العلماء بحساب فقدان الأرض للإشعاع. ^{[ 14 ]} ومن خلال دمج بيانات إكسبلورر 7 مع الصور التي أرسلتها أقمار تيروس للأرصاد الجوية، تبيّن أن فقدان الأرض للحرارة يعتمد بشكل كبير على الغطاء السحابي. ^{[ 11 ]} بحلول نهاية عام 1965، نُشرت نتائج حول اكتساب الأرض للحرارة من الإشعاع الشمسي، وبدأ علماء المناخ في تطوير فهم لكيفية تأثير التسخين والتبريد في الغلاف الجوي للأرض على طقس الكوكب. ^{[ 14 ]}

تم لاحقًا إطلاق نسخ من تجربة Suomi على العديد من أقمار TIROS الصناعية، بدءًا من TIROS 3. ^{[ 17 ]}

عملت تجربة الإشعاع المحصور والبروتونات الشمسية (SUI) بشكل مُرضٍ منذ إطلاقها، باستثناء فترة وجيزة في سبتمبر وأكتوبر 1960، ^{[ 9 ]} وحتى أوائل مارس، إلا أن نتائجها جاءت مخيبة للآمال: فقد رسم المسبار إكسبلورر 4 بالفعل خرائط للحواف السفلية لأحزمة فان ألين، وكان لدى كل من سبوتنيك 3 وإكسبلورر 6 أجهزة أكثر حساسية من إكسبلورر 7. علاوة على ذلك، فقد أعادت مهمات الفضاء السحيق لبيونير 3 وبيونير 4 ، بالإضافة إلى مدار إكسبلورر 6 عالي المدى، بيانات عن الأحزمة من أعماق أبعد بكثير في الفضاء. على الرغم من ذلك، فقد أعاد إكسبلورر 7 كمية كبيرة من البيانات حول التغيرات قصيرة وطويلة الأجل في تدفق الإشعاع على مدار فترة تشغيل التجربة الطويلة. ^{[ 3 ] : 413} والجدير بالذكر أنه في 28 نوفمبر 1959، حلق إكسبلورر 7 فوق شفق مونتانا وأعاد بيانات أشارت إلى أن حزام فان ألين الخارجي أصبح غير مستقر مؤقتًا. وقد أكد هذا النظرية القائلة بأن الشفق القطبي يتغذى على الجسيمات المنبعثة من حزام فان ألين الخارجي. ^{[ 11 ]}

أُجريت تجربة الأشعة الكونية الأولية الثقيلة وفقًا للخطة الموضوعة منذ الإطلاق وحتى 25 أكتوبر 1959. وكانت حوالي 80% من البيانات التي جُمعت خلال الفترة من 25 أكتوبر 1959 إلى 31 مايو 1960 مفيدة، مع حدوث معظم المشاكل في وضع العدد الذري الأدنى (Z). ولم تُجمع سوى بيانات قليلة مفيدة بعد 31 مايو 1960. ^{[ 10 ]} وللأسف، بحلول وقت إطلاق المركبة الفضائية إكسبلورر 7، كان غروتزينغر، مُصمم حزمة التجربة، قد توفي. وتولى مارتن أ. بوميرانتز، من مختبر بارتول للأبحاث، مسؤولية النتائج، ونشر عدة أوراق بحثية عنها. ^{[ 3 ] : 413} ومن بين النتائج المهمة أن الاضطرابات الشمسية كانت مصدر الجسيمات الثقيلة المكتشفة، وأن وقت اليوم يؤثر على تدفق الأشعة الكونية الثقيلة، وأن طاقة الجسيمات المكتشفة تتناسب عكسيًا مع عددها. ^{[ 11 ]}

في 31 مارس 1960، سجلت أجهزة الاستشعار على متن المركبة الفضائية إكسبلورر 7 تغيراً جذرياً في حزام فان ألين الخارجي، بالتزامن مع عاصفة مغناطيسية شديدة، تم رصدها في الوقت نفسه بواسطة محطات أرضية ومركبة بايونير 5. ساعدت هذه البيانات في تأكيد النظرية القائلة بأن العواصف المغناطيسية ناتجة عن سحب البلازما الممغنطة التي تقذفها الشمس أثناء التوهجات الشمسية . ^{[ 18 ]}

كان من المستحيل تفسير البيانات التي جُمعت بواسطة الأشعة السينية الشمسية وإشعاع ليمان-ألفا من حيث الإشعاع الشمسي الساقط، وذلك بسبب تشبع دوائر الكاشف بإشعاع فان ألين ( إلكترونات طاقة 150 كيلو إلكترون فولت ) (كما حدث أيضًا في مركبة فانغارد 3 ^{[ 4 ]} )، بالإضافة إلى صعوبات إلكترونية في مُضخِّم التغذية الراجعة. ^{[ 12 ]} كان لا بد من انتظار مركبة SOLRAD 1 في العام التالي لإجراء قياسات ناجحة للأشعة السينية الشمسية ، والتي حملت أيضًا حمولة تابعة لمختبر الأبحاث البحرية (NRL)، ^{[ 4 ]} وكانت هذه الحمولة محمية مغناطيسيًا. ^{[ 11 ]}

خضعت تجربة النيازك الدقيقة المحمولة على متن المركبة الفضائية لبيئة الفضاء التي تشمل النيازك الدقيقة والإشعاع المحصور والتذرية لمدة 38 يومًا من التشغيل النشط. تضررت إحدى الخلايا الثلاث عند الإطلاق، ولم تُرسل أخرى أي بيانات. أما الخلية الثالثة، فقد اخترقتها في اليوم الثالث عشر جسيمة (إما نيزك دقيق أو ناتجة عن التذرية) يبلغ قطرها حوالي 0.001 بوصة (0.025 مم) . ^{[ 11 ]}  

قدمت تجربة الغلاف الأيوني التي أجراها المسبار إكسبلورر 7 بيانات على مدى 16 شهرًا. وأظهر تحليل تغيرات خصائص إشارة المنارة بين المسبار إكسبلورر 7 والمحطات الأرضية وجود اضطرابات في الغلاف الأيوني للأرض بأبعاد أفقية تتراوح بين 5 كيلومترات (3.1 ميل) و 500 كيلومتر (310 ميل) في جميع أوقات اليوم. ^{[ 6 ]}