مدار متزامن مع الشمس

المدار المتزامن مع الشمس ( SSO )، والذي يُسمى أيضًا المدار المتزامن مع الشمس ، ^{[ 1 ]} هو مدار شبه قطبي حول كوكب، حيث يمر القمر الصناعي فوق أي نقطة معينة من سطح الكوكب في نفس التوقيت الشمسي المحلي المتوسط . ^{[ 2 ] [ 3 ]} وبشكل أكثر دقة، هو مدار مُرتب بحيث، في كل دورة للكوكب حول الشمس، يتقدم مستوى مداره (وتحديدًا خط طول العقدة الصاعدة ) دورة كاملة حول الكوكب.

يُعدّ المدار المتزامن مع الشمس مفيدًا لأقمار التصوير والاستطلاع والأرصاد الجوية ، ^{[ 4 ]} لأنه في كل مرة يكون فيها القمر الصناعي فوق الكوكب، تكون زاوية إضاءة سطحه ثابتة تقريبًا. تُشكّل هذه الإضاءة الثابتة ميزةً قيّمةً للأقمار الصناعية التي تُصوّر سطح الأرض بأطوال موجية مرئية أو تحت حمراء ، مثل أقمار الأرصاد الجوية والتجسس، ولأقمار الاستشعار عن بُعد الأخرى، مثل تلك التي تحمل أجهزة استشعار عن بُعد للمحيطات والغلاف الجوي والتي تتطلب ضوء الشمس. على سبيل المثال، قد يعبر قمر صناعي في مدار متزامن مع الشمس خط الاستواء اثنتي عشرة مرة يوميًا، في كل مرة تقريبًا عند الساعة 15:00 بالتوقيت المحلي.

من الحالات الخاصة للمدار المتزامن مع الشمس مدار الظهيرة/منتصف الليل ، حيث يكون متوسط ​​الوقت الشمسي المحلي لمرور القمر الصناعي عند خطوط العرض الاستوائية حوالي الظهيرة أو منتصف الليل، ومدار الفجر/الغسق ، حيث يكون متوسط ​​الوقت الشمسي المحلي لمرور القمر الصناعي عند خطوط العرض الاستوائية حوالي شروق الشمس أو غروبها، بحيث يمر القمر الصناعي على خط الفصل بين الليل والنهار. يُعدّ المرور على خط الفصل بين الليل والنهار مفيدًا لأقمار الرادار النشطة، إذ يمكن لألواحها الشمسية رؤية الشمس باستمرار دون أن تحجبها الأرض. كما أنه مفيد لبعض الأقمار الصناعية المزودة بأجهزة سلبية والتي تحتاج إلى الحد من تأثير الشمس على القياسات، حيث يُمكن توجيه الأجهزة دائمًا نحو الجانب المظلم من الأرض. وقد استُخدم مدار الفجر/الغسق لأقمار علمية لرصد الشمس مثل TRACE و Hinode و PROBA-2 ، مما يتيح لها رؤية شبه متواصلة للشمس.

• 
  اعتبارًا من عام 2021، يعبر مسار مدار كوكب أكوا الصاعد خط الاستواء في تمام الساعة 13:30 بالتوقيت المحلي.
• 
  اعتبارًا من عام 2021، يعبر مسار مدار أكوا الهابط خط الاستواء في الساعة 01:30 بالتوقيت المحلي.

يتحقق المدار المتزامن مع الشمس بتدوير مستوى المدار الملامس (الدوران) بمقدار درجة واحدة تقريبًا شرقًا كل يوم بالنسبة للكرة السماوية لمواكبة حركة الأرض حول الشمس . ^{[ 5 ]} ويتحقق هذا التدوير بضبط ميل المدار وفقًا لارتفاعه (انظر التفاصيل الفنية ) بحيث يتسبب انتفاخ الأرض الاستوائي ، الذي يؤثر على المدارات المائلة، في تدوير مستوى مدار المركبة الفضائية بالمعدل المطلوب. ولا يكون مستوى المدار ثابتًا في الفضاء بالنسبة للنجوم البعيدة، بل يدور ببطء حول محور الأرض.

تدور الكواكب عادةً حول الأرض في مدارات متزامنة مع الشمس على ارتفاع يتراوح بين 600 و800 كيلومتر (370-500 ميل) ، بفترات زمنية تتراوح بين 96 و100 دقيقة ، وبميلان يبلغ حوالي 98 درجة. وهذا الميلان عكس اتجاه دوران الأرض قليلاً: حيث يمثل 0 درجة مدارًا استوائيًا، و90 درجة مدارًا قطبيًا. ^{[ 5 ]}  

من الممكن أن تدور الأقمار الصناعية حول كواكب مفلطحة أخرى ، مثل المريخ ، في مدارات متزامنة مع الشمس . أما القمر الصناعي الذي يدور حول كوكب كروي تقريبًا مثل الزهرة ، فسيحتاج إلى اضطراب إضافي للحفاظ على مداره المتزامن مع الشمس.

يُعطى التذبذب الزاوي لكل مدار لقمر صناعي يدور حول الأرض تقريبًا بالصيغة التالية: $${\displaystyle \Delta \Omega =-3\pi {\frac {J_{2}R_{\text{E}}^{2}}{p^{2}}}\cos i,}$$ أين

• J ₂ =1.082 63 × 10 ⁻³ هو معامل الحد الثاني للمنطقة المتعلق بتفلطح الأرض ؛
• R _E ≈ 6378 كم هو متوسط ​​نصف قطر الأرض؛
• يمثل p نصف قطر الوتر البؤري للمدار (بالكيلومترات)؛ و
• يمثل i ميل المدار بالنسبة لخط الاستواء.

يكون المدار متزامنًا مع الشمس عندما يساوي معدل التبادر ρ = ⁠ dΩ / d t ⁠ متوسط ​​حركة الأرض حول الشمس n _E ، وهو 360 درجة لكل سنة نجمية (1.990 968 71 × 10 ⁻⁷ rad /s  ), لذلك يجب علينا أن نضع n _E = ⁠ ΔΩ _E / T _E ⁠ = ρ = ⁠ ΔΩ / T ⁠ ، حيث T _E هي الفترة المدارية للأرض، بينما T هي فترة المركبة الفضائية حول الأرض.

بما أن الفترة المدارية للمركبة الفضائية هي $${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{\mu }}},}$$

حيث يمثل a نصف المحور الأكبر للمدار، و μ هو معامل الجاذبية القياسي للكوكب (398600.440 كم³ /ث² ^{للأرض )}  ؛ وبما أن p ≈ a لمدار دائري أو شبه دائري، فإنه يترتب على ذلك أن$$\begin{aligned}\rho &\approx -{\frac {3J_{2}R_{\text{E}}^{2}{\sqrt {\mu }}\cos i}{2a^{7/2}}}\\&=-(360^{\circ }{\text{ per year}})\times \left({\frac {a}{12\,352{\text{ km}}}}\right)^{-7/2}\cos i\\&=-(360^{\circ }{\text{ per year}})\times \left({\frac {T}{3.795{\text{ h}}}}\right)^{-7/3}\cos i,\end{aligned}}}$$

أو عندما تكون قيمة ρ تساوي 360 درجة في السنة، $${\displaystyle \cos i\approx -{\frac {2\rho }{3J_{2}R_{\text{E}}^{2}{\sqrt {\mu }}}}a^{7/2}=-\left({\frac {a}{12\,352{\text{ km}}}}\right)^{7/2}=-\left({\frac {T}{3.795{\text{ h}}}}\right)^{7/3}.}$$

على سبيل المثال، مع a  =7200  كم ، أي، بالنسبة لارتفاع a − R _E  ≈على بعد 800  كيلومتر من المركبة الفضائية فوق سطح الأرض، تعطي هذه الصيغة ميلًا متزامنًا مع الشمس يبلغ 98.7 درجة.

لاحظ أنه وفقًا لهذا التقريب، فإن cos i يساوي -1 عندما يكون نصف المحور الأكبر مساويًا لـيبلغ ارتفاع المدار 12352 كيلومترًا  ، مما يعني أن المدارات المنخفضة فقط هي التي يمكن أن تكون متزامنة مع الشمس. ويمكن أن تتراوح الفترة بين 88  دقيقة للمدارات المنخفضة جدًا ( a  =6554  كم ، i  = 96°) إلى 3.8  ساعات ( a  =يبلغ طول المدار 12352 كم  ، لكن هذا المدار سيكون استوائيًا (بزاوية ميل i  = 180 درجة). قد يكون من الممكن تحقيق فترة مدارية أطول من 3.8  ساعات باستخدام مدار بيضاوي الشكل بزاوية ميل p  <12352 كم  ولكن >​ ​12352 كم  .​

إذا كان من المقرر أن يحلق قمر صناعي فوق نقطة محددة على سطح الأرض يوميًا في نفس الساعة، فيجب أن يُكمل عددًا صحيحًا من المدارات يوميًا. بافتراض مدار دائري، يتراوح هذا العدد بين 7 و16 مدارًا يوميًا، حيث أن إكمال أقل من 7 مدارات يتطلب ارتفاعًا أعلى من الحد الأقصى للمدار المتزامن مع الشمس، بينما يتطلب إكمال أكثر من 16 مدارًا مدارًا داخل الغلاف الجوي للأرض أو سطحها. المدارات الصالحة الناتجة موضحة في الجدول. (تم حساب الجدول مبدئيًا باستخدام فترات المدارات المذكورة. مع ذلك، بالنسبة للمدار المتزامن مع الشمس، تكون الفترة التي يجب استخدامها أطول قليلًا من الفترة الاسمية (العقدية). المدار المتزامن مع الشمس الذي يعبر خط الاستواء في اتجاه واحد في${\displaystyle T_{\text{nodal}}}$تبلغ مدة الدقائق الحقيقية حوالي${\displaystyle T_{\rm {true}}\approx T_{\rm {nodal}}\left(1+2.74003\times 10^{-6}\,T_{\rm {nodal}}\right)}$لاحظ أيضًا أن القيم الدقيقة للمحور شبه الرئيسي ستختلف قليلاً عن تلك الموضحة في الجدول بسبب التغيرات قصيرة المدى في العناصر المدارية الناتجة عن تفلطح الأرض الذي يؤثر على فترة المدار بأكمله.

عندما يُقال إن مدارًا متزامنًا مع الشمس يمر فوق نقطة على الأرض في نفس التوقيت المحلي كل مرة، فإن هذا يشير إلى التوقيت الشمسي المتوسط ، وليس إلى التوقيت الشمسي الظاهري . لن تكون الشمس في نفس الموضع تمامًا في السماء خلال السنة (انظر معادلة الزمن ونظرية أناليما ).

يُعدّ نظام المدارات شبه المدارية مورداً محدوداً. وقد اقتُرح نظام "الفتحات" لتوحيد المدارات بهدف تقليل مخاطر الاقتران . ^{[ 7 ] [ 12 ]}

• ساندويل، ديفيد تي، مجال جاذبية الأرض - الجزء 1 (2002) (ص 8)
• مدخل قاموس المدار المتزامن مع الشمس ، من لجنة الاحتفال بالذكرى المئوية للطيران بالولايات المتحدة
• أسئلة وأجوبة ناسا
• بوين، رونالد ج. (فبراير 2004). "أساسيات تصميم المدار المتزامن مع الشمس" (ملف PDF) . مؤتمر ميكانيكا رحلات الفضاء. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 25 أكتوبر 2007.

• قائمة الأقمار الصناعية في مدار متزامن مع الشمس