قمر صناعي للأرصاد الجوية

بدأت فكرة استخدام الكاميرات المدارية لرصد الأحوال الجوية بالظهور منذ عام 1946، وذلك بسبب محدودية تغطية بيانات الرصد وارتفاع تكلفة استخدام كاميرات السحب على الصواريخ. وبحلول عام 1958، تم إنشاء النماذج الأولية لقمري TIROS وVanguard (الذي طوره سلاح الإشارة بالجيش الأمريكي ). ^{[ 3 ]} أُطلق أول قمر صناعي للأرصاد الجوية، Vanguard 2  ، في 17 فبراير 1959. ^{[ 4 ]} صُمم لقياس الغطاء السحابي ومقاومته، إلا أن محور دورانه غير الدقيق ومداره الإهليلجي حالا دون جمعه كمية كبيرة من البيانات المفيدة. كما احتوى القمران الصناعيان Explorer 6 و Explorer 7 على تجارب متعلقة بالأحوال الجوية. ^{[ 3 ]}

كان أول قمر صناعي للأرصاد الجوية يُعتبر ناجحًا هو TIROS-1 ، الذي أطلقته ناسا في  1 أبريل 1960. ^{[ 5 ]} عمل TIROS لمدة 78  يومًا وأثبت أنه أكثر نجاحًا بكثير من Vanguard  2. وتشمل برامج الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية المبكرة الأخرى برنامج تطبيقات الأقمار الصناعية الدفاعية لعام 1962 (DSAP) ^{[ 6 ]} وسلسلة Meteor السوفيتية لعام 1964 .

مهّد برنامج TIROS الطريق لبرنامج Nimbus ، الذي تُشكّل تقنيته ونتائجه إرثًا لمعظم أقمار مراقبة الأرض التي أطلقتها وكالة ناسا والإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) منذ ذلك الحين. ابتداءً من القمر الصناعي Nimbus 3 في عام 1969، بدأت الأقمار الصناعية في جمع معلومات درجة الحرارة عبر عمود التروبوسفير من شرق المحيط الأطلسي ومعظم المحيط الهادئ، مما أدى إلى تحسينات كبيرة في التنبؤات الجوية . ^{[ 7 ]}

بدأت الأقمار الصناعية القطبية المدارية التابعة لـ ESSA و NOAA في اتباع هذا النهج منذ أواخر الستينيات. ثم تلتها الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض، بدءًا بسلسلة ATS و SMS في أواخر  الستينيات وأوائل  السبعينيات، ثم سلسلة GOES من السبعينيات فصاعدًا. وبدأت الأقمار الصناعية القطبية المدارية، مثل QuikScat و TRMM ، في نقل معلومات الرياح قرب سطح المحيط بدءًا من أواخر  السبعينيات، باستخدام صور الموجات الدقيقة التي تشبه شاشات الرادار، مما حسّن بشكل كبير تشخيص قوة الأعاصير المدارية وتطورها وموقعها خلال العقدين الأولين من الألفية الثانية.

في أوروبا، أُطلق أول قمر صناعي للأرصاد الجوية ثابت بالنسبة للأرض من سلسلة ميتيوسات ، وهو ميتيوسات-1، عام 1977 على متن صاروخ دلتا. كان القمر بتصميم أسطواني مُثبَّت بالدوران ، قطره 2.1 متر وارتفاعه 3.2 متر، يدور بسرعة 100 دورة في الدقيقة تقريبًا، ويحمل جهاز التصوير المرئي والأشعة تحت الحمراء (MVIRI). أُطلقت أقمار ميتيوسات من الجيل الأول تباعًا على متن صواريخ أريان-4 الأوروبية من كورو في غيانا الفرنسية، وصولًا إلى ميتيوسات-7 الذي جمع البيانات من عام 1997 حتى عام 2017، وشغّلته في البداية وكالة الفضاء الأوروبية ، ثم المنظمة الأوروبية لاستغلال الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية (EUMETSAT).  

أطلقت اليابان تسعة أقمار صناعية من طراز هيماواري ابتداءً من عام 1977.

أطلقت الصين منذ عام 1988 واحد وعشرين قمراً صناعياً من طراز فينغيون .

طُوّرت أقمار ميتيوسات من الجيل الثاني (MSG) - وهي أقمار مُثبّتة بالدوران أيضاً، وإن كانت أكبر حجماً وضعف كتلة الجيل الأول - من قِبل وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) بالتعاون مع الصناعة الأوروبية ومنظمة يومتسات (EUMETSAT) التي تُشغّل هذه الأقمار من مقرها الرئيسي في دارمشتات، ألمانيا، وقد اتُبع النهج نفسه مع جميع الأقمار الصناعية الأوروبية للأرصاد الجوية اللاحقة. أُطلق القمر الصناعي ميتيوسات-8 ، وهو أول قمر من الجيل الثاني، عام 2002 على متن صاروخ أريان-5 ، حاملاً جهاز التصوير المرئي والأشعة تحت الحمراء المُحسّن بالدوران (SEVIRI) وجهاز قياس ميزانية إشعاع الأرض الثابت بالنسبة للأرض (GERB)، بالإضافة إلى حمولات لدعم مهمتي البحث والإنقاذ (SAR) التابعتين لبرنامجي COSPAS-SARSAT ومنصة جمع البيانات (DCP) التابعة لبرنامج ARGOS . وفّر جهاز SEVIRI عدداً أكبر من القنوات الطيفية مقارنةً بجهاز MVIRI، وصوّر قرص الأرض بالكامل بمعدل مضاعف. تم إطلاق القمر الصناعي Meteosat-9 ليكمل القمر الصناعي Meteosat-8 في عام 2005، مع الزوج الثاني المكون من Meteosat-10 وMeteosat-11 اللذين تم إطلاقهما في عامي 2012 و2015 على التوالي.

في عام 2006، أُطلق أول قمر صناعي أوروبي تشغيلي للأرصاد الجوية في مدار أرضي منخفض، وهو القمر Metop -A، إلى مدار متزامن مع الشمس على ارتفاع 817 كيلومترًا بواسطة صاروخ سويوز من بايكونور، كازاخستان. وقد بُني هذا القمر التشغيلي - الذي يُشكّل الجزء الفضائي من النظام القطبي التابع للمنظمة الأوروبية لاستغلال الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية ( EUMETSAT ) - على أساس إرث مهمتي ERS و Envisat التجريبيتين التابعتين لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA). وتلاه كل ست سنوات القمران Metop-B وMetop-C، حيث أُطلق الأخير من غيانا الفرنسية على متن صاروخ سويوز مُعدّل وفقًا للمعايير الأوروبية . يحمل كل قمر ثلاثة عشر جهازًا مختلفًا، سلبية ونشطة، تتراوح تصاميمها بين أجهزة التصوير وأجهزة قياس الأعماق، وصولًا إلى مقياس التشتت وجهاز قياس الاحتجاب الراديوي. وتعتمد وحدة خدمة القمر الصناعي على منصة SPOT-5 ، بينما تتألف حمولة القمر من مزيج من الأجهزة الجديدة والقديمة من أوروبا والولايات المتحدة بموجب اتفاقية النظام القطبي المشترك الأولي بين المنظمة الأوروبية لاستغلال الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية (EUMETSAT) والإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA).

أُطلق القمر الصناعي DSCOVR، التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)، في عام 2015، ليصبح أول قمر صناعي للفضاء السحيق قادر على رصد وتوقع أحوال الطقس الفضائي. يستطيع هذا القمر رصد الظواهر الجوية الخطيرة المحتملة، مثل الرياح الشمسية والعواصف المغناطيسية الأرضية . وقد مكّن هذا البشرية من وضع تنبؤات دقيقة واستباقية لأحوال الطقس الفضائي منذ أواخر العقد الأول من الألفية الثانية. ^{[ 8 ]}

أطلق برنامج ميتيوسات من الجيل الثالث (MTG) قمره الصناعي الأول، ميتيوسات-12، في عام 2022، وشهد البرنامج العديد من التحسينات مقارنةً بالأجيال السابقة، وذلك لدعم مهمته في جمع البيانات اللازمة للتنبؤات الجوية ورصد المناخ. تتميز أقمار MTG بتثبيت ثلاثي المحاور بدلاً من التثبيت الدوراني، مما يمنح مرونة أكبر في تصميم الأقمار والأجهزة. يضم نظام MTG نماذج منفصلة من أقمار التصوير وأقمار قياس الأعماق، تشترك جميعها في نفس هيكل القمر الصناعي، ويتكون التكوين التشغيلي الأساسي من ثلاثة أقمار صناعية: قمران للتصوير وقمر واحد لقياس الأعماق. تحمل أقمار التصوير جهاز التصوير المرن المدمج (FCI)، الذي يُعدّ خليفةً لجهازي MVIRI وSEVIRI، ليمنح دقةً وتغطيةً طيفيةً أكبر، حيث يقوم بمسح قرص الأرض بالكامل كل عشر دقائق، بالإضافة إلى حمولة جديدة لجهاز تصوير البرق (LI). أما أقمار قياس الأعماق، فتحمل جهاز قياس الأشعة تحت الحمراء (IRS) وجهاز قياس الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء (UVN). يُعدّ مشروع UVN جزءًا من برنامج كوبرنيكوس التابع للمفوضية الأوروبية ، ويُنفّذ مهمة Sentinel-4 لرصد جودة الهواء والغازات النزرة والهباء الجوي فوق أوروبا كل ساعة بدقة مكانية عالية. سيعمل قمران صناعيان من طراز MTG - أحدهما للتصوير والآخر للقياس الصوتي - على مقربة من موقعهما الجغرافي الثابت عند خط عرض 0 درجة فوق غرب إفريقيا لرصد شرق المحيط الأطلسي وأوروبا وإفريقيا والشرق الأوسط، بينما سيعمل قمر صناعي ثانٍ للتصوير من خط عرض 9.5 درجة شرقًا لتنفيذ مهمة المسح السريع فوق أوروبا. ويواصل مشروع MTG دعم Meteosat لمهمتي ARGOS والبحث والإنقاذ. أُطلق القمر الصناعي MTG-I1 في إحدى عمليات إطلاق Ariane-5 الأخيرة، ومن المُخطط إطلاق الأقمار الصناعية اللاحقة في Ariane-6 عند دخوله الخدمة.

يجري تطوير جيل ثانٍ من أقمار Metop الصناعية ( MetOp-SG ) بشكل متقدم مع توقع إطلاق أول قمر صناعي في عام 2025. وكما هو الحال مع MTG، سيتم إطلاق Metop-SG على متن صاروخ Ariane-6 وسيتألف من نموذجين من الأقمار الصناعية ليتم تشغيلهما في أزواج بدلاً من أقمار الجيل الأول الفردية لمواصلة مهمة EPS.

يسهل تفسير صور الضوء المرئي الملتقطة بواسطة الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية خلال ساعات النهار المحلية حتى بالنسبة للشخص العادي، حيث تظهر بوضوح السحب، وأنظمة السحب مثل الجبهات والعواصف الاستوائية، والبحيرات، والغابات، والجبال، والجليد الثلجي، والحرائق، والتلوث مثل الدخان والضباب الدخاني والغبار. حتى أنه يمكن تحديد اتجاه الرياح من خلال أنماط السحب ومحاذاتها وحركتها من الصور المتتابعة. ^{[ 11 ]}

تُمكّن الصور الحرارية أو صور الأشعة تحت الحمراء، التي تسجلها أجهزة استشعار تُسمى أجهزة قياس الإشعاع الماسحة ، المحللين المدربين من تحديد ارتفاعات السحب وأنواعها، وحساب درجات حرارة اليابسة والمياه السطحية، وتحديد معالم سطح المحيط. ويمكن استخدام صور الأقمار الصناعية بالأشعة تحت الحمراء بفعالية في رصد الأعاصير المدارية ذات نمط العين المرئي ، وذلك باستخدام تقنية دفوراك ، حيث يُستخدم الفرق بين درجة حرارة العين الدافئة وقمم السحب الباردة المحيطة بها لتحديد شدتها (تشير قمم السحب الباردة عمومًا إلى عاصفة أشد). ^{[ 12 ]} تُظهر صور الأشعة تحت الحمراء الدوامات أو الدوامات المحيطية، وترسم خرائط التيارات مثل تيار الخليج، وهي ذات قيمة كبيرة لقطاع الشحن. ويهتم الصيادون والمزارعون بمعرفة درجات حرارة اليابسة والمياه لحماية محاصيلهم من الصقيع أو لزيادة صيدهم من البحر. بل ويمكن رصد ظاهرة النينيو أيضًا. وباستخدام تقنيات التحويل الرقمي الملون، يمكن تحويل الصور الحرارية ذات التظليل الرمادي إلى صور ملونة لتسهيل تحديد المعلومات المطلوبة.

تدور أقمار الأرصاد الجوية الثابتة بالنسبة للأرض فوق خط الاستواء على ارتفاع 35,880  كيلومترًا (22,300 ميل). وبفضل هذا المدار ، تبقى هذه الأقمار ثابتة بالنسبة للأرض الدوارة، ما يُمكّنها من تسجيل أو بث صور لنصف الكرة الأرضية بأكمله بشكل مستمر باستخدام مستشعراتها للضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. تستخدم وسائل الإعلام صور الأقمار الثابتة في تقاريرها اليومية عن حالة الطقس، إما كصور منفردة أو ضمن مقاطع فيديو متكررة. كما تتوفر هذه الصور على صفحات توقعات الطقس الخاصة بالمدن على موقع www.noaa.gov (مثال: دالاس، تكساس). ^{[ 13 ]}

توجد عدة مركبات فضائية للأرصاد الجوية ثابتة بالنسبة للأرض قيد التشغيل. تضم سلسلة GOES الأمريكية ثلاث مركبات عاملة: GOES-15 و GOES-16 و GOES-17 . تبقى المركبتان GOES-16 وGOES-17 ثابتتين فوق المحيطين الأطلسي والهادئ على التوالي. ^{[ 14 ]} تم إيقاف تشغيل المركبة GOES-15 في أوائل يوليو 2019. ^{[ 15 ]}

تم نقل القمر الصناعي GOES 13، الذي كان مملوكًا سابقًا للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)، إلى قوة الفضاء الأمريكية في عام 2019 وأعيد تسميته إلى EWS-G1؛ ليصبح أول قمر صناعي للأرصاد الجوية ثابت بالنسبة للأرض تملكه وتشغله وزارة الدفاع الأمريكية. ^{[ 16 ]}

يعمل القمر الصناعي الروسي الجديد للأرصاد الجوية، إليكترو-إل رقم 1، عند خط طول 76 درجة شرقاً فوق المحيط الهندي. أما اليابانيون، فيمتلكون القمر الصناعي إم تي سات -2 فوق وسط المحيط الهادئ عند خط طول 145 درجة شرقاً، والقمر الصناعي هيماواري 8 عند خط طول 140 درجة شرقاً. ولدى الأوروبيين أربعة أقمار صناعية عاملة، هي ميتيوسات-8 (41.5 درجة شرقاً) وميتيوسات-9 (0 درجة) فوق المحيط الأطلسي، وميتيوسات-6 (63 درجة شرقاً) وميتيوسات-7 (57.5 درجة شرقاً) فوق المحيط الهندي. وتشغل الصين حالياً أربعة أقمار صناعية ثابتة بالنسبة للأرض من طراز فينغيون (FY-2E عند خط طول 86.5 درجة شرقاً، وFY-2F عند خط طول 123.5 درجة شرقاً، وFY-2G عند خط طول 105 درجات شرقاً، وFY-4A عند خط طول 104.5 درجة شرقاً). ^{[ 17 ]} كما تشغل الهند أقمارًا صناعية ثابتة بالنسبة للأرض تسمى INSAT والتي تحمل أجهزة لأغراض الأرصاد الجوية.

تدور أقمار الأرصاد الجوية القطبية حول الأرض على ارتفاع نموذجي يبلغ 850  كيلومترًا (530 ميلًا) في مسار من الشمال إلى الجنوب (أو العكس)، عابرةً القطبين في رحلتها المستمرة. وتدور هذه الأقمار في مدارات متزامنة مع الشمس ، مما يُمكّنها من رصد أي مكان على سطح الأرض، حيث تُشاهد كل موقع مرتين يوميًا في ظل ظروف إضاءة عامة متماثلة تقريبًا، وذلك بفضل ثبات التوقيت الشمسي المحلي تقريبًا . وتوفر الأجهزة الموجودة على متن هذه الأقمار دقةً أعلى بكثير من نظيراتها الثابتة بالنسبة للأرض، نظرًا لقربها من سطح الأرض.

تمتلك الولايات المتحدة عدة سلاسل من الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية تدور في مدارات قطبية، وهي حاليًا NOAA-20 و NOAA-21 ( JPSS ) التي تشغلها الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) ^{[ 18 ]} ، و DMSP التي تشغلها القوات الفضائية الأمريكية ^{[ 19 ]} . أما أوروبا، فتمتلك قمري Metop -B وMetop-C اللذين تشغلهما المنظمة الأوروبية لاستغلال الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية (EUMETSAT) ^{[ 20 ]} . وتمتلك روسيا سلسلتي Meteor و Resurs-P من الأقمار الصناعية. بينما تمتلك الصين أقمار FY -3A و3B و3C.

تم تصنيف خدمة الاتصالات اللاسلكية هذه وفقًا للوائح الراديو الصادرة عن الاتحاد الدولي للاتصالات (المادة 1) على النحو التالي: خدمة ثابتة (المادة 1.20).

• خدمة الأقمار الصناعية الثابتة (المادة 1.21)
• خدمة ما بين الأقمار الصناعية (المادة 1.22)
• خدمة استكشاف الأرض عبر الأقمار الصناعية (المادة 1.51)
  • خدمة الأرصاد الجوية عبر الأقمار الصناعية

يتم تخصيص الترددات الراديوية وفقًا للمادة 5 من لوائح الاتحاد الدولي للاتصالات الراديوية (إصدار 2012). ^{[ 23 ]}

بهدف تحسين التنسيق في استخدام الطيف الترددي، تم إدراج غالبية تخصيصات الخدمات المنصوص عليها في هذه الوثيقة في جداول وطنية لتخصيصات واستخدامات الترددات، والتي تقع ضمن مسؤولية الإدارة الوطنية المختصة. وقد يكون التخصيص أساسيًا أو ثانويًا أو حصريًا أو مشتركًا.

• التخصيص الأساسي: يُشار إليه بالكتابة بأحرف كبيرة (انظر المثال أدناه)
• التخصيص الثانوي: يُشار إليه بأحرف صغيرة
• الاستخدام الحصري أو المشترك: يقع ضمن مسؤولية الإدارات

مثال على تخصيص التردد