سيساعد الكسوف الكلي للشمس الذي سيحدث في وقت لاحق من هذا الشهر في الولايات المتحدة الباحثين على تحسين قدرات النمذجة لنظام الطاقة للأرض.
كان ذلك في منتصف بعد الظهر، لكن ظلام دامس في بولدر، كولورادو، في 3 أغسطس 1998. ظهرت سحابة كثيفة فوق رؤوسنا وأظلمت الأرض بالأسفل لأكثر من ثلاثين دقيقة. وأظهرت أجهزة قياس الإشعاع التي تمت معايرتها جيدًا أن مستويات منخفضة جدًا من الضوء وصلت إلى الأرض، منخفضة جدًا لدرجة أن الباحثين قرروا محاكاة هذا الحدث المثير للاهتمام باستخدام نماذج الكمبيوتر. الآن في عام 2017، مستوحاة من حدث بولدر، سيقوم علماء ناسا بدراسة خسوف القمر لمعرفة المزيد عن نظام الطاقة في الأرض.
في 21 أغسطس 2017، يتطلع العلماء إلى مرور كسوف الشمس الكلي لهذا العام فوق الأمريكتين لتحسين قدرات نمذجة طاقة الأرض. ويرأس غويونغ وين، عالم ناسا الذي يعمل في جامعة ولاية مورغان في بالتيمور، فريقاً سيقوم بجمع البيانات من الأرض والأقمار الصناعية قبل وأثناء وبعد الكسوف حتى يتمكنوا من محاكاة كسوف هذا العام باستخدام نموذج حاسوبي متقدم يسمى XNUMXD. نموذج التحول الإشعاعي. إذا نجحوا، سيساعد فون وفريقه في تطوير حسابات جديدة من شأنها تحسين تقديراتنا لكمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض، وفهمنا لأحد اللاعبين الرئيسيين في تنظيم نظام طاقة الأرض، وهو السحب.
نظام الطاقة للأرض هو رقصة مستمرة للحفاظ على التوازن بين الإشعاع الوارد من الشمس والإشعاع الصادر من الأرض إلى الفضاء، وهو ما يسميه العلماء ميزانية طاقة الأرض. تلعب السحب، سواء كانت سميكة أو رقيقة، دورًا مهمًا في التأثير على توازن الطاقة.
مثل سحابة عملاقة، سيلقي القمر خلال كسوف الشمس الكلي لعام 2017 بظلاله الكبيرة على مساحة كبيرة من الولايات المتحدة. يعرف فون وفريقه بالفعل أبعاد القمر وخصائص حجب الضوء، لكنهم سيستخدمون أدوات على الأرض وفي الفضاء لدراسة كيفية تأثير هذا الظل الكبير على كمية الضوء التي تصل إلى سطح الأرض، خاصة حول حواف الظل.
وقال وون: "هذه هي المرة الأولى التي يمكننا فيها استخدام قياسات من الأرض ومن الفضاء لمحاكاة حركة ظل القمر فوق الأرض في الولايات المتحدة وحساب الطاقة التي تصل إلى الأرض". أجرى العلماء قياسات جوية واسعة النطاق خلال كسوف الشمس السابق، ولكن هذه هي الفرصة الأولى لجمع بيانات منسقة من الأرض ومركبة فضائية تشاهد الأرض بأكملها في ضوء الشمس أثناء الكسوف، وذلك بفضل مرصد مناخ الفضاء السحيق التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي ( DSCOVR) تم إطلاقه في فبراير 2015.
على الرغم من أن حجب القمر للشمس أثناء كسوف الشمس والسحب التي تحجب ضوء الشمس من الوصول إلى وجه الأرض هما ظاهرتان مختلفتان، إلا أن كلاهما يتطلب حسابات رياضية مماثلة لفهم تأثيراتهما بدقة. ويتوقع فون أن هذه التجربة ستساعد في تحسين الحسابات في النماذج الحالية ومعرفتنا بالسحب، وخاصة السحب المنخفضة السميكة التي يمكن أن تغطي حوالي 30% من الأرض في أي وقت.
وفي هذه التجربة، قام ون وفريقه بمحاكاة كسوف الشمس الكلي في نموذج التدفق الإشعاعي ثلاثي الأبعاد، مما يساعد العلماء على فهم كيفية انتشار الطاقة عبر الأرض. تميل النماذج اليوم إلى إظهار السحب في بعد واحد. وفي كثير من الحالات، يمكن لهذه الحسابات أحادية البعد أن تخلق نماذج علمية مفيدة لفهم الغلاف الجوي. ولكن في بعض الأحيان تكون هناك حاجة إلى نموذج ثلاثي الأبعاد للحصول على نتائج أكثر دقة. والفرق الكبير هو أن السحب ثلاثية الأبعاد تعكس أو تبعثر الطاقة الشمسية في اتجاهات عديدة، من أعلى وأسفل، وكذلك من جوانب السحب. ونتيجة لهذا السلوك ثلاثي الأبعاد، فإن كميات الطاقة التي تصل إلى الأرض تختلف عما يمكن أن يتنبأ به النموذج أحادي البعد.
وقال جاي هيرمان، العالم في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت: "نحن نختبر القدرة على إجراء نوع معين من الحسابات المعقدة، ونختبر تقنية رياضية ثلاثية الأبعاد، لمعرفة ما إذا كانت تمثل تحسنًا مقارنة بالتقنية السابقة". بولاية ماريلاند، وباحث مشارك في المشروع. "إذا نجح هذا، فسيكون لدينا أداة أفضل لتطبيقها في النماذج المناخية ويمكننا استخدامها للإجابة على الأسئلة المتعلقة بميزانية طاقة الأرض والمناخ."
بالنسبة لكسوف الشمس القادم، سيكون فون وفريقه في كاسبر، وايومنغ، وكولومبيا، ميسوري لجمع معلومات حول كمية الطاقة التي يتم نقلها من وإلى الأرض قبل وأثناء وبعد الكسوف مباشرة باستخدام العديد من الأدوات الأرضية.
وسيقدم جهاز مطياف باندورا الذي طورته وكالة ناسا ووضعه على الأرض معلومات عن درجة وجود كل طول موجي معين للضوء، وسيقوم مقياس الإشعاع الشمسي بقياس إجمالي الطاقة الشمسية من جميع الاتجاهات التي تنزل على سطح الأرض. مباشرة قبل وبعد الكسوف، سيقوم العلماء بقياس معلومات أخرى مثل كمية الغازات النزرة الممتصة في الغلاف الجوي، مثل الأوزون وثاني أكسيد النيتروجين وجزيئات الهباء الجوي الصغيرة، والتي سيتم استخدامها أيضًا في النموذج ثلاثي الأبعاد.
في نفس الوقت في الفضاء، ستراقب كاميرا تصوير الأرض الملونة (EPIC) التابعة لناسا على متن المركبة الفضائية DSCOVR الضوء الذي يغادر الأرض وتسمح للعلماء بتقدير مقدار الضوء الذي وصل إلى سطح الأرض. وبالإضافة إلى ذلك، فإن جهازي MODIS الساتليين التابعين لناسا، الموجودين على متن ساتلي Terra وAqua، اللذين تم إطلاقهما في عامي 1999 و2002 على التوالي، سيوفران رصدات للظروف في الغلاف الجوي وعلى سطح الأرض في الأوقات التي سبقت كسوف الشمس وبعده. سيقوم العلماء بعد ذلك بدمج القياسات الأرضية مع القياسات التي لاحظتها المركبة الفضائية.
تكمل هذه التجربة التزام وكالة ناسا الذي دام عقدًا من الزمن بمراقبة وفهم المساهمات في ميزانية طاقة الأرض. لأكثر من 30 عامًا، قامت وكالة ناسا بقياس وحساب كمية الطاقة التي تصل إلى الجزء العلوي من غلافنا الجوي، وكمية الطاقة الشمسية التي تنعكس مرة أخرى إلى الفضاء، ومقدار الطاقة الحرارية التي ينبعثها كوكبنا إلى الفضاء. أصبحت هذه القياسات ممكنة بفضل الأدوات والمهام مثل أكريمسات و الانقلاب (سنة الإصدار: 1991) ومصدر (سنة الإطلاق: 2003) وكذلك سلسلة الأجهزة CERES الموجودة في Terra وAqua وSuomi-NPP (سنة الإطلاق: 2011).
للمزيد حول هذا الموضوع على موقع العلوم:
