التغير المناخي يهدد الأقمار الاصطناعية

هذا التقلص يؤدي إلى ضعف السحب الجوي، وبالتالي إلى تراكم الحطام لفترات أطول، مما يقلل "السعة الديناميكية" المدارية التي تُعتبر الحد الأقصى من الأقمار الذي يمكن المدار تحمله دون أن يدخل في دوامة من الحطام غير القابل للسيطرة.

حتى الآن، تعتمد الأدوات في إدارة الفضاء على التكنولوجيا مثل مناورات تجنب الاصطدام، وإزالة الحطام، وتحسين التتبع. لكن هذا البحث يقلب الطاولة. فتقليل انبعاثات غازات الدفيئة هو أداة فعالة – بل ضرورية – لحماية الفضاء، فمن طريق خفض هذه الانبعاثات، نحافظ على كثافة الغلاف الجوي العلوي، وبالتالي نحمي المدار من الانهيار.

تتسم الطبقات الدنيا من الغلاف الجوي حتى ارتفاع يقارب 110 كم بتجانس في التركيب الغازي، أي أن نسب الغازات الرئيسة تبقى شبه ثابتة. بعد هذا الارتفاع، تبدأ تأثيرات الانتشار الجذبي في تقليل تركيز الغازات الثقيلة مثل ثاني أكسيد الكربون كلما ارتفعنا أكثر.

من الناحية الفيزيائية، يعمل ثاني أكسيد الكربون بكفاءة عالية في امتصاص وإعادة إصدار الأشعة تحت الحمراء. ففي التروبوسفير، تؤدي زيادة تركيزات هذا الغاز إلى احتباس الحرارة وارتفاع درجة الحرارة في ما يُعرف بالتأثير الدفيئي المعروف. لكن في الطبقات العليا، مثل الستراتوسفير والميزوسفير والثرموسفير، يتسبب هذا الامتصاص في فقدان الطاقة الحرارية، مما يؤدي إلى تبريد هذه الطبقات، وهو ما يمثل انقلابا في تأثير ثاني أكسيد الكربون بحسب الارتفاع.

بالتالي، وعلى عكس ما يحدث على الأرض، يؤدي ازدياد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي العلوي إلى تبريد مستمر، وهذا التبريد يؤدي بدوره إلى انكماش الثرموسفير، أي إلى انخفاض في الكثافة الكتلية عند ارتفاعات ثابتة. والثرموسفير، بطبيعته، يتأثر بشدة بالتغيرات في النشاط الشمسي، الذي يمر بدورات كل 11 سنة تقريبا. أثناء الذروة الشمسية، تتسع الثرموسفير، وأثناء السكون الشمسي، تنكمش تلك الطبقة.

إلى جانب ذلك، هناك تأثيرات أكثر تقلبا ناتجة مما يُعرف بـ"طقس الفضاء"، مثل العواصف الجيومغناطيسية الناتجة من التوهجات الشمسية، التي يمكن أن تتسبب بتمدد مؤقت في الغلاف الجوي، مما يزيد مقاومة السحب على الأقمار الصناعية.

لكن ما يثير القلق حاليا هو أن الانكماش الناتج من الغازات الدفيئة ليس مؤقتا، بل يمثل تغييرا دائما، سيستمر على مدى قرون. وهذا له تأثيرات طويلة الأمد على الكثافة الكتلية في المدار الأرضي المنخفض، والتي تُعدّ عنصرا حاسما في ديناميكيات الأقمار الصناعية.

انخفاض كثافة الهواء

وقد أشارت دراسات استندت إلى ملاحظات تمت على مدى العقدين الماضيين إلى وجود دلائل واضحة على الانكماش والتبريد في الثرموسفير. استخدمت وكالة "ناسا" تقنيات حديثة لقياس درجات الحرارة والضغط من عام 2002 إلى 2021، وخلصت هذه القياسات إلى أن تبريد الطبقات العليا يسير بوتيرة ثابتة، بما يعزز فرضية الانكماش. وقدمت، إضافة إلى ذلك، بيانات من تجربة التحليل بالهلوجين دعما إضافيا لهذه النتائج، مؤكدة الاتجاه التنازلي في الكثافة الكتلية للغلاف الجوي في مدارات الأقمار الصناعية.

يمثل انخفاض كثافة الهواء في المدار القريب من الأرض جانبين مختلفين، فالجانب الإيجابي يتمثل في أن الغلاف الجوي سيصبح أقل كثافة، وهذا يعني أن الأقمار الصناعية ستواجه مقاومة أقل أثناء دورانها حول الأرض، مما يساعدها في البقاء في الفضاء لفترة أطول ويقلّل حاجتها لاستهلاك الوقود لتعديل مسارها أو الحفاظ عليه.

أما الجانب السلبي، فهو أن هذا التناقص في كثافة الهواء يجعل النفايات الفضائية – وهي بقايا من أقمار صناعية قديمة أو أجزاء من صواريخ – تبقى عالقة في المدار لفترات أطول، بدلا من أن تسقط وتحترق في الغلاف الجوي، كما يحدث عادة. ومع مرور الوقت، يزداد عدد هذه النفايات، مما يرفع خطر حدوث تصادمات بين الأجسام في الفضاء، ويجعل من الصعب التنبؤ بحركتها أو تجنبها.

تسببت الأعطال والانفجارات والاصطدامات التي تحدث للأقمار الصناعية في المدار، في تراكم عدد كبير من القطع غير القابلة للتحكم، وغالبا غير القابلة للتتبع. في الوقت نفسه، أدى انخفاض تكاليف الإطلاق وتطوّر تقنيات الأقمار الصناعية، إلى تسهيل دخول شركات كثيرة إلى الفضاء، خصوصا في مدار الأرض المنخفض. وحاليا، يتحكم عدد قليل من الشركات الخاصة في غالبية الأقمار الصناعية النشطة حول الأرض، ضمن مجموعات ضخمة.

ومع ازدياد عدد الأجسام التي أطلقها البشر إلى الفضاء، يزداد خطر التصادم. في عام 1978 أثبت الباحثان كيسلر وكور-بالاي أن زيادة عدد الحطام يمكن أن تؤدي إلى نمو غير مستقر، حيث تتسبب كل قطعة في تصادمات تنتج منها شظايا أكثر، وهو ما يُعرف الآن بظاهرة "متلازمة كيسلر". وأصبحت كثافة بعض مناطق المدار، خاصة تلك الموجودة على ارتفاعات 900 و1400، عالية بما يكفي لتبدأ الدخول في هذه الحالة غير المستقرة.

مع هذا التزايد في الحطام، بدأت الشركات تدرك أن بيئة المدار أصبحت أقل أمانا. لذلك، تُجهّز معظم الأقمار الجديدة بقدرة على المناورة لتفادي التصادم.

من أجل التحكم في عدد الأقمار التالفة التي تظل في المدار، فرضت هيئة الاتصالات الأمريكية قاعدة جديدة تطلب من الشركات إنزال الأقمار بعد انتهاء مهمتها بمدة لا تتجاوز خمس سنوات. وكانت القاعدة السابقة تسمح بـ25 سنة. هذا يعتمد على الاحتكاك الجوي الطبيعي لتقليل المدار، خصوصا إذا لم يكن القمر قادرا على المناورة.

كما أن هناك "قدرة تحمّل" للمدار – أي أقصى عدد من الأقمار التي يمكن أن تدور فيه دون أن يتحول إلى مكان فوضوي ومليء بالحطام. بدون تنظيم، قد نصل إلى نقطة يفقد فيها المدار صلاحيته للاستخدام.

لحساب هذه القدرة، يجب الأخذ في الاعتبار عوامل مثل عدد الإطلاقات، توزيع الترددات اللاسلكية، والقدرة على تتبع الأجسام، وشروط التشغيل، والتوازن الديناميكي. أهم عامل هنا هو الاستقرار الديناميكي، الذي يمنع تفشي الحطام.

ومع انخفاض كثافة الغلاف الجوي، فإن الحطام يبقى لفترات أطول. لذا، أي تصادم سيصبح أكثر خطورة بمرور الوقت. الحل؟ تقليل عدد الأقمار لتقليل احتمالية التصادم.

ومع هذا التزايد المستمر في النفايات، تصبح استدامة النشاط البشري في الفضاء مهددة. فإذا لم يسيطر على هذا الوضع، فقد نصل إلى حالة خطيرة تُعرَف بظاهرة "التصادم المتسلسل"، حيث ينتج كل تصادم شظايا جديدة، مما يرفع احتمال حدوث تصادمات إضافية، وقد يؤدي ذلك في نهاية المطاف إلى جعل بعض مناطق الفضاء غير صالحة للاستخدام.

إذا كانت سعة المدار الأرضي المنخفض تقاس بمقدار "الموارد الفضائية" المتاحة، فإن "الإشغال" يعبّر عن مقدار استهلاك هذه الموارد. مثل المياه أو الهواء النظيف، بات المدار الفضائي موردا عاما يجب تنظيمه وعدله بين الدول والجهات الفاعلة.

والأهم أن تأخذ عمليات التنظيم أسوأ السيناريوهات" في الحسبان، وهو أن تكون سعة المدار في أدنى حالاتها، مثل فترات انخفاض النشاط الشمسي وزيادة الانبعاثات.

السعة الآمنة

لحساب السعة المدارية الآمنة، بدأ الباحثون بمحاكاة تأثير ارتفاع نسب ثاني أكسيد الكربون على كثافة الغلاف الجوي العلوي، خاصة في طبقة الغلاف الحراري، مع أخذ تغير النشاط الشمسي في الحسبان.

كما استخدموا نماذج رياضية لحساب كثافة الغازات المختلفة على ارتفاعات تصل إلى ألف كيلومتر، واحتسبوا كيف تؤثر التغيرات المناخية على هذه الكثافة. بعد ذلك، استخدموا نموذجا يحاكي دخول وخروج الحطام الفضائي من المدار لحساب عدد الأقمار التي يمكن وضعها دون أن يؤدي ذلك إلى زيادة الحطام بشكل غير قابل للسيطرة، من خلال معادلات تحسب معدل التصادمات بين الأجسام، بناء على أحجامها وسرعتها والمساحة التي تشغلها في المدار، إضافة إلى معدل التخلص من الحطام الذي يتأثر بكثافة الغلاف الجوي ومساحة الأجسام.

وتوصل الباحثون إلى أن هناك نقطتي توازن لحجم الحطام، الأولى مستقرة، يبقى فيها الوضع تحت السيطرة، والثانية غير مستقرة، يؤدي تجاوزها إلى تفاقم سريع في عدد الشظايا.

وعندما تقترب النقطتان، الواحدة من الأخرى، يصبح المدار هشا وعرضة للانهيار الكامل. وبالتالي، فإن السعة الآمنة هي العدد الأقصى من الأقمار الذي يحافظ على مسافة آمنة بين هاتين النقطتين، ويمنع تحول المدار إلى ساحة فوضى فضائية.

لزيادة عدد الأقمار الممكن وضعها في المدار الأرضي المنخفض، يجب توزيعها بطريقة مدروسة حسب الارتفاع. في المدارات المنخفضة بين مئتي كيلومتر وأربعمئة، تكون كثافة الغلاف الجوي مرتفعة، مما يؤدي إلى إزالة الحطام بسرعة، وبالتالي يمكن تحمل عدد أكبر من الأقمار.

أما في الارتفاعات الأعلى، بين ستمئة وألف كيلومتر، فإن الحطام يبقى لفترات طويلة، وأي تصادم قد يخلف آثارا لعشرات السنين، لذلك يجب تقليل عدد الأقمار هناك لتقليل الأخطار.

ولتحديد التوزيع الأمثل، يتم استخدام نسب موزعة على المدارات المختلفة وتحليلها عبر طرق حسابية دقيقة حتى يتم الوصول إلى أفضل توزيع يحقق أعلى سعة ممكنة دون التسبب بانهيار النظام.

وفقا للنماذج الحالية، قد تنخفض سعة المدار المنخفض بنسبة 50-66% في حلول عام 2100 إذا استمرت معدلات الانبعاثات الحالية، خاصة بين ارتفاعات 200-1000 كم.

ولضمان استدامة ذلك المدار، يجب اتخاذ إجراءات عاجلة تشمل وضع سياسات وتشريعات فضاء صارمة تحدد الحد الأقصى لعدد الأقمار في كل مدار بناء على السعة الديناميكية، وإلزام المشغلين إزالة الأقمار المعطلة، وفرض غرامات على التلوث المداري.

وينصح العلماء بتحسين إدارة الحطام الفضائي من خلال تعزيز تكنولوجيا الإزالة النشطة وتحسين التنسيق بين المشغلين، بالإضافة إلى خفض الانبعاثات الأرضية التي تؤثر مباشرة على كثافة الغلاف الجوي، مع ضخ استثمارات كبيرة في البحث والتطوير لتصميم أقمار أكثر كفاءة وأنظمة دفع مبتكرة، وتعزيز التعاون الدولي عبر إنشاء منظمة فضائية دولية وزيادة الوعي العالمي بأخطار التلوث المداري.

فالمدار الأرضي المنخفض ليس مجرد مكان فارغ بل مورد مشترك محدود، وإذا استمررنا في تجاهل تأثيره الهش، فقد نفقد القدرة على استخدامه بشكل آمن في المستقبل القريب، مما يهدد خدمات الاتصالات والملاحة والعلوم التي نعتمد عليها جميعا.

وبحسب العلماء، فالخيار بين أيدينا: إما التحرك الجماعي والعاجل لضمان استدامة الفضاء، أو المخاطرة بتحويل المدار الأرضي المنخفض إلى ساحة مليئة بالحطام تعيق التقدم البشري في الفضاء لعقود مقبلة.