رصد الفضاء الجغرافي الكندي

برنامج الرصد الجيولوجي الفضائي الكندي (CGSM) هو برنامج كندي لعلوم الفضاء، انطلق عام ٢٠٠٥. يُموّل البرنامج بشكل أساسي من قِبل وكالة الفضاء الكندية ، ويتألف من شبكات من أجهزة التصوير، ومقاييس الضوء الماسحة على طول خط الزوال ، ومقاييس الانعكاس ، ومقاييس المغناطيسية ، ومجسات الأيونوسفير الرقمية ، ورادارات SuperDARN عالية التردد . يهدف البرنامج بشكل أساسي إلى توفير رصد شامل للتطور المكاني والزماني للديناميكا الحرارية والكهربائية للغلاف الأيوني عند خطوط العرض الشفقية والقطبية فوق منطقة واسعة من كندا .

يترتب على تفاعل الرياح الشمسية مع المجال المغناطيسي للأرض عدد من النتائج. باختصار، تشمل هذه النتائج تكوين الغلاف المغناطيسي الأرضي ، وتزويده بالطاقة والمادة، وتوليد تيارات كهربائية واسعة النطاق، وظاهرة الشفق القطبي المرتبطة به ارتباطًا وثيقًا. تكتسب العمليات الفيزيائية في الفضاء القريب من الأرض أهمية بالغة لأسباب اقتصادية ، ولما يمكن أن نتعلمه عن بيئتنا والكون. ترتبط هذه العمليات، عبر المجال المغناطيسي، بغلاف الأرض الأيوني ، حيث تؤدي إلى الشفق القطبي، والتسخين، وتغيير التركيب، وحركات البلازما واسعة النطاق . كل هذه العمليات الأيونية مثيرة للاهتمام في حد ذاتها. إضافةً إلى ذلك، يتزايد فهمنا للعلاقة بين العمليات الأيونية والعمليات التي تحدث في الفضاء القريب من الأرض. وبهذه الطريقة، يمكن استخدام رصد العمليات الأيونية لاستشعار ديناميكيات الفضاء القريب من الأرض عن بُعد.

يُعدّ هذا التفاعل بالغ الأهمية في خطوط العرض شبه الشفقية والشفقية والقطبية، حيث تُقسّم مناطق واسعة من الغلاف المغناطيسي على طول المجال المغناطيسي إلى مناطق صغيرة نسبيًا من الغلاف الأيوني، وحيث تُسيطر البلازما بشكل أساسي على ديناميكيات الغلاف المغناطيسي بدلًا من المجال المغناطيسي. ويُعزى هذا التنظيم في الواقع إلى خط العرض المغناطيسي وليس الجغرافي (انظر بيكر ووينغ، ^{[ 1 ]} والمراجع الواردة فيه لوصف الفرق بين الإحداثيات المغناطيسية والجغرافية). فعلى سبيل المثال، يُرصد الشفق القطبي في أغلب الأحيان عند خطوط العرض المغناطيسية التي تتراوح بين 60 و80 درجة تقريبًا (انظر إيثر ^{[ 2 ]} ). وفي نصف الكرة الشمالي، تمتلك كندا أكبر مساحة أرضية عند خطوط العرض المغناطيسية. ونتيجةً لهذه الميزة الكندية، تُعتبر كندا رائدة عالميًا في أبحاث الشفق القطبي والغلاف الأيوني الأرضية منذ عقود.

صُمم برنامج CGSM كبرنامج وطني يهدف إلى الحصول على رصدات عالمية المستوى للغلاف الأيوني ، ومن ثم دراسة ديناميكيات الغلاف الأيوني بشكل مباشر، وديناميكيات الغلاف المغناطيسي بشكل غير مباشر . وقد طُوّر البرنامج وفقًا لمبادئ توجيهية مُجسّدة في خمسة محاور علمية رئيسية. باختصار، ترتبط هذه المحاور العلمية بدورة إعادة الاتصال والحمل الحراري، وعدم استقرار الغلاف المغناطيسي، وتكوّن الشفق القطبي ، وتسارع بلازما الغلاف المغناطيسي ونقلها وفقدانها .

تُحدد الأهداف العلمية لمشروع CGSM متطلبات الرصد. باختصار، صُمم البرنامج لتحديد تساقط الجسيمات (الشفق القطبي)، والتيارات الكهربائية، وحمل البلازما في طبقة الأيونوسفير فوق منطقة واسعة من كندا. يتطلب ذلك شبكات من أجهزة قياس المغناطيسية الأرضية ، وأجهزة قياس الأيونوسفير، ورادارات عالية التردد، وأجهزة تصوير شاملة للسماء، وأجهزة قياس الضوء الماسحة لخط الزوال ، وأجهزة قياس الانحراف المغناطيسي. علاوة على ذلك، يجب أن تتمتع هذه الشبكات بمجالات رؤية متداخلة تغطي خطوط العرض من المنطقة القطبية، مرورًا بمنطقة الشفق القطبي ، وصولًا إلى خطوط العرض شبه الشفقية. يجب أن تكون عمليات الرصد ذات دقة زمنية ومكانية كافية، وبجودة كافية (تختلف معايير الجودة باختلاف الجهاز المستخدم) بما يسمح باستخلاص نتائج علمية جديدة من هذه الرصدات.

اجتمع أصحاب المصلحة المتوقعون في مشروع CGSM في إدمونتون في يونيو 2002 لبدء التخطيط للبرنامج. وتمّ وضع خطة طموحة تتطلب نشر العديد من الأجهزة الجديدة من أنواع مختلفة في بيئات نائية صعبة. وكان من الضروري أن تعمل هذه الأجهزة بشكل مستقل لفترات طويلة، وأن تتعرض لأعطال قليلة. كما كان لا بد من استعادة جزء كبير من البيانات في الوقت الفعلي لكي يتطور مشروع CGSM ليصبح برنامجًا هامًا في مجال رصد الطقس الفضائي ، بالإضافة إلى أهدافه في علوم الفضاء. وكان لا بد من اقتناء أجهزة جديدة وتجهيزها ونشرها في مواقع قائمة وجديدة. ولتحقيق ذلك، استقر الفريق على استخدام نظام الإنترنت الفضائي عالي السرعة HSi التابع لشركة Telesat Canada ، بالتزامن مع بنية تحتية لتكنولوجيا المعلومات (وهي في الأساس شبكة محلية متطورة مزودة بإمكانيات إضافية تشمل وحدة تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS ) ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS ) ووحدة تخزين متصلة على قرص صلب). علاوة على ذلك، تقدم أعضاء الفريق بطلب إلى مؤسسة الابتكار الكندية للحصول على تمويل للأجهزة الجديدة، وقد نجحوا في جميع الجوانب. أتاح التمويل الناتج نشر (ولا يزال مستمراً) ثمانية أجهزة تصوير شاملة للسماء، و14 مقياس مغناطيسي من نوع "فلكسجيت "، وثمانية مقاييس مغناطيسية من نوع "ملف الحث "، ورادارين إضافيين من نوع " سوبر دارن " (رادارات "بولار دارن" الجديدة). وبالإضافة إلى المرافق التي كانت موجودة بالفعل في عام 2002 (من برنامج "كانوبوس " التابع لوكالة الفضاء الكندية ^{[ 3 ]} ، ومصفوفة مقاييس المغناطيسية "كانموس " التابعة لوزارة الموارد الطبيعية الكندية ، وبرامج "نورستار" و "سوبر دارن" و"كادي " المدعومة من مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسية في كندا )، فإن المصفوفة النهائية ستلبي بالتأكيد المتطلبات العلمية.

بدأ مشروع CGSM رسميًا بمنح عقود لفرق في جامعة كالجاري (أجهزة قياس الضوء، وأجهزة قياس الإشعاع الشمسي، وأجهزة قياس النشاط الشمسي)، وجامعة ألبرتا (المحاكاة، وإدارة البيانات، وأجهزة قياس المغناطيسية)، وجامعة ساسكاتشوان (رادارات SuperDARN HF مع عقد فرعي لجامعة ويسترن أونتاريو لأجهزة قياس الأيونوسفير الرقمية)، وهيئة الموارد الطبيعية الكندية (عمليات رصد الطقس الفضائي)، والمجلس الوطني للبحوث (جهاز رصد النشاط الشمسي). كما طورت جامعة كالجاري نظامًا جديدًا لإدارة تكنولوجيا المعلومات في المواقع البعيدة. وفي عام 2007، دعت وكالة الفضاء الكندية (CSA) إلى تقديم مقترحات للمرحلة الثانية من مشروع CGSM. وقد تم تقديم أكثر من 20 مقترحًا في أكتوبر 2007، وتم منح العقود في عام 2008 لمواصلة أنشطة مشروع CGSM وتطويرها.

In a recent review of major Canadian space science projects, Liu et al.^[4] pointed out that CGSM is a unique facility, owing in part to the above-mentioned fact that the bulk of the northern hemisphere auroral region that can be remote sensed from the ground is over Canadian territory, and in part due to a significant investment in new experimental infrastructure that is being and will be realized during the period 2004-2010.

CGSM complements numerous satellite and international ground-based programs. The synergies between CGSM and satellite missions, for example, are very important. Satellites measure the plasma processes at work in the magnetosphere and ionosphere directly using magnetometers, and electric field, plasma wave, and particle detectors. These processes, however, are truly multi-scale, with important scale sizes ranging from kilometers or less to tens of thousands of kilometers. Satellite observations are essential because they are our only direct look at the processes of interest. At the same time, the satellites are like "needles in a haystack", owing to the enormous scale sizes of the magnetospheric system and the fact that all the scales seem to be important in the overall dynamic.

The magnetospheric dynamics are projected along magnetic field lines into the ionosphere and are visible, for example, in changes in the aurora and large-scale ionospheric plasma motions. So we get a two-dimension picture of the magnetospheric dynamics which provides an essential complement to the satellite observations. This synergy and its value in advancing science has been increasingly recognized in recent years. The European Space Agency'sCluster mission included a Ground-Based Working Group that was created with the express purpose of maximizing the impact of coordinated ground-based observations (see Amm et al.,^[5] for a description of the impact of the Cluster Ground-Based Working Group). The five-satellite NASA THEMIS mission launched on February 17, 2006 includes a ground-based component consisting of 20 ground-based observatories (some of which incorporate CGSM magnetometer data), indicating the recognition of the importance of coordinated ground-based observations.