مدار متزامن مع الشمس

تبسيطاً وبالمقارنة مع المدار الأرضي الجغرافي المتزامن، المدار المتزامن مع الشمس Sun-synchronous orbit، هو مدار متمركز حول الشمس (يدور حول الشمس) شعاعه حوالي 24.360 گيگا متر، (0.1628 وحدة فلكية)، بحيث أن الفترة الدورانية لجسم في هذا المدار تساوي فترة دوران الشمس حول نفسها.

مخطط يوضح مسار المدار المتزامن مع الشمس (بالأخضر) في خمس نقاط في السنة. المدار الغير متزامن مع الشمس (الأرجواني) موضح أيضاً للإشارة.

مستوى مدار قمر اصطناعي متزامن مع الشمس يبقى طول السنة بنفس الزاوية مع الشمس

قمر اصطناعي متزامن مع الشمس يمر يوميا من نفس المنطقة في نفس التوقيت

بالنسبة للساتل، المدار المتزامن مع الشمس هو مدار أرضي (حول الأرض) بحيث تم اختيار ارتفاعه وميله لتبقى الزاوية بين اتجاه الشمس ومستواه ثابتة تقريباً. الساتل في مثل هذا المدار يمر فوق نقطة معينة على سطح الأرض في نفس الساعة الشمسية المحلية. يتم استخدام هذا المدار بواسطة السواتل التي تقوم جميع الملاحظات الفوتوغرافية في الضوء المرئي، لأن شدة ضوء الشمس في المكان المعين لا تتغير كثيراً من صورة واحدة إلى أخرى: سواتل الأرصاد الجوية، سواتل التجسس، سواتل الإستشعار عن بعد...إلخ. إنه مدار قطبي (يمر بالقرب من القطب)، مدار أرضي منخفض (ما بين 600 و1000 كم) وفترة مدارية قصيرة (ما بين 96 و110 دقيقة). الساتل يقطع حوالي 12 مرات في اليوم خط الإستواء ويدور فوق المكان حوالي الثالثة مساءاً.

عام 1961 كان سيموس 2 أول ساتل يصل إلى المدار المتزامن مع الشمس.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 المبدأ

الاستخدام الأكثر شيوعاً للمدار المتزامن مع الشمس هو أنه على وجه الخصوص مدار أرضي حيث تم اختيار ارتفاعه وزاوية الميل لتبقى الزاوية بين اتجاه الشمس ومستواه ثابتة تقريباً على الرغم من انجراف العقدة المدارية الذي يؤدى إلى بدارية مستوى المدار. هذا الانجراف يرجع إلى تأثير امتداد خط الإستواء للارض. إنه لديه علاقة مع زاوية الميل ،نصف المحور الرئيسي والشذوذ المداري للمدار. الساتل في مثل هذا المدار يمر فوق نقطة معينة على سطح الأرض في نفس الساعة الشمسية المحلية. ستكون هناك تذبذبات سنوية للساعة الشمسية لوقت المرور بسبب الشذوذ المداري الأرضي.

 تفاصيل تقنية

المدارات لكل يوم	الفترة (بالساعة)	الإرتفاع فوق سطح الأرض (كم)	أقصى إرتفاع
16	$1{\tfrac {1}{2}}$ = 1 ساعة 30 دقيقة	282	83.4°
15	$1{\tfrac {3}{5}}$ = 1 ساعة 36 دقيقة	574	82.3°
14	$1{\tfrac {5}{7}}$ ≈ 1 ساعة 43 دقيقة	901	81.0°
13	$1{\tfrac {11}{13}}$ ≈ 1 ساعة 51 دقيقة	1269	79.3°
12	$2$	1688	77.0°
11	$2{\tfrac {2}{11}}$ ≈ 2 ساعة 11 دقيقة	2169	74.0°
10	$2{\tfrac {2}{5}}$ = 2 ساعة 24 دقيقة	2730	69.9°
9	$2{\tfrac {2}{3}}$ = 2 ساعة 40 دقيقة	3392	64.0°
8	$3$	4189	54.7°
7	$3{\tfrac {3}{7}}$ ≈ 3 ساعة 26 دقيقة	5172	37.9°

هذه المدارات ممكنة في مجال من الارتفاعات، عادة حوالي 600-1000 كيلومتر، لفترات دورانية بين 96 و110 دقيقة، مع زاوية ميل من حوالي 98 إلى 100 درجة. انجراف مستوى المدار هو إذن 0،9856 درجة في اليوم الواحد أي 360 درجة في السنة.

عدة خيارات ممكنة لهذا الشكل الأساسي: ساتل يمكن أن يكون له مدار متزامن مع الشمس، حيث تكون "ساعة المرور الشمسية ثابتة " فقط في نقطة معينة من المدار، عادة الحضيض. لكن في هذه الحالة تدخل تأثيرات التفلطح الاستوائي، دوران الحضيض في مستوى المدار مما يؤدي إلى إزالة الكثير من الاهتمام للمدار البيضاوي الشكل (إهليلج). المدار المتزامنة مع الشمس دائرية تقريبا كلها.

اختيار الفترة المدارية، وبالتالي الارتفاع، يعتمد على معدل المرور اليومي المطلوب، الساتل يعبر خط الاستواء في الوقت نفسه في كل مرة، ولكن على خطوط طول مختلفة عند كل مرور لأن الأرض تدور حولها. على سبيل المثال، الفترة المدارية من 96 دقيقة، والتي تنقسم في يوم شمسي إلى (15 مرة)، يعني أن الساتل يعبر خط الاستواء في خمسة عشر خطوط طول مختلفة خلال مدارات على متوالية، للعودة إلى خط الطول الأول كل 15 مرور، مرة واحدة في اليوم.

مدار منتصف النهار/منتصف الليل هو حالة خاصة للمدار مدار متزامن مع الشمس حيث وقت المرور هو منتصف النهار و منتصف الليل لخطوط الطول الاستوائية.

المدار الشفقي هو مدار متزامن مع الشمس حيث وقت المرور يتزامن مع شروق الشمس أو غروبها.

كلما ازداد ارتفاع الأقمار الصناعية، كلما ازدادت زاوية الميلان المطلوبة، وهذا يقلل من فائدة المدار بشكل مرتفع. أولا، لأن دقة الكليشيهات تضعف عند زيادة الارتفاع، وثانيا لأن الميل المتزايد (أكبر من 90 درجة)، يجعل القمر الصناعي لا يمر فوق خطوط العرض العليا. المدارات المتزامنة مع الشمس النموذجية لديها ميل ب 98 درجة، والتي تضمن تغطية جيدة للكرة الأرضية.

المدار المتزامن مع الشمس ممكن أيضا حول بعض الكواكب الأخرى، مثل المريخ، حيث تفلطح الكوكب ضعف تفلطح الأرض. المسبار الفضائي گلوبال سرڤير يمر فوق المريخ كل 14 ساعة.

 التفاصيل التقنية

بالنسبة لمدار مباشر، البدارية هي حركة تراجعية، وهذا يعني، في الاتجاه المعاكس لدوران الأرض، إذن المدار المتزامن مع الشمس هي مدارات دات حركة تراجعية تضمن بدارية ذات حركة تراجعية. تقديرات جيدة لمعدل البدارية بالنسبة لحالة مدار دائري (شدود مداري منعدم) يمكن كتابتها على شكل:
$\omega _{p}=-{\frac {3a^{2}}{2r^{2}}}J_{2}\omega \cos i$
حيث $\omega _{p}$ معدل البدارية للعقدة المدارية ب (راديان/ ثانية)، $a$ شعاع خط الاستواء الأرضي 6.378137 مليون متر،$\omega$ سرعته الزاوية ($2\pi$ راديان / دوريته)، $i$ زاوية ميلانه و $J_{2}$ المعامل الثاني للشكل الحركي للأرض (1,08×10⁻³). هذه الأخيرة مرتبطة بالتفلطح كالآتي:
$J_{2}={\frac {2\epsilon _{E}}{3}}-{\frac {a^{3}\omega _{E}^{2}}{3GM_{E}}}$
حيث $\epsilon _{E}$ معدل التفلطح الأرضي ،$\omega _{E}$ معدل دوران الأرض (7,292 115×10⁻⁵ راديان/ثانية)، و $GM_{E}$ هو ناتج جداء ثابت الجاذبية وكتلة الأرض (3,986 004 418×10¹⁴ متر³/ثانية²).
صيغة بسيطة، مستمدة من المعادلات أعلاه، تربط الكميات $r$, $a$ و $i$ :

$r$ / $a$ = 1،93669 (- cos $i$ ) ^2/7

دورة في اليوم	الدورة (سع)		الارتفاع فوق سطح الأرض (كم)	خط العرض الأقصى	الميل
16	1+1/2	= 1:30	000274	83.4°	096.6°
15	1+3/5	= 1:36	000567	82.3°	097.7°
14	1+5/7	≈ 1:43	000894	81.0°	099.0°
13	1+11/13	≈ 1:51	001262	79.3°	100.7°
12	2		001681	77.0°	103.0°
11	2+2/11	≈ 2:11	002162	74.0°	106.0°
10	2+2/5	= 2:24	002722	69.9°	110.1°
09	2+2/3	= 2:40	003385	64.0°	116.0°
08	3		004182	54.7°	125.3°
07	3+3/7	≈ 3:26	005165	37.9°	142.1°

 انظر أيضاً

• تحليل الاضطراب المداري (سفينة فضاء)
• أنالما
• مدار جغرافي متزامن مع الأرض
• مدار ثابت مع الأرض
• قائمة المدارات
• مدار قطبي
• النظام الجيوديسي العالمي

 المصادر

• Sandwell, David T., The Gravity Field of the Earth - Part 1 (2002) (p. 8)
• Sun-Synchronous Orbit dictionary entry, from U.S. Centennial of Flight Commission
• NASA Q&A
• Boain, Ronald J. (February 2004). "The A-B-Cs of Sun Synchronous Orbit Design" (PDF). Space Flight Mechanics Conference.

 وصلات خارجية

• قائمة السواتل في المدار المتزامن مع الشمس