עידן החלל החל בשיגור הלוויין הראשון, ספוטניק, בשנת 1957. לוויינים מלאכותיים (או בקיצור – לוויינים ובאנגלית satellites) הם גופים מעשי ידי אדם המקיפים גרם שמיים כלשהו במסלול שהוא פחות או יותר קבוע. התחרות השנה תתמקד בנושא טכנולוגיות בלוויינים ומקפות סביב כדור הארץ ומאדים.

מתוך כ 5000 לוויינים המקיפים את כדור הארץ, ישנם כ-1900 לוויינים פעילים המבצעים משימות שונות. רוב הלוויינים שבנינו מקיפים את כדור הארץ, אך ישנם לוויינים המקיפים עצמים אחרים במערכת השמש: את הירח, כוכבי לכת אחרים, אסטרואידים ואת השמש. הללו נקראים מקפות – orbiters.

אפשר לחלק את הלוויינים המקיפים את כדור הארץ על פי סוגי המשימות שהם מבצעים: לווייני תקשורת: מעבירים שידורי טלוויזיה, שיחות טלפון ואינטרנט. לווייני ניווט: משדרים אותות המאפשרים קביעת מיקום גיאוגרפי ועליהם מתבססות תוכנות ניווט כמו "ווייז". לווייני צילום ומחקר: אוספים מידע על עצמים באמצעות חישה מרחוק של קרינה אלקטרומגנטית ומדידות אחרות. לוויינים כאלו משמשים למחקר […]

המידע שמספקים לנו הלוויינים אינו מוגבל רק למה שהעין האנושית מסוגלת לראות. מכשירים הרגישים לקרינה בלתי נראית מאפשרים לנו לגלות מידע הנסתר מהעין, ולראות את העולם "בצבעים חדשים". היכרות עם תכונות הקרינה האלקטרומגנטית והאינטראקציות בין קרינה לחומר, מאפשרת לנו לבצע מדידות המתבססות על חישה מרחוק.

קרינה היא פליטה של אנרגיה כגלים אלקטרומגנטיים. אור הוא דוגמה לקרינה. לאור מספר תכונות מוכרות: האור מתקדם בקווים ישרים, שנקראים בגיאומטריה "קרניים" (מכאן השם "קרינה"). בתחילת המאה ה 19 התגלה שלאור תכונות גליות. התגלה שלכל אחד מצבעי הקשת יש אורך גל שונה אבל כולם מתקדמים באותה מהירות – מהירות האור. מאוחר יותר עם גילוי קרינת […]

התפשטות האור במרחב מתוארת כתנועה של גל מחזורי. מה שמבדיל בין סוגי הגלים האלקטרומגנטיים הוא אורך הגל. "אורך גל" – הוא המרחק בין שני שיאי גל עוקבים (מסומן באות היוונית למדא λ). האור שאנו רואים הוא בעל אורך גל קצר מאוד: 0.4 – 0.7 מיקרון בלבד (מיליונית המטר)! תמונה: Brews ohare

כאשר מסדרים את כל סוגי הקרינה על פי אורך הגל, מתקבל רצף הקרוי "הספקטרום האלקטרומגנטי". בתמונה משמאל תוכלו לראות את סוגי הקרינה השונים, ואת אורכי הגל האופייניים להם, מגלי רדיו באורך של מטרים, דרך מיקרוגל (סנטימטרים), אינפרא אדום (מילימטרים עד מיקרונים), אור נראה (חלקי מיקרונים), ועד אולטרא סגול, רנטגן וגמא (ננומטרים ואנגסטרמים). תמונה https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electromagnetic-Spectrum-Hebrew.png

קרינת רדיו, מיקרוגל, אינפרא אדום, אור נראה, קרינת UV, קרינת רנטגן וקרינת גמא רדיואקטיבית הם כולם גלים א"מ: כולם מתפשטים במרחב כקרניים המציגות התנהגות המתאימה לגלים.  לכל צבע ולכל סוג קרינה אורך גל שונה. כולם מתקדמים באותה המהירות, שנקראת "מהירות האור" כ – 300,000 קילומטר בשנייה. כולם עוברים אינטראקציה עם חלקיקים בעלי מטענים חשמליים. אם […]

לחומרים שונים אינטראקציות שונות עם סוגי קרינה שונים. נהוג להבחין בין אינטראקציות שונות כדוגמת : פליטה בליעה החזרה העברה פיזור

מנגנונים שונים גורמים לפליטה של אור מחומר: פליטה תרמית – אור השמש: טמפרטורת פני השמש היא 5700 מעלות צלסיוס ולכן השמש מאירה. כתמי השמש בתמונה קרים יותר ופולטים פחות אור ולכן נראים חשוכים בצילום. דוגמא נוספת לפליטה היא כימו-לומיניסנציה: תהליך כימי שיוצרים חיידקים בבטן החרק הגורם לפליטת אור ירקרק. הצילום : https://en.wikipedia.org/wiki/Bioluminescence#/media/File:Lampyris_noctiluca.jpg

גוף חם כדוגמת השמש או נורת להט, פולט קרינה על פני טווח רחב של אורכי גל. העקומה האדומה מציגה את התפלגות עוצמת הקרינה של מנורת להט על ציר Y  ביחס לאורך הגל המוצג על ציר X. מקסימום הפליטה הוא באינפרא אדום באורך גל של 1 מיקרון. כמות ניכרת של קרינה נפלטת גם באורכי גל ארוכים […]

חלק הקרינה הנפלט באור נראה ומסומן בצבעי הקשת, מהווה רק-  2%  מסך העוצמה הנפלטת. מתוך גרף זה אפשר להבין מדוע יעילות ההארה של נורות להט נמוכה.

מצלמות תרמיות מבדילות בין גופים בטווח טמפרטורות הקרוב לטמפרטורת החדר מתוך כמות קרינת האינפרא אדום (IR) שנפלטת מהם. עצמים חמים פולטים יותר קרינה מעצמים קרים. גם נחשים צדים את טרפם בעזרת חיישנים הרגישים ל- IR. תמונה שצולמה במצלמה רגילה:  האם אתם רואים את הפורץ בתמונה שצולמה בלילה? תמונה שצולמה במצלמה תרמית: ועכשיו?

החזרה: קרינה מוחזרת ומשנה את כיוונה כאשר היא באה במגע עם פני שטח המפרידים בין חומרים שונים. ההחזרה יכולה להיות: מסודרת, ואז החומר ייראה מבריק כמו מראה או מפוזרת, במקרה שהחומר מחוספס.

פיזור: הוא החזרה אקראית של קרינה המתרחשת בתווך דרכו הקרינה עוברת. פיזור גורם לכך שעוצמת הקרינה של אלומת הקרניים המקורית הולכת ודועכת ככל שהיא מתקדמת דרך התווך. מידת הפיזור בתווך תלויה באורך הגל (צבע האור) וכן בגודל החלקיקים המפזרים המצויים בתווך.

טיפות המים בעננים שבאטמוספירת כדור הארץ מפזרות את כל אורכי הגל במידה שווה ולכן העננים נראים לנו לבנים. לעומתן, מולקולות האוויר הקטנות מפזרות בעיקר אורכי גל קצרים ולכן השמים נראים לנו כחולים. אורכי גל קצרים מאוד כמו UV ורנטגן הנפלטים מהשמש כמעט ואינם חודרים את האטמוספירה וטוב שכך.

בליעה: היא אינטראקציה בה הקרינה העוברת דרך התווך, נבלעת במולקולות המרכיבות את החומר ומחממת אותו. בליעה יכולה להיות סלקטיבית כך שחלק מהצבעים נבלעים בחומר וחלק אינם נבלעים. הצבעים שאינם נבלעים עוברים דרכו או מפוזרים חזרה והחומר יראה לנו צבעוני. חומר שחור – בולע את כל הצבעים. חומר לבן – מחזיר או מפזר את כל הצבעים.

פרופיל הבליעה של החומר מהווה "טביעת אצבע" ייחודית והוא זה שאחראי לרוב הצבעים שאנו רואים סביבנו. לחומרים שונים פרופיל בליעה שונה גם באורכי גל שאינם נראים כך שהקרינה המוחזרת מאפשרת זיהוי של החומרים השונים.

חומר שנראה שקוף (מעביר קרינה) בתחום אחד של אורכי גל יכול להיות אטום (בולע / מחזיר קרינה) בתחום אחר. דוגמה להעברה:  השקית שנראית שחורה באור נראה (ימין) , נראית שקופה בצילום התרמי (שמאל), כיוון שקרינת ה-  IR הנפלטת מהיד עוברת דרכה ללא הפרעה. בכיוון ההפוך – עדשות המשקפיים של האיש בתמונה, שקופות באור הנראה, אבל […]

נבחן את האינטראקציות בתצפית הנהג בעזרת תאורה קדמית של רכב: האור נפלט מחוט הלהט מוחזר מהמראות הקמורות (רפלקטורים בחלק הפנימי של הפנס), עובר דרך הזכוכית השקופה של הפנס, נבלע בחלקו בעצם המואר, מוחזר ומפוזר מהעצם אל עבר שמשת המכונית, עובר דרך השמשה הקדמית ואז דרך עדשת העין, ונבלע ברשתית העין של הנהג. תמונה https://commons.wikimedia.org/wiki/File:66marlinFastback_white_hood_nameplate_and_headlights.jpg קרדיט: […]

בתמונה זו מצולם הספורטק בעמק הארזים בירושלים. אפשר לראות בו שלושה מגרשי דשא גדולים ומלבניים. לשני המגרשים הקיצוניים צבע ירוק עמוק, ולמגרש האמצעי צבע ירוק חיוור. מה הסיבה להבדל?

תמונת הלוויין שמשמאל תעזור לנו לפתור את התעלומה. בתמונה מודגשים בצבע אדום אזורים שמחזירים קרינה באורך גל שמתאים להחזרה של צמחייה. שימו לב לעצים הרבים שבחצרות בתי שכונת רמות, שנמצאת בחלקה העליון של התמונה. רואים בבירור שבספורטק, רק המגרש האמצעי מחזיר קרינה שמתאימה להימצאות של צמחייה, בעוד ששני המגרשים האחרים אפלים לחלוטין. מכאן ניתן להסיק […]

תמונות של קרינת IR הנפלטת ממאדים שצולמו מהמקפת Odyssey מראות אזורים בהם החום נשמר לאורך זמן (אדום) . אלו מעידים על סלע מוצק, לעומת אזורים מכוסי אבק הנתונים לשינויי טמפרטורה מהירים יותר ומוצגים בכחול.

בגרף מוצגת מידת אטימות האטמוספירה (על ציר Y) כתלות באורך הגל (על ציר X). אורכי גל מסוימים נבלעים או מתפזרים באטמוספירה במידה משמעותית ולכן באורכי גל אלו אטימות האטמוספירה היא 100%. השקעים בגרף מייצגים אורכי גל בהם האטמוספירה שקופה ומעבירה קרינה. תחומי קרינה אלו נקראים "חלונות אטמוספריים".

סופות אבק עונתיות גורמות לכוכב הלכת מאדים, להאדים באופן עונתי לפרקי זמן של שבועות וחודשים. המקפות הרוסיות, Mars 2 , Mars 3  והמקפת האמריקאית Mariner 9 ששוגרו  ב- 1971 גילו לאכזבת המדענים אטמוספירה אטומה ואדומה שהסתירה את פני השטח בגלל סופת אבק גדולה, בדומה לזו שצילם טלסקופ החלל האבל (בתמונה מימין). גם בעין בלתי מזויינת […]

רדאר חודר קרקע המותקן על לוויין או מקפת, משדר גלי רדיו החודרים את האטמוספירה וגם את שכבות הקרקע העליונות. האותות מוחזרים אל המקפת משכבות תת קרקעיות. מדידות אלו מאפשרות לשפר את הבנת הגיאולוגיה מתחת לפני השטח. מדידה של MRO – Mars Reconnaissance Orbiter בעזרת ראדאר חודר קרקע מגלה את עומק שכבת הקרח בקוטב הצפוני של […]

לוויינים אוספים מידע באמצעות חיישנים הרגישים לקרינה א"מ באורכי גל שונים וגם משדרים באמצעות קרינת רדיו את קריאות החיישנים השונים בחזרה לכדור הארץ. תקשורת עם לוויינים מתבססת היום בעיקר על גלי רדיו. תקשורת עם מקפות במרחקים גדולים מתאפשרת באמצעות אנטנות צלחת כיווניות האוספות ומרכזות את האותות המגיעים אל המקפת ומשודרים ממנה.

לוויינים ומקפות יכולים לשמש גם כתחנות ממסר. התקשורת העתידית בחלל תתבסס על קרני לייזר שיוקרנו דרך טלסקופים אופטיים שמאפשרים קצב העברת מידע גדול יותר וממרחקים גדולים יותר. https://mars.nasa.gov/mro/multimedia/videos/?v=58 הנחתת קיוריוסיטי שידרה מידע לכדור הארץ במהלך הנחיתה על מאדים. הכניסה של של הנחתת לאטמוספירה מנעה ממנה לשדר את המידע על הנחיתה ישירות לכדור הארץ. מקפת MRO […]

המקפת Mars  Odyssey 2001 נכנסה למסלול הקפה סביב מאדים בשנת 2001. משימת החישה מרחוק שלה כללה צילומים לזיהוי מים על פני קרקע המאדים. המקפת משמשת עד היום כתחנת ממסר החולפת פעמיים ביום מעל הגשושית הקרקעית הניידת (רובר – rover Curiosity). היא קולטת את אותות הרדיו המשודרים מה Curiosity, ומשדרת אותם לכדור הארץ.

טכנולוגיות צילום ושידור לווייניות מאפשרות לנו ללמוד על המאפיינים השונים של כוכבי לכת וביניהם גם כדור הארץ ומאדים. היכרות עם האינטראקציות השונות של קרינה וחומר מאפשרת לנו לאפיין פני שטח וללמוד על תכונותיהם הייחודיות בחישה מרחוק.