Ny månesøgende sensor har til formål at forbedre jordobservationer

Et nyt instrument med øjet på Månen letter ombord på et NASA-fly i stor højde for at måle Månens lysstyrke og til sidst hjælpe Jordobservationssensorer med at foretage mere nøjagtige målinger.

Det luftbårne Lunar Spectral Irradiance Instrument (air-LUSI) flyver ombord på NASAs ER-2-fly. ER-2 er i stand til at svæve over skyer, omkring 70, 000 fod over jorden. flyvningerne, som opstår om natten for at undgå spredt lys fra solen, begyndte den 13. november og afsluttes den 17. november fra NASAs Armstrong Flight Research Center i Palmdale, Californien.

Det NASA-finansierede instrument "måler, hvor meget sollys der reflekteres af Månen i forskellige faser for præcist at karakterisere den og udvide, hvordan Månen bruges til at kalibrere Jordobservationssensorer", sagde Kevin Turpie, professor ved University of Maryland, Baltimore County, lede luft-LUSI-indsatsen. Turpie og hans team er finansieret af NASA's Earth Science Division og National Institute of Standards and Technology (NIST).

Hvordan månen hjælper Jordens sensorer

Jordobservationssensorer, som Visible Infrared Imaging Radiometric Suite (VIIRS) ombord på NASA/NOAA/DOD Suomi National Polar-orbiting Partnership-satellitten og NOAA-20 meteorologisk satellit, indsamle billeder af skydække, landoverfladedækning og havfarve. Mens disse sensorer flittigt udfører deres arbejde, de skal også støtte sig mod højenergipartikler og modstå ultraviolet lys, som nedbryder deres sensorer over tid.

For at tage højde for eventuelle ændringer i følsomhed, VIIRS og andre satellitinstrumenter kalibrerer deres sensorer ved at se på en kendt reference og sammenligne, hvordan det seneste udseende er sammenlignet med tidligere. Hvis sensoren ser referencen anderledes end før, den ved, at den skal omkalibrere eller justere sin følsomhed.

I øjeblikket, mange instrumenter bærer et uigennemsigtigt eller hvidt materiale, kaldet en diffuser, der reflekterer sollys og fungerer som reference for sensorkalibrering. Imidlertid, selvom Solen giver et stabilt output, dens barske stråler nedbryder diffusoren over tid. Månen, på den anden side, er en ideel diffuser, da dens reflektans af sollys er stabil og mere lig Jordens i lysstyrke.

Forskere har længe kendt til månens potentiale. "Ikke længe efter Apollo-programmet, en gruppe ved U.S. Geological Survey (USGS) udviklede en måde at karakterisere Månen på, så Jorden, der observerer satellitter, kunne bruge den til kalibrering, " sagde Turpie.

USGS Robotic Lunar Observatory (ROLO) i Flagstaff, Arizona, målte Månen på månedsbasis fra 1995 til 2003. Tom Stone, en videnskabsmand ved USGS, sammen med Hugh Kieffer, en tidligere videnskabsmand hos USGS, udviklet en ROLO-baseret model, der har og bliver ved med at blive brugt til at hjælpe med at kalibrere jordobservationssensorer i instrumenter, ligesom SeaWiFS, som fungerede fra 1997 til 2010 og målte havets farve for at overvåge fytoplankton. SeaWiFS kiggede på Månen med jævne mellemrum for at bemærke eventuelle ændringer i instrumentets følsomhed.

Selvom mange jordobservationsmissionskalibreringshold bruger ROLO, der kan være store uoverensstemmelser i deres månekalibreringsdata, sagde Stone. Håbet er, at air-LUSIs meget nøjagtige målinger vil karakterisere disse uoverensstemmelser og afgøre, om de er forårsaget af interne skævheder i ROLO-modellen eller noget andet. "Vi kan ikke validere ROLO-kalibreringer til bedre end 5 %, " sagde Stone. "Air-LUSI kan forbedre ROLO eller bestemme, hvad der skal forbedres."

Air-LUSIs nye instrumenter er i stand til at opnå meget nøjagtige målinger af månespektral bestråling, der vil have den laveste usikkerhed nogensinde (mindre end 1 %), Turpie sagde, som etablerer Månen som en absolut kalibreringsreference og hjælper fjernmålingsforskere med at bestemme, om Jorden observerer sensorer, ligesom VIIRS, registrerer faktiske ændringer på Jorden eller ændringer i deres instrumenter.

Selvom jordobservationsmissioner kan se på Månen på samme tid og fase hver måned som en måde at bemærke tendenser i deres instrumenters følsomhed, de har endnu ikke været i stand til at bruge Månen som en absolut kalibreringsreference, Kurt Thome, en projektforsker for jordobservationsmissioner ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, sagde.

Hvad vil det sige at være en absolut kalibreringsreference? Hvis du sammenligner to personer, der står ved siden af ​​hinanden, det er nemt at se, hvilken person der er højest. Imidlertid, hvis disse to mennesker er i hver sin ende af verden, den eneste måde at sammenligne deres højder på ville være med en absolut reference, som en lineal. Air-LUSI sigter mod at gøre Månen til en absolut kalibreringsreference, hvilket betyder, at et instrument kun behøver at se på Månen én gang for at bestemme instrumentets absolutte følsomhed, mens man sammenligner udseende over tid for at se, om instrumentet ændrer sig, sagde Thome.

En fælles indsats

For at indsamle information om månen, air-LUSI omfatter tre delsystemer, som kræver ekspertise fra flere organisationer, sagde Turpie. Hans team omfatter folk fra NIST, USGS, University of Guelph i Ontario, Canada og NASA.

Den første komponent kaldes IRIS, forkortelse for Irradiance Instrument Subsystem, og er designet af NIST. Det inkluderer et instrument, der er i stand til at tage præcise målinger af Månen, mens du sidder i et temperatur- og trykkontrolleret kabinet.

Den anden komponent er et robotteleskopholder kaldet ARTEMIS (Autonomous, Robotic Telescope Mount Instrument Subsystem) designet og bygget af University of Guelph. ARTEMIS har et kamera, der scanner himlen, indtil det finder Månen og dirigerer teleskopet til at pege på det og holde det låst på plads, uanset flyets bevægelse.

Den sidste komponent er High-altitude ER-2 Adaptation, eller HERA. HERA omfatter alt bindevæv, som kabler og monteringsudstyr, som holder instrumentet sammen og til flyet, samt de termisk stabiliserende komponenter. Air-LUSI er i stand til at optage data under flyvning og downloade data fra flyet til jorden.

Et lille skridt til air-LUSI, et kæmpe spring for jordvidenskaben

I den nærmeste fremtid, en operationel vejrsatellit ville have gavn af at kunne se på Månen som en absolut kalibreringsreference, sagde Thome. Dette inkluderer de aktuelt flyvende Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi NPP) og Joint Polar Satellite System-20 (JPSS) satellitter, såvel som dem, der kommer i fremtiden fra både NOAA og deres internationale partnere. Hver satellit kunne kalibrere sine instrumenter ved Månen for at sammenligne, hvordan dens sensorer holder op til de andre satellitters sensorer, sagde Thome.

NASAs kommende Ocean Color Imager, ombord på Phytoplankton Aerosols Clouds and ocean Ecology (PACE) satellitten, har også til hensigt at bruge Månen til kalibrering, sagde Turpie.

"Air-LUSIs månemålinger gør det lettere for folk at retfærdiggøre brugen af ​​Månen til at kalibrere deres instrumenter, " sagde Thome.