Flyv mig (halvvejs) til månen

Sidste uge, forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST), National Aeronautics and Space Administration (NASA), United States Geological Survey (USGS) og University of Guelph sendte et teleskop til toppen af ​​himlen, næsten til selve rummet. Turen var en måneskinsmission, der har givet nogle af de bedste målinger, der nogensinde er taget af lysstyrken, eller mere specifikt overfladereflektansen, af Jordens nærmeste nabo, månen.

Det ultimative mål med arbejdet er at forbedre målinger foretaget af satellitter, der ser ned på Jorden og hjælpe forskere med at spore vejrmønstre, tendenser inden for afgrødesundhed, placeringen af ​​skadelig algeopblomstring i vand og meget mere.

NIST's udstyr fløj ombord på NASA's ER-2, et "nær-rum-fly", der rejser så højt som 21 kilometer (ca. 13 miles) over havets overflade. Den slags afstand, dobbelt så marchhøjde som et typisk kommercielt fly, fik udstyret over 95% af Jordens atmosfære, som forstyrrer måneskinsmålinger. Missionen, kaldet Airborne Lunar Spectral Irradiance Mission (air-LUSI), opsendt fra NASA Armstrong Flight Research Center i Californien.

At se Jorden fra rummet

Hundredvis af jordvendte satellitter giver information om vejr og vegetation, der gør det muligt for forskere at forudsige hungersnød og oversvømmelser og kan hjælpe samfund med at planlægge nødberedskab og katastrofehjælp. For at indsamle disse vigtige data, rumbaserede billedkameraer er afhængige af lysstyrken af ​​forskellige bølgelængder - som det nogle gange hjælper at tænke på som farver - af sollys, der reflekteres fra vores planet.

For at sikre, at et satellitkameras "grønne" ikke er et andets "gule, " hvert kamera skal kalibreres mod en fælles kilde, mens de er i rummet. Månen er et praktisk mål, fordi i modsætning til Jorden, den har ingen atmosfære, og dens overflade ændrer sig meget lidt.

I teorien, hvis forskerne kender den relative justering af Solen, Månen og satellit, de burde være i stand til at forudsige mængden af ​​lys, der kommer fra Månen. Specifikt, forskere er interesserede i at måle den "spektrale irradians" af lys, der reflekteres fra Månen - dvs. mængden af ​​energi pr. arealenhed i diskrete båndbredder af bølgelængde.

"Der er en model, der forudsiger, baseret på hvor du ser fra, og hvor månen og solen er, hvad den spektrale irradians vil være, " sagde NIST-fysiker John Woodward. Men på grund af usikkerhed om Månens sande lysstyrke, selv de bedste kalibreringer i dag er kun nøjagtige inden for 3 % til 5 %.

Forskere vil gerne reducere denne unøjagtighed til mindre end 1 %. Jo mere nøjagtige kalibreringerne er, jo mere tillid kan forskere have til satellitbilleder af Jorden.

Hvorfor har højere nøjagtigheder ikke været mulig før? Hovedsageligt fordi jordbaserede detektorer skal kigge på måneskin gennem jordens atmosfære, som absorberer nogle bølgelængder af lys mere end andre på måder, der ikke er fuldt forudsigelige, sagde Woodward.

At sende detektorerne ud i rummet løser dette problem ved at tillade forskere at samle måneskin uhindret. Men det giver en anden udfordring:En gang i rummet, instrumenterne er faktisk utilgængelige, så forskerne kan ikke kalibrere dem ordentligt før hver måling.

For at indsamle bedre måneskinsdata, forskere har brug for to ting:et klart udsyn til Månen med minimal interferens fra atmosfæren, og fysisk adgang til detektorerne for hyppige kalibreringer.

Sådan fanger du en månestråle

Ved at bruge NASAs højhøjde ER-2 fly, NIST-holdet målte måneskin over hele det synlige lysspektrum og også ind i det nær-infrarøde spektrum, fra omkring 380 nanometer (det blåste lys, vores øjne kan se) til 1, 000 nanometer (rødere end vores øjne kan se). Hver båndbredde, de målte, var ekstremt smal - kun et par nanometer bred.

ER-2 er designet til at tage videnskabeligt udstyr over det meste af atmosfæren til observationer, der varer timer ad gangen. Inde i det lille cockpit er plads til en enkelt pilot i en rumdragt. NISTs forskningsudstyr opbevares i en lang container under en af ​​flyets vinger. En åbning i toppen af ​​denne pod giver teleskopet og kameraet et klart udsyn til Månen.

Forskere, der ønsker at bruge flyets tjenester, skal bygge instrumenter, der opfylder strenge vægt- og størrelsesspecifikationer - en udfordring for NIST-teamet.

"Det var meget mere ingeniørarbejde, end vi havde regnet med, " sagde Woodward. "Ved 70, 000 fod, der er meget lidt atmosfærisk tryk. Og det er omkring -60 grader C, så det er meget koldt."

I særdeleshed, de skulle skabe en temperatur- og trykkontrolleret beholder til deres dataopsamlingssystem, som normalt ikke kan fungere i så høje højder.

Vejer omkring 225 kg (ca. 500 pund) i alt, NISTs udstyr inkluderer et teleskop til at opsamle måneskin, et kamera, der bruges til at lokalisere månen, og en LED-lyskilde, der bruges til at kontrollere, at systemet forbliver kalibreret i den tid, det tager for flyet at komme op i højden.

Nøglen til at holde usikkerheden på disse målinger så lav som muligt kommer fra forskernes lette adgang til apparatet direkte før og efter dets flyvning, sagde Woodward. Lige før start og lige efter landing, holdet kalibrerer udstyret på jorden, ved hjælp af en stabil lyskilde, der allerede er velkarakteriseret. Denne form for test før og efter flyvningen ville ikke være mulig, hvis forskerne forsøgte at indsamle oplysningerne med en satellit sendt ud i rummet.

Resultaterne fra november-flyvningerne skulle være "af væsentlig nytte for satellitkalibreringssamfundet, " sagde NIST-fysiker Stephen Maxwell. Derudover, dataene vil hjælpe NIST-holdet med at forberede sig til endnu et eksperiment med måneskinsindsamling.

Før du starter air-LUSI-projektet, NIST-forskere havde udviklet en metode til at karakterisere atmosfæren hver nat, så det i det væsentlige kunne trækkes fra jordbaserede målinger. Holdet planlægger at bruge denne metode i et måneskinsindsamlingseksperiment ved Mauna Loa Observatory på Hawaii, på et sted omkring 3, 400 meter (11, 150 fod) høj.

Selvom et jordbaseret eksperiment har mange fordele, herunder længere visningsperioder og lettere adgang til udstyr, Mauna Loa-systemet skal stadig kigge gennem snesevis af kilometer (hundredetusindvis af fod) af måneskinsspektrumforvrængende atmosfære.

"Mauna Loa Observatory er et af de bedste atmosfæresteder, du kan observere fra, " sagde Woodward. "Men det efterlod spørgsmålet:Kan vi slippe helt af med atmosfæren?" At indsamle måneskin ovenfra det meste af atmosfæren vil hjælpe forskere med at forfine den model, de vil bruge til Mauna Loa-eksperimentet.

"De data, vi indsamlede i denne måned, ser rigtig gode ud, " sagde Woodward. "Hele holdet har gjort et fantastisk stykke arbejde med at få dette instrument til at flyve, og ER-2-teamet hos Armstrong har været en fantastisk partner i at gøre dette til en succes."