Een nieuw instrument met het oog op de maan stijgt op aan boord van een NASA-vliegtuig op grote hoogte om de helderheid van de maan te meten en uiteindelijk de aardobservatiesensoren te helpen nauwkeurigere metingen te doen.

Het Lunar Spectral Irradiance Instrument (air-LUSI) in de lucht vliegt aan boord van NASA's ER-2-vliegtuig. De ER-2 kan boven wolken zweven, ongeveer 70, 000 voet boven de grond. De vluchten, die zich 's nachts voordoen om verstrooid licht van de zon te vermijden, begon op 13 november en eindigt op 17 november vanuit het Armstrong Flight Research Center van NASA in Palmdale, Californië.

Het door NASA gefinancierde instrument "meet hoeveel zonlicht door de maan wordt gereflecteerd in verschillende fasen om het nauwkeurig te karakteriseren en uit te breiden hoe de maan wordt gebruikt om aardobservatiesensoren te kalibreren", zei Kevin Turpie, een professor aan de Universiteit van Maryland, Baltimore County, het leiden van de lucht-LUSI inspanning. Turpie en zijn team worden gefinancierd door NASA's Earth Science Division en het National Institute of Standards and Technology (NIST).

Hoe de maan aardsensoren helpt

Aardobservatiesensoren, zoals de Visible Infrared Imaging Radiometric Suite (VIIRS) aan boord van de NASA/NOAA/DOD Suomi National Polar-orbiting Partnership-satelliet en de NOAA-20 meteorologische satelliet, verzamel afbeeldingen van bewolking, landoppervlakte en oceaankleur. Terwijl deze sensoren ijverig hun werk doen, ze moeten zich ook schrap zetten tegen hoogenergetische deeltjes en bestand zijn tegen ultraviolet licht, die hun sensoren in de loop van de tijd verslechteren.

Om rekening te houden met eventuele veranderingen in gevoeligheid, VIIRS en andere satellietinstrumenten kalibreren hun sensoren door naar een bekende referentie te kijken en te vergelijken hoe de meest recente look zich verhoudt tot eerdere. Als de sensor de referentie anders ziet dan voorheen, hij weet dat hij zijn gevoeligheid opnieuw moet kalibreren of aanpassen.

Momenteel, veel instrumenten dragen een ondoorzichtig of wit materiaal, een diffusor genoemd, dat zonlicht reflecteert en fungeert als referentie voor sensorkalibratie. Echter, hoewel de zon een constante output levert, de harde stralen degraderen de diffuser na verloop van tijd. De maan, anderzijds, is een ideale diffuser omdat de reflectie van zonlicht stabiel is en meer lijkt op die van de aarde in helderheid.

Wetenschappers weten al lang over het potentieel van de maan. "Niet lang na het Apollo-programma, een groep van de U.S. Geological Survey (USGS) ontwikkelde een manier om de maan te karakteriseren, zodat aardobservatiesatellieten deze konden gebruiken voor kalibratie, ' zei Turpie.

Het USGS Robotic Lunar Observatory (ROLO) in Flagstaff, Arizona, de maan maandelijks gemeten van 1995 tot 2003. Tom Stone, een wetenschapper bij USGS, samen met Hugh Kieffer, een voormalig wetenschapper bij USGS, een op ROLO gebaseerd model ontwikkeld dat wordt en nog steeds wordt gebruikt om aardobservatiesensoren in instrumenten te kalibreren, zoals SeaWiFS, die actief was van 1997 tot 2010 en de kleur van de oceaan heeft gemeten om fytoplankton te controleren. SeaWiFS keek regelmatig naar de maan om eventuele veranderingen in de gevoeligheid van het instrument op te merken.

Hoewel veel kalibratieteams voor aardobservatiemissies ROLO gebruiken, er kunnen grote verschillen zijn in hun maankalibratiegegevens, zei Steen. De hoop is dat de zeer nauwkeurige metingen van air-LUSI die discrepanties zullen karakteriseren en bepalen of ze worden veroorzaakt door interne vooroordelen in het ROLO-model of iets anders. "We kunnen ROLO-kalibraties niet valideren tot beter dan 5%, Stone zei. "Air-LUSI kan ROLO verbeteren of bepalen wat er verbeterd moet worden."

De nieuwe instrumenten van Air-LUSI zijn in staat om zeer nauwkeurige spectrale bestralingsmetingen van de maan te verkrijgen met de laagste onzekerheid ooit (minder dan 1%), Turpie zei, waarmee de maan wordt vastgesteld als een absolute kalibratiereferentie en waarmee wetenschappers op afstand kunnen bepalen of aardobservatiesensoren, zoals VIIRS, registreren werkelijke veranderingen op aarde of veranderingen in hun instrumenten.

Hoewel aardobservatiemissies elke maand op dezelfde tijd en fase naar de maan kunnen kijken als een manier om trends in de gevoeligheid van hun instrumenten op te merken, ze hebben de maan nog niet kunnen gebruiken als absolute referentie voor kalibratie, Kurt Thome, een projectwetenschapper voor aardobservatiemissies bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, zei.

Wat betekent het om een ​​absolute kalibratiereferentie te zijn? Als je twee mensen vergelijkt die naast elkaar staan, het is gemakkelijk om te zien welke persoon groter is. Echter, als deze twee mensen aan tegenovergestelde uiteinden van de wereld zijn, de enige manier om hun lengtes te vergelijken zou zijn met een absolute referentie, als een heerser. Air-LUSI streeft ernaar om van de maan een absolute referentie voor kalibratie te maken, wat betekent dat een instrument maar één keer naar de maan hoeft te kijken om de absolute gevoeligheid van het instrument te bepalen, terwijl het uiterlijk in de loop van de tijd wordt vergeleken om te zien of het instrument verandert, zei Thome.

Een gezamenlijke inspanning

Om informatie over de maan te verzamelen, air-LUSI omvat drie subsystemen, waarvoor expertise van meerdere organisaties nodig is, zei Turpie. Zijn team bestaat uit mensen van NIST, de USGS, de Universiteit van Guelph in Ontario, Canada en NASA.

Het eerste onderdeel heet IRIS, afkorting voor Irradiance Instrument Subsystem, en is ontworpen door NIST. Het bevat een instrument dat nauwkeurige metingen van de maan kan uitvoeren terwijl het in een temperatuur- en drukgestuurde behuizing zit.

Het tweede onderdeel is een robottelescoopmontage genaamd ARTEMIS (Autonomous, Robotic Telescope Mount Instrument Subsystem) ontworpen en gebouwd door de Universiteit van Guelph. ARTEMIS heeft een camera die de lucht scant totdat hij de maan vindt en de telescoop stuurt om ernaar te wijzen en hem op zijn plaats te houden, ongeacht de beweging van het vliegtuig.

Het laatste onderdeel is de High-altitude ER-2 Adaptation, of HER. HERA omvat al het bindweefsel, zoals kabels en montagemateriaal, die het instrument bij elkaar en aan het vlak houdt, evenals de thermische stabiliserende componenten. Air-LUSI kan tijdens de vlucht gegevens vastleggen en de gegevens van het vliegtuig naar de grond downloaden.

Een kleine stap voor air-LUSI, een grote sprong voor de aardwetenschappen

In de nabije toekomst, een operationele weersatelliet zou er baat bij hebben om naar de maan te kunnen kijken als een absolute referentie voor kalibratie, zei Thome. Dit omvat de momenteel vliegende Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) en Joint Polar Satellite System-20 (JPSS) satellieten, evenals die in de toekomst van zowel NOAA als hun internationale partners. Elke satelliet zou zijn instrumenten door de maan kunnen kalibreren om te vergelijken hoe zijn sensoren zich houden aan de sensoren van de andere satellieten. zei Thome.

NASA's aankomende Ocean Color Imager, aan boord van de Phytoplankton Aerosols Clouds and ocean Ecology (PACE) satelliet, ook van plan is de maan te gebruiken voor kalibratie, zei Turpie.

"De maanmetingen van Air-LUSI maken het gemakkelijker voor mensen om het gebruik van de maan te rechtvaardigen om hun instrumenten te kalibreren, ' zei Thome.