Vorige week, wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), de National Aeronautics and Space Administration (NASA), de United States Geological Survey (USGS) en de Universiteit van Guelph stuurden een telescoop naar de top van de hemel, bijna naar de ruimte zelf. De reis was een maanlicht-verzamelende missie die enkele van de beste metingen heeft opgeleverd die ooit zijn genomen van de helderheid, of meer specifiek de oppervlaktereflectie, van de naaste buur van de aarde, de maan.

Het uiteindelijke doel van het werk is om de metingen van satellieten die op de aarde neerkijken te verbeteren en onderzoekers te helpen weerpatronen te volgen, trends in de gezondheid van gewassen, de locaties van schadelijke algenbloei in water en nog veel meer.

NIST's apparatuur vloog aan boord van NASA's ER-2, een "near-space plane" dat tot wel 21 kilometer (ongeveer 13 mijl) boven zeeniveau reist. Dat soort afstand, tweemaal de kruishoogte van een typisch commercieel vliegtuig, kreeg de apparatuur boven 95% van de atmosfeer van de aarde, die de maanlichtmetingen verstoort. De missie, genaamd de Airborne Lunar Spectral Irradiance Mission (air-LUSI), gelanceerd vanaf het NASA Armstrong Flight Research Center in Californië.

De aarde vanuit de ruimte zien

Honderden naar de aarde gerichte satellieten bieden informatie over het weer en de vegetatie waarmee onderzoekers hongersnoden en overstromingen kunnen voorspellen en gemeenschappen kunnen helpen bij het plannen van noodhulp en rampenbestrijding. Om deze cruciale gegevens te verzamelen, op de ruimte gebaseerde camera's vertrouwen op de helderheid van verschillende golflengten - die het soms helpt te zien als kleuren - van zonlicht dat weerkaatst wordt op onze planeet.

Om er zeker van te zijn dat het "groen" van de ene satellietcamera niet het "geel" van de andere is, " elke camera moet worden gekalibreerd tegen een gemeenschappelijke bron terwijl hij in de ruimte is. De maan is een handig doelwit omdat, in tegenstelling tot de aarde, het heeft geen atmosfeer en het oppervlak verandert heel weinig.

In theorie, als wetenschappers de relatieve uitlijning van de zon kennen, Maan en satelliet, ze zouden in staat moeten zijn om de hoeveelheid licht die van de maan komt te voorspellen. specifiek, wetenschappers zijn geïnteresseerd in het meten van de "spectrale bestraling" van licht dat door de maan wordt gereflecteerd - dat wil zeggen, de hoeveelheid energie per oppervlakte-eenheid in discrete bandbreedtes van golflengte.

"Er is een model dat voorspelt, op basis van waar je vandaan kijkt en waar de maan en de zon zijn, wat de spectrale bestraling zal zijn, " zei NIST-natuurkundige John Woodward. Maar vanwege onzekerheden over de ware helderheid van de maan, zelfs de beste kalibraties van tegenwoordig zijn slechts tot op 3% tot 5% nauwkeurig.

Wetenschappers willen deze onnauwkeurigheid graag terugbrengen tot minder dan 1%. Hoe nauwkeuriger de kalibraties, hoe meer vertrouwen onderzoekers kunnen hebben in satellietbeelden van de aarde.

Waarom was er niet eerder een hogere nauwkeurigheid mogelijk? Vooral omdat op aarde gebaseerde detectoren door de atmosfeer van de aarde naar het maanlicht moeten kijken, die sommige golflengten van licht meer absorbeert dan andere op manieren die niet volledig voorspelbaar zijn, zei Woodward.

Het lanceren van de detectoren in de ruimte lost dit probleem op door onderzoekers in staat te stellen ongehinderd maanlicht te verzamelen. Maar het vormt een andere uitdaging:eenmaal in de ruimte, de instrumenten zijn effectief ontoegankelijk, dus wetenschappers kunnen ze niet goed kalibreren voor elke meting.

Om betere maanlichtgegevens te verzamelen, onderzoekers hebben twee dingen nodig:een duidelijk zicht op de maan met minimale interferentie van de atmosfeer, en fysieke toegang tot de detectoren voor frequente kalibraties.

Hoe een maanstraal te vangen?

Met behulp van NASA's ER-2-vliegtuig op grote hoogte, het NIST-team heeft maanlicht gemeten over het hele zichtbare lichtspectrum en ook in het nabij-infraroodspectrum, van ongeveer 380 nanometer (het blauwste licht dat onze ogen kunnen zien) tot 1, 000 nanometer (roder dan onze ogen kunnen zien). Elke bandbreedte die ze maten was extreem smal - slechts enkele nanometers breed.

De ER-2 is ontworpen om wetenschappelijke apparatuur boven het grootste deel van de atmosfeer te brengen voor observaties die uren achter elkaar duren. In de kleine cockpit is ruimte voor een enkele piloot in een ruimtepak. De onderzoeksapparatuur van NIST is opgeslagen in een lange container onder een van de vleugels van het vliegtuig. Een opening aan de bovenkant van deze pod geeft de telescoop en camera een duidelijk zicht op de maan.

Wetenschappers die de diensten van het vliegtuig willen gebruiken, moeten instrumenten bouwen die voldoen aan strenge specificaties voor gewicht en afmetingen - een uitdaging voor het NIST-team.

"Het was veel meer techniek dan we hadden verwacht, " zei Woodward. "Op 70, 000 voet, er is heel weinig atmosferische druk. En het is ongeveer -60 graden C, dus het is erg koud."

Vooral, ze moesten een temperatuur- en drukgecontroleerde container maken voor hun data-acquisitiesysteem, die normaal gesproken niet kunnen functioneren op zulke grote hoogten.

Met een gewicht van ongeveer 225 kilogram (ongeveer 500 pond) in totaal, De uitrusting van NIST omvat een telescoop om het maanlicht te verzamelen, een camera die wordt gebruikt om de maan te lokaliseren, en een LED-lichtbron die wordt gebruikt om te controleren of het systeem gekalibreerd blijft gedurende de tijd die het vliegtuig nodig heeft om op hoogte te komen.

De sleutel om de onzekerheden over deze metingen zo laag mogelijk te houden, is de gemakkelijke toegang van de onderzoekers tot het apparaat direct voor en na de vlucht, zei Woodward. Net voor het opstijgen en net na de landing, het team kalibreert de apparatuur op de grond, met behulp van een stabiele lichtbron die al goed is gekarakteriseerd. Dit soort testen voor en na de vlucht zou niet mogelijk zijn als de onderzoekers probeerden de informatie te verzamelen met een satelliet die de ruimte in werd gelanceerd.

De resultaten van de vluchten van november zouden "van aanzienlijk nut moeten zijn voor de satellietkalibratiegemeenschap, " zei NIST-natuurkundige Stephen Maxwell. Bovendien, de gegevens zullen het NIST-team helpen zich voor te bereiden op een ander maanlichtverzamelingsexperiment.

Alvorens het air-LUSI-project te starten, NIST-onderzoekers hadden een methode ontwikkeld om de atmosfeer elke nacht te karakteriseren, zodat het in wezen kan worden afgetrokken van metingen op de grond. Het team is van plan deze methode te gebruiken in een maanlichtverzamelingsexperiment in het Mauna Loa Observatorium in Hawaï, op een plaats ongeveer 3, 400 meter (11, 150 voet) hoog.

Hoewel een grondgebaseerd experiment veel voordelen heeft, inclusief langere kijkperiodes en gemakkelijker toegang tot apparatuur, het Mauna Loa-systeem zal nog steeds door tientallen kilometers (honderdduizenden voet) maanlichtspectrumverstorende atmosfeer moeten turen.

"Het Mauna Loa-observatorium is een van de beste atmosfeerlocaties die je kunt observeren, Woodward zei. "Maar dat bleef de vraag:kunnen we de atmosfeer volledig verwijderen?" Het verzamelen van maanlicht van bovenaf het grootste deel van de atmosfeer zal onderzoekers helpen het model te verfijnen dat ze zullen gebruiken voor het Mauna Loa-experiment.

"De gegevens die we deze maand hebben verzameld, zien er heel mooi uit, Woodward zei. "Het hele team heeft geweldig werk geleverd om dit instrument te laten vliegen, en het ER-2-team van Armstrong is een geweldige partner geweest om dit tot een succes te maken."