Ett nytt instrument med ögat på månen lyfter ombord på ett NASA-plan på hög höjd för att mäta månens ljusstyrka och så småningom hjälpa jordobservationssensorer att göra mer exakta mätningar.

Det luftburna Lunar Spectral Irradiance Instrument (air-LUSI) flyger ombord på NASA:s ER-2-flygplan. ER-2 kan sväva över molnen, ca 70, 000 fot över marken. Flygningarna, som inträffar på natten för att undvika spritt ljus från solen, började den 13 november och kommer att avslutas den 17 november från NASA:s Armstrong Flight Research Center i Palmdale, Kalifornien.

Det NASA-finansierade instrumentet "mäter hur mycket solljus som reflekteras av månen i olika faser för att exakt karakterisera den och utöka hur månen används för att kalibrera jordobservationssensorer", sa Kevin Turpie, professor vid University of Maryland, Baltimore County, leder luft-LUSI-satsningen. Turpie och hans team finansieras av NASA:s Earth Science Division och National Institute of Standards and Technology (NIST).

Hur månen hjälper jordsensorer

Jordobserverande sensorer, som Visible Infrared Imaging Radiometric Suite (VIIRS) ombord på NASA/NOAA/DOD Suomi National Polar-orbiting Partnership-satelliten och NOAA-20 meteorologiska satelliten, samla bilder av molntäcke, landyta och havsfärg. Även om dessa sensorer flitigt gör sitt jobb, de måste också stå emot högenergipartiklar och motstå ultraviolett ljus, som försämrar deras sensorer med tiden.

För att ta hänsyn till eventuella förändringar i känslighet, VIIRS och andra satellitinstrument kalibrerar sina sensorer genom att titta på en känd referens och jämföra hur det senaste utseendet jämförs med tidigare. Om sensorn ser referensen annorlunda än tidigare, den vet att den behöver kalibrera om eller justera sin känslighet.

För närvarande, många instrument bär ett ogenomskinligt eller vitt material, kallas diffusor, som reflekterar solljus och fungerar som en referens för sensorkalibrering. Dock, även om solen ger en stadig uteffekt, dess starka strålar försämrar diffusorn med tiden. Månen, å andra sidan, är en idealisk diffusor eftersom dess reflektans av solljus är stabil och mer lik jordens i ljusstyrka.

Forskare har länge känt till månens potential. "Inte långt efter Apollo-programmet, en grupp vid U.S. Geological Survey (USGS) utvecklade ett sätt att karakterisera månen så att jordens observationssatelliter kunde använda den för kalibrering, sa Turpie.

USGS Robotic Lunar Observatory (ROLO) i Flagstaff, Arizona, mätte månen på månadsbasis från 1995 till 2003. Tom Stone, en vetenskapsman vid USGS, tillsammans med Hugh Kieffer, en före detta vetenskapsman vid USGS, utvecklat en ROLO-baserad modell som har och fortsätter att användas för att hjälpa till att kalibrera jordobservationssensorer i instrument, som SeaWiFS, som verkade från 1997 till 2010 och mätte havets färg för att övervaka växtplankton. SeaWiFS tittade på månen regelbundet för att notera eventuella förändringar i instrumentets känslighet.

Även om många kalibreringsteam för jordobservationsuppdrag använder ROLO, det kan finnas stora avvikelser i deras månkalibreringsdata, sa Stone. Förhoppningen är att air-LUSI:s mycket noggranna mätningar kommer att karakterisera dessa avvikelser och avgöra om de orsakas av interna fördomar i ROLO-modellen eller något annat. "Vi kan inte validera ROLO-kalibreringar till bättre än 5 %, " sa Stone. "Air-LUSI kan förbättra ROLO eller avgöra vad som behöver förbättras."

Air-LUSIs nya instrument kan erhålla mycket noggranna månspektrala bestrålningsmätningar som kommer att ha den lägsta osäkerheten någonsin (mindre än 1%), Turpie sa, som etablerar månen som en absolut kalibreringsreferens och hjälper fjärranalysforskare att avgöra om jordobservationssensorer, som VIIRS, registrerar faktiska förändringar på jorden eller förändringar i deras instrument.

Även om jordobservationsuppdrag kan titta på månen vid samma tidpunkt och fas varje månad som ett sätt att lägga märke till trender i deras instruments känslighet, de har ännu inte kunnat använda månen som en absolut kalibreringsreferens, Kurt Thome, en projektforskare för jordobservationsuppdrag vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, sa.

Vad innebär det att vara en absolut kalibreringsreferens? Om du jämför två personer som står bredvid varandra, det är lätt att se vilken person som är högst. Dock, om dessa två människor befinner sig i var sin ände av världen, det enda sättet att jämföra deras höjder skulle vara med en absolut referens, som en linjal. Air-LUSI siktar på att göra månen till en absolut kalibreringsreferens, vilket innebär att ett instrument bara behöver titta på månen en gång för att bestämma instrumentets absoluta känslighet, medan man jämför utseende över tid för att se om instrumentet förändras, sa Thome.

En samverkan

För att samla information om månen, air-LUSI inkluderar tre delsystem, som kräver expertis från flera organisationer, sa Turpie. Hans team inkluderar personer från NIST, USGS, University of Guelph i Ontario, Kanada och NASA.

Den första komponenten kallas IRIS, förkortning för Irradiance Instrument Subsystem, och designades av NIST. Den innehåller ett instrument som kan ta exakta mätningar av månen medan du sitter i en temperatur- och tryckkontrollerad inneslutning.

Den andra komponenten är ett robotteleskopfäste som kallas ARTEMIS (Autonomous, Robotic Telescope Mount Instrument Subsystem) designad och byggd av University of Guelph. ARTEMIS har en kamera som skannar himlen tills den hittar månen och riktar teleskopet att peka på den och hålla den låst på plats, oavsett flygplanets rörelse.

Den sista komponenten är High-altitude ER-2 Adaptation, eller HERA. HERA inkluderar all bindväv, som kablar och monteringsutrustning, som håller ihop instrumentet och mot planet, såväl som de termiskt stabiliserande komponenterna. Air-LUSI kan registrera data under flygning och ladda ner data från planet till marken.

Ett litet steg för air-LUSI, ett stort steg för geovetenskap

Inom en snar framtid, en operativ vädersatellit skulle tjäna på att kunna se till månen som en absolut kalibreringsreferens, sa Thome. Detta inkluderar de för närvarande flygande satelliterna Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi NPP) och Joint Polar Satellite System-20 (JPSS), såväl som de som kommer i framtiden från både NOAA och deras internationella partners. Varje satellit skulle kunna kalibrera sina instrument efter månen för att jämföra hur dess sensorer håller emot de andra satelliternas sensorer, sa Thome.

NASA:s kommande Ocean Color Imager, ombord på satelliten Phytoplankton Aerosols Clouds and ocean Ecology (PACE), avser också att använda månen för kalibrering, sa Turpie.

"Air-LUSIs månmätningar gör det lättare för människor att motivera att använda månen för att kalibrera sina instrument, sa Thome.