NASA-forskare har hittat ett sätt att anpassa en handfull nyutvecklad teknik för att bygga ett nytt instrument som kan ge dem vad de ännu inte har fått:aldrig tidigare avslöjade detaljer om vindarna på Mars och slutligen Titan, Saturns största måne.

Vi är stolta över att utnyttja ny teknik, "sa Mike Smith, en planetvetare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Smith samarbetar med Goddard fjärranalyserare Jim Abshire för att skapa en experimentell eller demonstrationstestmodell av MARLI, kort för MARs LIdar för globala klimatmätningar från omloppsbana. "Varför börja om från början när du kan anpassa ny teknik?" Smith sa.

NASA:s första planetariska Lidar

Den experimentella MARLI, som teamet tror kommer att vara mogna nog att föreslå för ett framtida orbiteruppdrag om ett par år, kan bli NASA:s första planetariska vindlidar. Dess huvudsakliga uppgift skulle vara att profilera den vertikala fördelningen av atmosfäriska aerosoler, inklusive damm- och ispartiklar, och mät vindhastigheter direkt för att bestämma hur dessa förhållanden förändras över tiden, plats, och säsong.

Denna information är avgörande för att förstå allt från transport av potentiella biomarkörer, som metan, att ge input för globala cirkulationsmodeller av atmosfären som, bland annat, hjälpa till att bestämma säkra och exakta landningsplatser för rymdfarkoster.

Även om teamet uppfattade MARLI som ett potentiellt nästa generations instrument för att sondera Mars tunna atmosfär och avancerade konceptet genom NASAs Planetary Instrument Concepts for Advancement of Solar System Observations, eller PICASSO, program, en modifierad version kan också användas för att undersöka Titan, Sa Abshire. Han och hans team vann nyligen ytterligare forsknings- och utvecklingsfinansiering från NASAs Maturation of Instruments for Solar System Exploration, eller MatISSE -programmet, att ytterligare avancera MARLI och göra nödvändiga justeringar för att möjliggöra Titan -undersökningar.

"Efter 20 plus år med lansering av banor och rovers, vi har lärt oss mycket om miljöförhållanden på Mars, inklusive temperaturer och atmosfäriska gaser, "Smith fortsatte. Han tillade, dock, att forskare har fått väldigt få direktmätningar av vindarna, som Mars -rovers har klockat i 45 miles per timme eller snabbare. Och även om Mars har en atmosfär med låg densitet, vindarna är ofta tillräckligt starka för att helt omsluta planeten i damm. "Om vi ​​skulle skriva en lista över de saker vi inte vet, vindar skulle toppa listan. "

Om forskare vet lite om marsvindar, de vet ännu mindre om atmosfäriska aerosoler och dynamik på Titan, som är den enda månen som rymmer en tät atmosfär och det enda objektet - förutom jorden - som har stabila vätskekroppar på ytan, Tillade Abshire.

Lösningen

MARLI kan ge en lösning, dess utvecklare tror. Från sin bana runt Mars eller Titan, dess stråle skulle vara spetsad ungefär 30 grader från nadir (direkt under rymdfarkosten). I den riktningen, instrumentet skulle fungera ungefär som Doppler -radar, ett slags specialiserad radar som mäter hastighet. Det gör detta genom att studsa en mikrovågssignal från ett önskat mål och analysera hur objektets rörelse förändrar frekvensen för den returnerade signalen. Dock, istället för radio eller mikrovågor, MARLI skulle kontinuerligt pulsera infrarött ljus mot ytan med sin inbyggda laser.

På grund av förekomsten av damm och ispartiklar i atmosfären, något ljus skulle spridas innan det kunde nå ytan och en del av det ljuset skulle ta sig tillbaka till MARLI:s inbyggda teleskop, som skulle samla de återvändande backscatter -signalerna och leda dem till instrumentets detektorer. De resulterande uppgifterna skulle inte bara avslöja hur snabbt vinden blåser, men också fördelningen av damm och is i den delen av atmosfären. Sådana mätningar runt om i världen skulle ge forskare en tredimensionell bild av damm- och vindstrukturen på Mars och hur den förändras med tiden, plats, och säsong.

"Vår strategi har stor sannolikhet för framgång. Den utnyttjar viktiga laser- och mottagartekniker från tidigare rymdlidaruppdrag, och annan utveckling, "inklusive några som har kartlagt ytan eller topografierna på Mars, Kvicksilver, och månen, Sa Abshire. "Det svåraste är att åka till Mars, "Tillade Smith.

Anpassning av teknik och mätmetoder

MARLIs laser, ska byggas av Herndon, Virginia-baserade Fibertek, Inc., är en anpassning av enheten som företaget utvecklat för det Goddard-utvecklade Cloud Aerosol Transport System, eller CATS. Även om det ursprungligen tänktes som ett flygplanbaserat instrument, CATS -utvecklare modifierade instrumentet och lanserade det till den internationella rymdstationen 2015 där det samlade mer exakta globala profiler av jordens moln och atmosfäriska aerosoler. Efter 33 månader i omloppsbana, instrumentet avslutade verksamheten i slutet av 2017.

MARLIs teleskop, vidare, är en anpassning av den som används på Mars Orbiter Laser Altimeter, ett instrument som flög på rymdfarkosten Mars Global Surveyor, och dess vindmätningsteknik liknar den som demonstrerades av ett luftburet instrument som kallas Tropospheric Wind Lidar Technology Experiment, även känd som TWiLiTE.

Och dess detektorteknik, skapad av teammedlem Xiaoli Sun och hans branschpartner, Dallas, Texas-baserade DRS-tekniker, representerar en ny teknik anpassad för vindmätningar. Detektorn är världens första fotonräknande detektor som är känslig för det mellersta infraröda våglängdsbandet-en spektral sötpunkt för flera fjärranalysapplikationer, inklusive upptäckt av is.

Tillsammans med en enhet som omvandlar de återvändande signalerna till faktiska fotonantal, detektorn är unik. Varje sesamfröstorleksdetektor registrerar varje konverterad foton i retursignalen, ger det en känsla utan motstycke. Förutom att vara baserad för MARLI, detektortekniken har hittat hem i två luftburna laserinstrument som Abshire och Haris Riris, en annan MARLI -teammedlem, utformad för att mäta koldioxid och metan i jordens atmosfär.

På grund av denna hävstångseffekt, "MARLI är unikt kapabel att besvara dessa viktiga vetenskapliga frågor med ett enda instrument, "Sa Abshire." Detta gör att vi bättre kan förstå de saker som händer i atmosfären, inklusive transport av damm och ispartiklar - uppkomsten av dammstormar. Just nu, dessa grundläggande frågor kvarstår. "