Insikter och teknik från att skapa ett kolmätningsinstrument för jordens klimatstudier utnyttjas för att bygga ett annat som på distans skulle profilera, för första gången, vattenånga upp till nio miles över Mars yta, tillsammans med vindhastigheter och små partiklar suspenderade i planetens atmosfär.

Forskarna Jim Abshire och Scott Guzewich, båda vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har vunnit finansiering för NASAs teknikutveckling för att bygga och demonstrera en liten prototyp av atmosfärisk lidar för en framtida landare på Mars, och möjligen Titan, Saturnus största måne och den enda som har en tät atmosfär.

Vald för vidareutveckling av myndighetens Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations (PICASSO)-program, konceptet spårar sitt arv till andra liknande instrument som ursprungligen skapades genom Goddards program för intern forskning och utveckling (IRAD). En annan IRAD-stödd teknik, en Raman-masspektrometer, fick också PICASSO-medel.

Förstå gränsskiktet

Abshire och Guzewich är särskilt intresserade av att få mätningar av Mars gränsskikt, en atmosfärisk sektion som börjar vid ytan och kan sträcka sig så högt som nio miles ovanför, beroende på tid på dygnet. Eftersom detta lager är svårt att mäta från omloppsbana, teamet vill distribuera lidar på en lander eller rover som direkt samlar in dygnet runt-data från ytan och uppåt – data som kan avslöja hur förhållandena förändras över tid och höjd.

Detta lager är viktigt eftersom det kontrollerar värmeöverföringen, Momentum, damm, och vatten och kan avslöja större insikter om planetens moderna klimat, inklusive stabiliteten på dess inlandsisar, hur vinden formar landskapet, och hur damm lyfts och transporteras. Vidare, forskare kan använda dessa data för att validera och förbättra allmänna cirkulationsmodeller, sa Guzewich.

"Från ett mänskligt rymdfartsperspektiv, detta lager är också kritiskt för verksamheten, "Abshire sa. "Detta är miljön där landade uppdrag kommer att fungera."

NASA har landat atmosfäriska lidarer tidigare, framgångsrikt mäta vindar såväl som aerosoler, inklusive damm och is, men just detta instrument skulle ge det saknade elementet - direkta mätningar av vattenånga i vertikala kolonner ovanför ytan.

"Vi motiveras av vetenskapliga frågor, ", sa Guzewich. "Vi vill mäta vattenånga och vindar samtidigt. Hela poängen är att förstå vatten och hur det flyttas runt genom atmosfären. Vi vet var vattnet är, vi vet bara inte hur det rör sig."

Att få reda på, lidaren skulle studsa ett laserljus avstämt till 1911 nanometer – en specifik våglängd i det nära-infraröda bandet idealiskt för att detektera vattenånga – till himlen och sedan analysera det reflekterade ljuset eller signalen för att lära dig mer om den atmosfäriska dynamiken som inträffar från ytan till nio mil över ytan. Utrustad med en sesamfröstor, redan utvecklad infraröd detektor, instrumentet skulle kunna känna av den återkommande signalen på en enfotonnivå, ger oöverträffad upplösning.

IRAD arv

"Vår metod för att profilera atmosfärisk vattenånga och vindar med hjälp av en lidar på 1911 nanometer är ny, " sa Abshire.

Dock, han och hans kollegor har stor erfarenhet av att utveckla atmosfäriska lidarinstrument. För geovetenskap, de byggde Co2 Sounder lidar inställd på 1572 nanometer, som är effektiv för att mäta koldioxid i atmosfären. Den nya lidaren spårar också sitt arv till Mars Lidar för globala klimatmätningar från orbit, som Abshire föreställde sig som ett instrument i omloppsbana för att mäta vindhastigheter.

Utmaningen är att ta fram ett instrument som är robust, praktisk, men ändå tillräckligt liten för att passa på en rover. "Vår utmaning är att visa att vi kan göra detta. Lyckligtvis, vi kan lita på Goddards unika kapacitet, sa Abshire. "Vi har stor kapacitet inom lidar, rymdlasrar, och detektorer. Det finns verkligen ingen annan plats som kombinerar all denna förmåga och expertis."

Raman-masspektrometer

Goddards huvudutredare Andrej Grubisic vann också ett treårigt PICASSO-pris för att främja RAMS, förkortning för RAMan-massspektrometer. Ramanspektroskopi och masspektrometri är två vanliga analytiska kemitekniker för att bestämma provsammansättning genom identifiering av enskilda molekyler och specifika mineraler. Med sitt PICASSO-pris, Grubisic sa att han och RAMS-teamet planerar att demonstrera ett hybridinstrument som skulle kunna förvärva sammansättningskartor på mikronnivå av organiska molekyler och mineralfaser som finns i prover som samlats på kometer och asteroider samt från prover som tagits på de isiga månarna i det yttre solsystemet,

Sådana mätningar skulle ge forskare den nödvändiga informationen för att hjälpa dem att förstå ursprunget till organiskt material i solsystemet, andra planeters beboelighet, och potentialen för liv bortom jorden.