Un nuovo strumento con l'occhio sulla Luna sta decollando a bordo di un aereo della NASA ad alta quota per misurare la luminosità della Luna e alla fine aiutare i sensori di osservazione della Terra a effettuare misurazioni più accurate.

Il Lunar Spectral Irradiance Instrument (air-LUSI) sta volando a bordo dell'aereo ER-2 della NASA. L'ER-2 è in grado di librarsi sopra le nuvole, circa 70, 000 piedi dal suolo. I voli, che si verificano di notte per evitare la luce diffusa del Sole, è iniziato il 13 novembre e si concluderà il 17 novembre dall'Armstrong Flight Research Center della NASA a Palmdale, California.

Lo strumento finanziato dalla NASA sta "misurando la quantità di luce solare riflessa dalla Luna in varie fasi al fine di caratterizzarla con precisione ed espandere il modo in cui la Luna viene utilizzata per calibrare i sensori di osservazione della Terra", disse Kevin Turpie, professore all'Università del Maryland, Contea di Baltimora, guidando lo sforzo air-LUSI. Turpie e il suo team sono finanziati dalla Earth Science Division della NASA e dal National Institute of Standards and Technology (NIST).

Come la Luna aiuta i sensori della Terra

Sensori di osservazione della Terra, come la Visible Infrared Imaging Radiometric Suite (VIIRS) a bordo del satellite NASA/NOAA/DOD Suomi National Polar-orbiting Partnership e il satellite meteorologico NOAA-20, raccogliere immagini di copertura nuvolosa, copertura della superficie terrestre e colore dell'oceano. Mentre questi sensori stanno diligentemente facendo il loro lavoro, devono anche resistere alle particelle ad alta energia e resistere alla luce ultravioletta, che degradano i loro sensori nel tempo.

Per tenere conto di eventuali cambiamenti di sensibilità, Il VIIRS e altri strumenti satellitari calibrano i propri sensori osservando un riferimento noto e confrontando il modo in cui l'aspetto più recente si confronta con quelli precedenti. Se il sensore vede il riferimento in modo diverso da prima, sa che ha bisogno di ricalibrare o regolare la sua sensibilità.

Attualmente, molti strumenti portano un materiale opaco o bianco, chiamato diffusore, che riflette la luce solare e funge da riferimento per la calibrazione del sensore. Però, sebbene il Sole fornisca un'uscita costante, i suoi raggi aggressivi degradano il diffusore nel tempo. La luna, d'altra parte, è un diffusore ideale poiché la sua riflessione della luce solare è stabile e più simile a quella terrestre in luminosità.

Gli scienziati conoscono da tempo il potenziale della Luna. "Non molto tempo dopo il programma Apollo, un gruppo dell'U.S. Geological Survey (USGS) ha sviluppato un modo per caratterizzare la Luna in modo che i satelliti che osservano la Terra possano usarla per la calibrazione, " ha detto Turpie.

Il Robotic Lunar Observatory (ROLO) dell'USGS a Flagstaff, Arizona, ha misurato la Luna mensilmente dal 1995 al 2003. Tom Stone, uno scienziato dell'USGS, insieme a Hugh Kieffer, un ex scienziato con USGS, sviluppato un modello basato su ROLO che è stato e continua ad essere utilizzato per aiutare a calibrare i sensori di osservazione della Terra negli strumenti, come SeaWiFS, che ha operato dal 1997 al 2010 e ha misurato il colore dell'oceano per monitorare il fitoplancton. SeaWiFS ha osservato regolarmente la Luna per notare eventuali cambiamenti nella sensibilità del suo strumento.

Sebbene molti team di calibrazione delle missioni di osservazione della Terra utilizzino ROLO, ci possono essere grandi discrepanze nei loro dati di calibrazione lunare, ha detto la pietra. La speranza è che le misurazioni altamente accurate di air-LUSI caratterizzino tali discrepanze e determinino se sono causate da pregiudizi interni nel modello ROLO o qualcos'altro. "Non possiamo convalidare le calibrazioni ROLO a un valore superiore al 5%, "Stone ha detto. "Air-LUSI può migliorare ROLO o determinare ciò che deve essere migliorato".

I nuovi strumenti di Air-LUSI sono in grado di ottenere misurazioni dell'irradiamento spettrale lunare altamente accurate che avranno l'incertezza più bassa in assoluto (meno dell'1%), Turpie ha detto, che stabilisce la Luna come riferimento assoluto per la calibrazione e aiuta gli scienziati del telerilevamento a determinare se i sensori di osservazione della Terra, come VIIRS, stanno registrando cambiamenti effettivi sulla Terra o cambiamenti nei loro strumenti.

Sebbene le missioni di osservazione della Terra possano guardare la Luna allo stesso tempo e fase ogni mese come un modo per notare le tendenze nella sensibilità dei loro strumenti, non sono ancora stati in grado di utilizzare la Luna come riferimento assoluto di calibrazione, Kurt Thome, uno scienziato del progetto per le missioni di osservazione della Terra presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, disse.

Cosa significa essere un riferimento di calibrazione assoluto? Se confronti due persone in piedi l'una accanto all'altra, è facile vedere quale persona è più alta. Però, se queste due persone sono agli estremi opposti del mondo, l'unico modo per confrontare le loro altezze sarebbe con un riferimento assoluto, come un righello. Air-LUSI punta a fare della Luna un riferimento assoluto di calibrazione, il che significa che uno strumento dovrebbe solo guardare la Luna una volta per determinare la sensibilità assoluta dello strumento, confrontando gli sguardi nel tempo per vedere se lo strumento sta cambiando, disse Thome.

Uno sforzo collaborativo

Per raccogliere informazioni sulla Luna, air-LUSI comprende tre sottosistemi, che richiedono competenze da più organizzazioni, disse Turpie. Il suo team include persone del NIST, l'USGS, l'Università di Guelph in Ontario, Canada e NASA.

Il primo componente si chiama IRIS, abbreviazione di Irradiance Instrument Subsystem, ed è stato progettato dal NIST. Include uno strumento in grado di effettuare misurazioni precise della Luna stando seduti in un recinto a temperatura e pressione controllata.

Il secondo componente è una montatura per telescopio robotica chiamata ARTEMIS (Autonomous, Robotic Telescope Mount Instrument Subsystem) progettato e costruito dall'Università di Guelph. ARTEMIS ha una telecamera che scansiona il cielo fino a trovare la Luna e dirige il telescopio per puntarla e tenerla bloccata in posizione, indipendentemente dal movimento dell'aereo.

Il componente finale è l'Adattamento ER-2 ad alta quota, o HERA. HERA comprende tutto il tessuto connettivo, come cavi e attrezzature di montaggio, che tiene insieme lo strumento e al piano, così come i componenti di stabilizzazione termica. Air-LUSI è in grado di registrare i dati durante il volo e scaricare i dati dall'aereo a terra.

Un piccolo passo per air-LUSI, un passo da gigante per le scienze della Terra

Nel futuro prossimo, un satellite meteorologico operativo trarrebbe vantaggio dalla possibilità di guardare alla Luna come riferimento assoluto di calibrazione, disse Thome. Ciò include i satelliti Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) e Joint Polar Satellite System-20 (JPSS) attualmente in volo, così come quelli che verranno in futuro sia da NOAA che dai loro partner internazionali. Ogni satellite potrebbe calibrare i suoi strumenti dalla Luna per confrontare il modo in cui i suoi sensori resistono ai sensori degli altri satelliti, disse Thome.

Il prossimo Ocean Color Imager della NASA, a bordo del satellite Phytoplancton Aerosols Clouds and ocean Ecology (PACE), intende anche utilizzare la Luna per la calibrazione, disse Turpie.

"Le misurazioni della Luna di Air-LUSI rendono più facile per le persone giustificare l'uso della Luna per calibrare i loro strumenti, " disse Thome.