La settimana scorsa, scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST), la National Aeronautics and Space Administration (NASA), l'United States Geological Survey (USGS) e l'Università di Guelph hanno inviato un telescopio in cima al cielo, quasi allo spazio stesso. Il viaggio è stata una missione di raccolta del chiaro di luna che ha prodotto alcune delle migliori misurazioni mai effettuate della luminosità, o più specificamente la riflettanza superficiale, del vicino più prossimo della Terra, la luna.

L'obiettivo finale del lavoro è migliorare le misurazioni effettuate dai satelliti che guardano la Terra e aiutare i ricercatori a tracciare i modelli meteorologici, tendenze sulla salute delle colture, le posizioni delle fioriture algali dannose nell'acqua e molto altro ancora.

L'attrezzatura del NIST è volata a bordo dell'ER-2 della NASA, un "aereo vicino allo spazio" che viaggia fino a 21 chilometri (circa 13 miglia) sul livello del mare. quel tipo di distanza, il doppio dell'altitudine di crociera di un tipico aereo commerciale, ha ottenuto l'attrezzatura al di sopra del 95% dell'atmosfera terrestre, che interferisce con le misurazioni al chiaro di luna. La missione, chiamata Airborne Lunar Spectral Irradiance Mission (air-LUSI), lanciato dall'Armstrong Flight Research Center della NASA in California.

Vedere la Terra dallo spazio

Centinaia di satelliti rivolti verso la Terra forniscono informazioni sul clima e sulla vegetazione che consentono ai ricercatori di prevedere carestie e inondazioni e possono aiutare le comunità a pianificare la risposta alle emergenze e i soccorsi in caso di calamità. Per raccogliere questi dati cruciali, gli imager spaziali si basano sulla luminosità di diverse lunghezze d'onda, che a volte aiuta a pensare come colori, della luce solare che si riflette sul nostro pianeta.

Per assicurarti che il "verde" di una telecamera satellitare non sia il "giallo" di un'altra, " ogni telecamera deve essere calibrata rispetto a una sorgente comune mentre si trova nello spazio. La Luna è un obiettivo conveniente perché, a differenza della Terra, non ha atmosfera e la sua superficie cambia molto poco.

In teoria, se gli scienziati conoscono l'allineamento relativo del Sole, Luna e satellite, dovrebbero essere in grado di prevedere la quantità di luce proveniente dalla Luna. Nello specifico, gli scienziati sono interessati a misurare l'"irradiamento spettrale" della luce riflessa dalla Luna, cioè, la quantità di energia per unità di area in larghezze di banda discrete di lunghezza d'onda.

"Esiste un modello che prevede, in base a dove stai guardando e dove sono la Luna e il Sole, quale sarà l'irradiamento spettrale, " disse il fisico del NIST John Woodward. Ma a causa delle incertezze sulla vera luminosità della Luna, anche le migliori calibrazioni odierne sono accurate solo tra il 3% e il 5%.

Gli scienziati vorrebbero ridurre questa imprecisione a meno dell'1%. Più accurate sono le calibrazioni, più fiducia possono avere i ricercatori nelle immagini satellitari della Terra.

Perché non sono state possibili precisioni più elevate prima? Principalmente perché i rilevatori terrestri devono scrutare la luce della luna attraverso l'atmosfera terrestre, che assorbe alcune lunghezze d'onda della luce più di altre in modi non completamente prevedibili, Woodward ha detto.

Il lancio dei rilevatori nello spazio risolve questo problema consentendo ai ricercatori di raccogliere la luce della luna senza ostacoli. Ma presenta un'altra sfida:una volta nello spazio, gli strumenti sono effettivamente inaccessibili, quindi gli scienziati non possono calibrarli correttamente prima di ogni misurazione.

Per raccogliere dati migliori al chiaro di luna, i ricercatori hanno bisogno di due cose:una visione chiara della Luna con interferenze minime dall'atmosfera, e l'accesso fisico ai rivelatori per calibrazioni frequenti.

Come catturare un raggio di luna

Usando l'aereo ad alta quota ER-2 della NASA, il team del NIST ha misurato la luce della luna attraverso l'intero spettro visibile della luce e anche nello spettro del vicino infrarosso, da circa 380 nanometri (la luce più blu che i nostri occhi possono vedere) a 1, 000 nanometri (più rossi di quanto i nostri occhi possano vedere). Ogni larghezza di banda misurata era estremamente stretta, larga solo pochi nanometri.

L'ER-2 è progettato per portare l'attrezzatura scientifica sopra la maggior parte dell'atmosfera per osservazioni della durata di ore alla volta. All'interno della minuscola cabina di pilotaggio c'è spazio per un singolo pilota in tuta spaziale. L'attrezzatura di ricerca del NIST è conservata in un lungo contenitore sotto una delle ali dell'aereo. Un'apertura nella parte superiore di questo pod offre al telescopio e alla fotocamera una visione chiara della Luna.

Gli scienziati che vogliono utilizzare i servizi dell'aereo devono costruire strumenti che soddisfino rigorose specifiche di peso e dimensioni, una sfida per il team del NIST.

"Era molto più ingegneristico di quanto avessimo previsto, " ha detto Woodward. "A 70 anni, 000 piedi, c'è pochissima pressione atmosferica. E ci sono circa -60 gradi C, quindi fa molto freddo."

In particolare, hanno dovuto creare un contenitore a temperatura e pressione controllata per il loro sistema di acquisizione dati, che di solito non può funzionare ad altitudini così elevate.

Con un peso di circa 225 chilogrammi (circa 500 libbre) in totale, L'attrezzatura del NIST include un telescopio per raccogliere la luce della luna, una macchina fotografica usata per localizzare la Luna, e una sorgente luminosa a LED utilizzata per verificare che il sistema rimanga calibrato durante il tempo necessario all'aereo per raggiungere la quota.

La chiave per mantenere le incertezze su queste misurazioni il più basse possibile deriva dal facile accesso dei ricercatori all'apparato direttamente prima e dopo il suo volo, Woodward ha detto. Appena prima del decollo e subito dopo l'atterraggio, il team calibra l'attrezzatura a terra, utilizzando una fonte di luce stabile che è già stata ben caratterizzata. Questo tipo di test pre e post volo non sarebbe possibile se i ricercatori provassero a raccogliere le informazioni con un satellite lanciato nello spazio.

I risultati dei voli di novembre dovrebbero essere "di utilità significativa per la comunità della calibrazione satellitare, " ha affermato il fisico del NIST Stephen Maxwell. Inoltre, i dati aiuteranno il team del NIST a prepararsi per un altro esperimento di raccolta al chiaro di luna.

Prima di avviare il progetto air-LUSI, I ricercatori del NIST avevano sviluppato un metodo per caratterizzare l'atmosfera ogni notte, in modo che possa essere sostanzialmente sottratto dalle misurazioni a terra. Il team sta pianificando di utilizzare questo metodo in un esperimento di raccolta al chiaro di luna presso l'Osservatorio di Mauna Loa alle Hawaii, in un sito circa 3, 400 metri (11, 150 piedi) di altezza.

Sebbene un esperimento a terra abbia molti vantaggi, compresi periodi di visualizzazione più lunghi e un accesso più facile alle apparecchiature, il sistema Mauna Loa dovrà ancora scrutare attraverso decine di chilometri (centinaia di migliaia di piedi) di atmosfera che distorce lo spettro della luce lunare.

"L'Osservatorio di Mauna Loa è uno dei migliori siti di atmosfera da cui è possibile osservare, ", ha detto Woodward. "Ma questo ha lasciato la domanda:potremmo liberarci completamente dell'atmosfera?" Raccogliere la luce lunare dall'alto della maggior parte dell'atmosfera aiuterà i ricercatori a perfezionare il modello che useranno per l'esperimento Mauna Loa.

"I dati che abbiamo raccolto questo mese sembrano davvero belli, " ha detto Woodward. "L'intero team ha fatto un ottimo lavoro per far volare questo strumento, e il team ER-2 di Armstrong è stato un ottimo partner nel rendere questo un successo."