Les connaissances et la technologie tirées de la création d'un instrument de mesure du carbone pour les études du climat terrestre sont exploitées pour en construire un autre qui profilerait à distance, pour la première fois, vapeur d'eau jusqu'à neuf milles au-dessus de la surface martienne, ainsi que la vitesse du vent et les minuscules particules en suspension dans l'atmosphère de la planète.

Les scientifiques Jim Abshire et Scott Guzewich, à la fois au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, ont remporté un financement de développement technologique de la NASA pour construire et démontrer un petit prototype de lidar atmosphérique pour un futur atterrisseur sur Mars, et peut-être Titan, La plus grosse lune de Saturne et la seule à avoir une atmosphère dense.

Sélectionné pour un développement ultérieur par le programme Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations (PICASSO) de l'agence, le concept tire son héritage d'autres instruments de type similaire conçus à l'origine dans le cadre du programme de recherche et de développement internes de Goddard (IRAD). Une autre technologie soutenue par l'IRAD, un spectromètre de masse Raman, a également reçu un financement PICASSO.

Comprendre la couche limite

Abshire et Guzewich sont particulièrement intéressés par l'obtention de mesures de la couche limite de Mars, une section atmosphérique qui commence à la surface et peut s'étendre jusqu'à neuf milles au-dessus, selon l'heure de la journée. Parce que cette couche est difficile à mesurer depuis l'orbite, l'équipe souhaite déployer le lidar sur un atterrisseur ou un rover qui recueillerait directement des données 24 heures sur 24 à partir de la surface, des données qui pourraient révéler comment les conditions changent au fil du temps et de l'altitude.

Cette couche est importante car elle contrôle le transfert de chaleur, élan, poussière, et de l'eau et peut révéler de meilleures informations sur le climat moderne de la planète, notamment la stabilité de ses calottes glaciaires, comment le vent façonne le paysage, et comment la poussière est soulevée et transportée. Par ailleurs, les scientifiques peuvent utiliser ces données pour valider et améliorer les modèles de circulation générale, dit Guzewich.

« Du point de vue des vols spatiaux habités, cette couche est également critique pour les opérations, " a déclaré Abshire. " C'est l'environnement dans lequel les missions débarquées fonctionneront. "

La NASA a déjà fait atterrir des lidars atmosphériques, mesurer avec succès les vents ainsi que les aérosols, y compris la poussière et la glace, mais cet instrument particulier fournirait l'élément manquant :des mesures directes de la vapeur d'eau dans des colonnes verticales au-dessus de la surface.

"Nous sommes motivés par des questions scientifiques, " a déclaré Guzewich. "Nous voulons mesurer la vapeur d'eau et les vents en même temps. L'essentiel est de comprendre l'eau et la façon dont elle se déplace dans l'atmosphère. Nous savons où est l'eau, nous ne savons tout simplement pas comment ça bouge."

Découvrir, le lidar ferait rebondir une lumière laser réglée sur 1911 nanomètres - une longueur d'onde spécifique dans la bande proche infrarouge idéale pour détecter la vapeur d'eau - dans le ciel, puis analyserait la lumière ou le signal réfléchi pour en savoir plus sur la dynamique atmosphérique se produisant de la surface à neuf milles au-dessus de la surface. Equipé d'une graine de sésame de la taille, détecteur infrarouge déjà développé, l'instrument serait capable de détecter le signal de retour à un niveau de photon unique, offrant une résolution sans précédent.

Patrimoine IRAD

"Notre approche pour profiler la vapeur d'eau atmosphérique et les vents à l'aide d'un lidar à 1911 nanomètres est nouvelle, " dit Abshire.

Cependant, lui et ses collègues ont une vaste expérience dans le développement d'instruments lidar atmosphériques. Pour les sciences de la Terre, ils ont construit le lidar Co2 Sounder réglé à 1572 nanomètres, qui est efficace pour mesurer le dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Le nouveau lidar tire également son héritage du Mars Lidar for Global Climate Measurements from Orbit, qu'Abshire envisageait comme un instrument en orbite pour mesurer la vitesse du vent.

Le défi est de produire un instrument robuste, pratique, pourtant assez petit pour tenir sur un rover. « Notre défi est de montrer que nous pouvons le faire. Heureusement, nous pouvons compter sur les capacités uniques de Goddard, dit Abshire. « Nous avons de grandes capacités dans le lidar, lasers spatiaux, et détecteurs. Il n'y a vraiment aucun autre endroit qui combine toutes ces capacités et cette expertise."

Spectromètre de masse Raman

Le chercheur principal de Goddard, Andrej Grubisic, a également remporté un prix PICASSO de trois ans pour faire progresser RAMS, abréviation de RAman-spectromètre de masse. La spectroscopie Raman et la spectrométrie de masse sont deux techniques de chimie analytique courantes pour déterminer la composition de l'échantillon grâce à l'identification de molécules individuelles et de minéraux spécifiques. Avec son prix PICASSO, Grubisic a déclaré que lui et l'équipe RAMS prévoyaient de démontrer un instrument hybride qui serait capable d'acquérir des cartes de composition au niveau du micron de molécules organiques et de phases minérales qui existent dans des échantillons recueillis sur des comètes et des astéroïdes ainsi qu'à partir d'échantillons acquis sur les lunes glacées en le système solaire extérieur,

De telles mesures donneraient aux scientifiques les informations nécessaires pour les aider à comprendre l'origine de la matière organique dans le système solaire, l'habitabilité des autres planètes, et le potentiel de vie au-delà de la Terre.