Mike Krainak (à gauche) et Diego Janches ont récemment remporté un financement de suivi de la NASA pour faire avancer un lidar de sodium spatial nécessaire pour sonder la mésosphère mal comprise de la Terre. Crédit :NASA/W. Hrybyk
Une équipe de scientifiques et d'ingénieurs de la NASA pense maintenant pouvoir tirer parti des avancées récentes dans un instrument de détection des effets de serre pour construire le premier lidar au sodium spatial au monde pour étudier la mésosphère mal comprise de la Terre.
Le scientifique Diego Janches et les experts laser Mike Krainak et Tony Yu, qui travaillent tous au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, mènent un effort de recherche et développement pour faire progresser le lidar sodium, que le groupe envisage de déployer sur la Station spatiale internationale s'il parvient à prouver sa navigabilité.
Le Center Innovation Fund de la NASA et les programmes Heliophysics Technology and Instrument Development for Science financent désormais la maturation de l'instrument. Cependant, le concept tire son héritage en partie des investissements passés de la NASA dans des instruments lidar prometteurs, appelés sondeurs, créé à l'origine pour mesurer le dioxyde de carbone et le méthane dans l'atmosphère terrestre.
De sa couchette sur l'avant-poste en orbite, l'instrument éclairerait la relation complexe entre la chimie et la dynamique de la mésosphère qui se trouve à 40-100 miles au-dessus de la surface de la Terre, la région où l'atmosphère terrestre rencontre le vide de l'espace.
Compte tenu des progrès réalisés par les chercheurs avec les instruments de sondage d'observation de la Terre, couplé à l'héritage de Goddard dans la technologie laser, ils sont optimistes quant au succès final de l'instrument.
Le grand effet de levier
"Ce que nous faisons, c'est tirer parti de ce que nous avons appris avec les sondeurs de CO2 et de méthane, ", a déclaré Krainak. Les deux instruments ont démontré dans plusieurs campagnes aériennes qu'ils mesurent avec précision les gaz à effet de serre à l'aide du lidar.
Le lidar consiste à envoyer une lumière laser à la surface de la Terre. Comme tous les gaz atmosphériques, le dioxyde de carbone et le méthane absorbent la lumière dans des bandes de longueur d'onde étroites. En réglant le laser sur ces raies d'absorption, les scientifiques peuvent détecter puis analyser le niveau de gaz dans ce trajet vertical. Plus il y a de gaz le long du chemin de la lumière, plus les raies d'absorption sont profondes.
Avec le financement du développement technologique de la NASA, une équipe de scientifiques et d'ingénieurs Goddard développera un instrument lidar au sodium destiné à être utilisé dans l'espace. Cette image montre la maquette du laboratoire. Crédit :NASA/W. Hrybyk
"Le même principe s'applique ici, " a déclaré Janches. " Au lieu de dioxyde de carbone et de méthane, nous détectons le sodium à cause de ce qu'il peut nous dire sur la dynamique à petite échelle qui se produit dans la mésosphère."
Le sodium, sixième élément le plus abondant de la croûte terrestre, est un traceur utile pour caractériser la mésosphère. Bien que cette couche atmosphérique contienne d'autres granules de métaux, y compris le fer, magnésium, calcium, et le potassium, tous produits par l'évaporation de la poussière extraterrestre lorsqu'elle rencontre l'atmosphère terrestre, le sodium est le plus facile à détecter. Littéralement, une couche de sodium existe dans la mésosphère.
En raison de sa relative abondance, le sodium fournit des données à plus haute résolution qui peuvent révéler plus d'informations sur la dynamique à petite échelle se produisant dans la haute atmosphère. De là, les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur la façon dont les conditions météorologiques dans la basse atmosphère influencent la frontière entre l'atmosphère et l'espace.
Le groupe a commencé à développer son instrument, qui est réglé électroniquement sur la plage de 589 nanomètres, ou lumière jaune. En orbite, le lidar pulserait rapidement la lumière au niveau de la couche mésosphérique, sur un à trois kilomètres sur une bande de quatre à huit kilomètres de large.
L'interaction de la lumière avec les particules de sodium les ferait briller ou résonner. En détectant le retour de flamme, le spectromètre embarqué du lidar analyserait la lumière pour déterminer combien de sodium résidait dans la mésosphère, sa température, et la vitesse à laquelle les particules se déplaçaient.
Les scientifiques ont utilisé des lidars de sodium dans des mesures au sol pendant au moins quatre décennies, mais ils n'ont jamais recueilli de mesures depuis l'espace. Par conséquent, les données sont limitées dans le temps et dans l'espace et n'offrent pas une image globale de la dynamique. Avec un lidar de sodium spatioporté spécialement conçu, cependant, les scientifiques seraient capables d'éclairer des zones spécifiques, révélant les dynamiques à petite échelle qui sont actuellement la plus grande inconnue, dit Janches.
L'équipe utilisera le financement de la NASA pour affiner la technologie qui verrouille le lidar sur les lignes de sodium. "C'est comme une corde de guitare, " expliqua Krainak. " Si vous voulez un certain ton, vous devez verrouiller la chaîne à une longueur particulière. C'est la même chose avec la longueur de la cavité laser."
L'équipe prévoit également de faire la démonstration d'une unité d'essai technique du laser testée pour l'environnement, portant ainsi son niveau de maturité technologique à six, ce qui signifie que la technologie est prête pour le développement du vol.
"Nous avons fait des progrès significatifs sur le laser, " dit Krainak. " Si nous gagnons, nous pourrions être le premier spectromètre laser au sodium spatial pour la télédétection."
