La planche à pain de l'instrument MARLI est encastrée dans le boîtier transparent à l'arrière-plan. L'objet cylindrique au premier plan avec la coque extérieure argentée est l'étalon optique utilisé dans le récepteur lidar. Crédit :NASA/W. Hrybyk
Les scientifiques de la NASA ont trouvé un moyen d'adapter une poignée de technologies récemment développées pour construire un nouvel instrument qui pourrait leur donner ce qu'ils n'ont pas encore obtenu :des détails jamais révélés auparavant sur les vents sur Mars et finalement Titan, La plus grosse lune de Saturne.
Nous sommes fiers de tirer parti des nouvelles technologies, " a déclaré Mike Smith, un scientifique planétaire au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Smith collabore avec le scientifique en télédétection Goddard Jim Abshire pour créer un modèle de test expérimental ou de démonstration de MARLI, abréviation de MARs LIdar pour les mesures du climat mondial depuis l'orbite. « Pourquoi repartir de zéro quand on peut adapter les technologies récentes ? » dit Smith.
Le premier lidar planétaire de la NASA
Le MARLI expérimental, que l'équipe pense être suffisamment mature pour proposer une future mission d'orbiteur dans quelques années, pourrait devenir le premier lidar éolien planétaire de la NASA. Son travail principal serait de profiler la distribution verticale des aérosols atmosphériques, y compris les particules de poussière et de glace, et mesurer directement les vitesses du vent pour déterminer comment ces conditions changent au fil du temps, emplacement, et saison.
Ces informations sont vitales pour tout comprendre, du transport de biomarqueurs potentiels, comme le méthane, fournir des données pour les modèles de circulation globale de l'atmosphère qui, entre autres, aider à déterminer des emplacements d'atterrissage sûrs et précis pour les engins spatiaux.
Bien que l'équipe ait conçu MARLI comme un instrument potentiel de nouvelle génération pour sonder l'atmosphère mince de Mars et ait avancé le concept grâce aux concepts d'instruments planétaires de la NASA pour l'avancement des observations du système solaire, ou PICASSO, programme, une version modifiée pourrait également être utilisée pour enquêter sur Titan, dit Abshire. Lui et son équipe ont récemment obtenu un financement supplémentaire pour la recherche et le développement du programme Maturation of Instruments for Solar System Exploration de la NASA, ou programme MatISSE, pour faire avancer MARLI et faire les ajustements nécessaires pour permettre les enquêtes sur Titan.
"Après plus de 20 ans de lancement d'orbiteurs et de rovers, nous avons beaucoup appris sur les conditions environnementales sur Mars, y compris les températures et les gaz atmosphériques, " Smith a poursuivi. Il a ajouté, cependant, que les scientifiques ont obtenu très peu de mesures directes des vents, que les rovers martiens ont cadencé à 45 milles à l'heure ou plus vite. Et bien que Mars ait une atmosphère de faible densité, les vents sont souvent assez forts pour envelopper complètement la planète de poussière. "Si nous devions écrire une liste des choses que nous ne savons pas, les vents seraient en tête de liste."
Si les scientifiques connaissent peu les vents martiens, ils en savent encore moins sur les aérosols atmosphériques et la dynamique sur Titan, qui est la seule lune à héberger une atmosphère dense et le seul objet - en dehors de la Terre - à avoir des corps liquides stables à la surface, Abshire ajouté.
Certains des composants de l'instrument MARLI sont montrés ici avec l'équipe qui développe l'instrument. Première rangée (de gauche à droite) :Daniel Cremons et Graham Allan; (dernier rang, de gauche à droite) :Mike Smith, Jim Abshire, Haris Riris, et Xiaoli Sun. Crédit :NASA/W. Hrybyk
La solution
MARLI pourrait apporter une solution, ses développeurs croient. Depuis son orbite autour de Mars ou de Titan, son faisceau serait pointé à environ 30 degrés du nadir (directement sous le vaisseau spatial). Dans cette orientation, l'instrument fonctionnerait un peu comme un radar Doppler, une sorte de radar spécialisé qui mesure la vitesse. Il le fait en faisant rebondir un signal micro-ondes sur une cible souhaitée et en analysant comment le mouvement de l'objet modifie la fréquence du signal renvoyé. Cependant, au lieu de la radio ou des micro-ondes, MARLI émettrait en continu de la lumière infrarouge vers la surface avec son laser embarqué.
En raison de la présence de particules de poussière et de glace dans l'atmosphère, une partie de la lumière se disperserait avant d'atteindre la surface et une partie de cette lumière retournerait au télescope embarqué de MARLI, qui recueillerait les signaux de rétrodiffusion de retour et les dirigerait vers les détecteurs de l'instrument. Les données résultantes révéleraient non seulement à quelle vitesse les vents soufflent, mais aussi la répartition de la poussière et de la glace dans cette partie de l'atmosphère. De telles mesures autour du globe donneraient aux scientifiques une vue en trois dimensions de la structure de la poussière et du vent sur Mars et de son évolution dans le temps, emplacement, et saison.
« Notre approche a une forte probabilité de succès. Elle s'appuie sur les technologies clés de laser et de récepteur des missions lidar spatiales précédentes, et d'autres développements, " y compris certains qui ont cartographié les caractéristiques de surface ou les topographies de Mars, Mercure, et la Lune, dit Abshire. "La partie la plus difficile est de se rendre sur Mars, " ajouta Smith.
L'adaptation des technologies et des approches de mesure
le laser de MARLI, être construit par le Herndon, Fibertek, basée en Virginie, Inc., est une adaptation de l'appareil développé par la société pour le système de transport d'aérosols Cloud développé par Goddard, ou CHATS. Bien que conçu à l'origine comme un instrument embarqué, Les développeurs de CATS ont modifié l'instrument et l'ont lancé vers la Station spatiale internationale en 2015 où il a rassemblé des profils mondiaux plus précis des nuages de la Terre et des aérosols atmosphériques. Après 33 mois en orbite, l'instrument a cessé ses activités fin 2017.
le télescope de MARLI, par ailleurs, est une adaptation de celui utilisé sur l'altimètre laser Mars Orbiter, un instrument qui a volé sur le vaisseau spatial Mars Global Surveyor, et sa technique de mesure du vent est similaire à celle démontrée par un instrument aéroporté appelé Tropospheric Wind Lidar Technology Experiment, également connu sous le nom de TWiLiTE.
Et sa technologie de détection, créé par le membre de l'équipe Xiaoli Sun et son partenaire industriel, le Dallas, DRS Technologies basée au Texas, représente une nouvelle technologie adaptée aux mesures du vent. Le détecteur est le premier détecteur de comptage de photons au monde sensible à la bande de longueur d'onde de l'infrarouge moyen, une zone spectrale idéale pour plusieurs applications de télédétection, y compris la détection de glace.
Couplé à un appareil qui convertit les signaux de retour en nombres de photons réels, le détecteur est unique. Chaque détecteur de la taille d'une graine de sésame enregistre chaque photon converti dans le signal de retour, lui conférant une sensibilité sans précédent. En plus d'être une référence pour MARLI, la technologie du détecteur a trouvé des maisons dans deux instruments laser aéroportés qu'Abshire et Haris Riris, un autre membre de l'équipe MARLI, conçu pour mesurer le dioxyde de carbone et le méthane dans l'atmosphère terrestre.
En raison de cet effet de levier, "MARLI est particulièrement capable de répondre à ces questions scientifiques importantes avec un seul instrument, " a déclaré Abshire. " Cela nous permettra de mieux comprendre les choses qui se passent dans l'atmosphère, y compris le transport de particules de poussière et de glace - la genèse des tempêtes de poussière. À l'heure actuelle, ces questions fondamentales demeurent.
