Un nouvel instrument avec son œil sur la Lune décolle à bord d'un avion de la NASA à haute altitude pour mesurer la luminosité de la Lune et éventuellement aider les capteurs d'observation de la Terre à effectuer des mesures plus précises.

L'instrument aéroporté d'irradiation spectrale lunaire (air-LUSI) vole à bord de l'avion ER-2 de la NASA. L'ER-2 est capable de planer au-dessus des nuages, environ 70, 000 pieds au-dessus du sol. Les vols, qui se produisent la nuit pour éviter la lumière dispersée du soleil, a commencé le 13 novembre et se terminera le 17 novembre depuis le centre de recherche en vol Armstrong de la NASA à Palmdale, Californie.

L'instrument financé par la NASA « mesure la quantité de lumière solaire réfléchie par la Lune à différentes phases afin de la caractériser avec précision et d'étendre la façon dont la Lune est utilisée pour calibrer les capteurs d'observation de la Terre », dit Kevin Turpie, professeur à l'Université du Maryland, Comté de Baltimore, diriger l'effort air-LUSI. Turpie et son équipe sont financés par la division des sciences de la Terre de la NASA et le National Institute of Standards and Technology (NIST).

Comment la Lune aide les capteurs de la Terre

Capteurs d'observation de la Terre, comme la Visible Infrared Imaging Radiometric Suite (VIIRS) à bord du satellite NASA/NOAA/DOD Suomi National Polar-orbiting Partnership et du satellite météorologique NOAA-20, collecter des images de couverture nuageuse, la couverture terrestre et la couleur de l'océan. Pendant que ces capteurs font leur travail avec diligence, ils doivent également se prémunir contre les particules à haute énergie et résister à la lumière ultraviolette, qui dégradent leurs capteurs au fil du temps.

Pour tenir compte de tout changement de sensibilité, VIIRS et d'autres instruments satellites étalonnent leurs capteurs en examinant une référence connue et en comparant l'apparence la plus récente aux précédentes. Si le capteur voit la référence différemment qu'avant, il sait qu'il doit recalibrer ou ajuster sa sensibilité.

Actuellement, de nombreux instruments portent un matériau opaque ou blanc, appelé diffuseur, qui réfléchit la lumière du soleil et sert de référence pour l'étalonnage du capteur. Cependant, bien que le Soleil fournisse une sortie régulière, ses rayons agressifs dégradent le diffuseur au fil du temps. La lune, d'autre part, est un diffuseur idéal car sa réflectance de la lumière du soleil est stable et plus similaire à celle de la Terre en termes de luminosité.

Les scientifiques connaissent depuis longtemps le potentiel de la Lune. "Peu de temps après le programme Apollo, un groupe du U.S. Geological Survey (USGS) a développé un moyen de caractériser la Lune afin que les satellites d'observation de la Terre puissent l'utiliser pour l'étalonnage, " dit Turpie.

L'observatoire lunaire robotique de l'USGS (ROLO) à Flagstaff, Arizona, mesuré la Lune sur une base mensuelle de 1995 à 2003. Tom Stone, un scientifique à l'USGS, avec Hugh Kieffer, un ancien scientifique de l'USGS, développé un modèle basé sur ROLO qui a été et continue d'être utilisé pour aider à calibrer les capteurs d'observation de la Terre dans les instruments, comme SeaWiFS, qui a fonctionné de 1997 à 2010 et a mesuré la couleur de l'océan pour surveiller le phytoplancton. SeaWiFS a examiné la Lune régulièrement pour noter tout changement dans la sensibilité de son instrument.

Bien que de nombreuses équipes d'étalonnage de missions d'observation de la Terre utilisent ROLO, il peut y avoir de grandes divergences dans leurs données d'étalonnage lunaire, dit Pierre. L'espoir est que les mesures très précises d'air-LUSI caractériseront ces écarts et détermineront s'ils sont causés par des biais internes dans le modèle ROLO ou autre chose. « Nous ne pouvons pas valider les étalonnages ROLO à mieux que 5 %, ", a déclaré Stone. "Air-LUSI peut améliorer ROLO ou déterminer ce qui doit être amélioré."

Les nouveaux instruments d'Air-LUSI sont capables d'obtenir des mesures d'irradiance spectrale lunaire très précises qui auront la plus faible incertitude jamais enregistrée (moins de 1 %), Turpie a dit, qui établit la Lune comme référence d'étalonnage absolue et aide les scientifiques en télédétection à déterminer si les capteurs d'observation de la Terre, comme VIIRS, enregistrent des changements réels sur Terre ou des changements dans leurs instruments.

Bien que les missions d'observation de la Terre puissent regarder la Lune à la même heure et à la même phase chaque mois afin de remarquer les tendances de la sensibilité de leurs instruments, ils n'ont pas encore pu utiliser la Lune comme référence d'étalonnage absolue, Kurt Thome, un scientifique du projet pour les missions d'observation de la Terre au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, mentionné.

Que signifie être une référence d'étalonnage absolue ? Si vous comparez deux personnes côte à côte, il est facile de voir quelle personne est la plus grande. Cependant, si ces deux personnes sont aux extrémités opposées du monde, la seule façon de comparer leurs hauteurs serait avec une référence absolue, comme un souverain. Air-LUSI ambitionne de faire de la Lune une référence absolue de calibration, ce qui signifie qu'un instrument n'aurait besoin de regarder la Lune qu'une seule fois pour déterminer la sensibilité absolue de l'instrument, en comparant les regards dans le temps pour voir si l'instrument évolue, dit Thome.

Un effort de collaboration

Pour recueillir des informations sur la Lune, air-LUSI comprend trois sous-systèmes, qui nécessitent l'expertise de plusieurs organisations, dit Turpie. Son équipe comprend des personnes du NIST, l'USGS, l'Université de Guelph en Ontario, Canada et NASA.

Le premier composant s'appelle IRIS, abréviation de Irradiance Instrument Subsystem, et a été conçu par le NIST. Il comprend un instrument capable de prendre des mesures précises de la Lune tout en étant assis dans une enceinte à température et pression contrôlées.

Le deuxième composant est une monture de télescope robotique appelée ARTEMIS (Autonomous, Robotic Telescope Mount Instrument Subsystem) conçu et construit par l'Université de Guelph. ARTEMIS a une caméra qui balaye le ciel jusqu'à ce qu'elle trouve la Lune et dirige le télescope pour la pointer et la maintenir verrouillée en place, quel que soit le mouvement de l'avion.

Le dernier composant est l'adaptation ER-2 à haute altitude, ou HERA. HERA comprend tout le tissu conjonctif, comme les câbles et le matériel de montage, qui maintient l'instrument ensemble et au plan, ainsi que les composants de stabilisation thermique. Air-LUSI est capable d'enregistrer des données pendant le vol et de télécharger les données de l'avion au sol.

Un petit pas pour air-LUSI, un pas de géant pour les sciences de la Terre

Dans le futur proche, un satellite météorologique opérationnel gagnerait à se tourner vers la Lune comme référence d'étalonnage absolue, dit Thome. Cela comprend les satellites Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) et Joint Polar Satellite System-20 (JPSS) actuellement en vol, ainsi que ceux à venir à la fois de la NOAA et de ses partenaires internationaux. Chaque satellite pourrait calibrer ses instruments par la Lune pour comparer la tenue de ses capteurs par rapport aux capteurs des autres satellites, dit Thome.

Le prochain Ocean Color Imager de la NASA, à bord du satellite Phytoplancton Aerosols Clouds and Ocean Ecology (PACE), a également l'intention d'utiliser la Lune pour l'étalonnage, dit Turpie.

"Les mesures de la Lune d'Air-LUSI permettent aux gens de justifier plus facilement l'utilisation de la Lune pour calibrer leurs instruments, " dit Thome.