Прибор для измерения углерода в изучении климата Земли используют для создания другого прибора, который впервые будет дистанционно профилировать водяной пар на высоте до 14 км над поверхностью Марса. Он также будет измерять скорость ветра и мельчайшие частицы в атмосфере планеты.
Ученые Джим Абшир и Скотт Гузевич из Центра космических полетов имени Годдарда NASA в Гринбелте, штат Мэриленд, получили финансирование от NASA на разработку технологий для создания и демонстрации небольшого прототипа атмосферного лидара для будущего посадочного модуля на Марсе и, возможно, Титана, крупнейшего спутника Сатурна (у него единственного - плотная атмосфера).
Отобранная для дальнейшего развития программой агентства «Концепции планетных инструментов для улучшения наблюдений за солнечной системой» (PICASSO), концепция восходит к другим инструментам аналогичного типа, изначально задуманным в рамках программы внутренних исследований и разработок Годдарда (IRAD). Другая поддерживаемая IRAD технология, рамановский масс-спектрометр, также получила финансирование PICASSO.
Понимание пограничного слоя
Абшир и Гузевич особенно заинтересованы в получении измерений пограничного слоя Марса - атмосферного участка, который начинается у поверхности и может простираться на 14 км выше, в зависимости от времени суток. Поскольку этот слой трудно измерить с орбиты, команда хочет развернуть лидар на посадочном модуле или вездеходе, который будет напрямую собирать круглосуточные данные с поверхности - данные, которые смогут показать как будут меняться условия с течением времени и с высоты.
Этот слой важен, потому что он контролирует передачу тепла, импульса, пыли и воды и может раскрыть более глубокую информацию о современном климате планеты, в том числе о стабильности ее ледяных шапок, о том, как ветер формирует ландшафт и как поднимается и переносится пыль. Кроме того, ученые могут использовать эти данные для проверки и улучшения моделей общей циркуляции, сказал Гузевич.
«С точки зрения пилотируемых космических полетов этот слой также важен для операций», - сказал Абшир, - «Это среда, в которой будут работать десантные миссии».
NASA и раньше устанавливали атмосферные лидары, успешно измеряя ветер, а также аэрозоли, включая пыль и лед, но новый инструмент обеспечит недостающий элемент - прямые измерения водяного пара в вертикальных столбах над поверхностью.
«Нас мотивируют вопросы науки, - сказал Гузевич. «Мы хотим измерять водяной пар и ветер одновременно. Все дело в понимании воды и того, как она перемещается в атмосфере. Мы знаем, где находится вода, но мы не знаем, как она движется».
Чтобы выяснить это, лидар будет отражать лазерный свет, настроенный на 1911 нанометров - определенную длину волны в ближнем инфракрасном диапазоне, идеальном для обнаружения водяного пара, - в небо, а затем анализировать отраженный свет или сигнал, чтобы узнать больше о происходящей атмосферной динамике от поверхности до 14 км над нею. Прибор сможет улавливать возвращаемый сигнал на однофотонном уровне, обеспечивая беспрецедентное разрешение.
«Наш подход к профилированию водяного пара и ветра в атмосфере с помощью лидара на 1911 нм является новым», - сказал Абшир.
Однако, у него и его коллег большой опыт разработки инструментов для измерения атмосферных лидаров. Для изучения нашей планеты они построили лидар Co2 Sounder, настроенный на 1572 нанометра, который эффективен для измерения содержания углекислого газа в атмосфере.
Задача состоит в том, чтобы создать надежный, практичный, но достаточно маленький инструмент, который поместится на вездеходе. «Наша задача - показать, что мы можем это сделать. К счастью, мы можем положиться на уникальные возможности Годдарда, - сказал Абшир. «У нас есть большие познания в области лидаров, космических лазеров и детекторов. На самом деле нет другого места, где бы сочетались все эти возможности и опыт».
Главный исследователь Андрей Грубишич также выиграл трехлетнюю премию PICASSO за продвижение RAMS, сокращенно от RAman-Mass Spectrometer.
Рамановская спектроскопия и масс-спектрометрия - это два распространенных метода аналитической химии для определения состава образца путем идентификации отдельных молекул и конкретных минералов.
Получив награду PICASSO, Грубишич сказал, что он и команда RAMS планируют продемонстрировать гибридный инструмент, который будет способен получать карты состава органических молекул и минеральных фаз на микронном уровне, которые существуют в образцах, собранных на кометах и астероидах, а также в полученных образцах на ледяных спутниках за пределами Солнечной системы.
Такие измерения дадут ученым необходимую информацию, которая поможет им понять происхождение органического материала в Солнечной системе, обитаемость других планет и потенциал жизни за пределами Земли.