NASA资助重测月球亮度,要将精度提高到99%以上

科学
NASA资助重测月球亮度,要将精度提高到99%以上
麻省理工科技评论 2019-12-20

2019-12-20

科学家们希望这项新计划可以让他们的测量精度提高到 99% 以上
NASA 月球
科学家们希望这项新计划可以让他们的测量精度提高到 99% 以上

月亮到底有多亮?

人们或许因为它是地球唯一的天然卫星,也是距离地球最近的天体,对它的研究很充分,所以会觉得月球的亮度应该是一个很容易回答的问题。但是,你错了。

人们通常观测月球的方式都是在地球上通过大气层来进行的,这样就产生了很多的干扰,让月球表面反射的阳光量无法以超过 97% 的准确度进行计算。

而现在,科学家们提出了一个计划,他们要利用一架可在高空飞行的 NASA ER-2 飞机进行观测。这架飞机的飞行高度可达 21.3 千米(70,000 英尺),这差不多是商用民航客机巡航高度的两倍。

NASA资助重测月球亮度,要将精度提高到99%以上

图 | 2018 年 4 月 30 日,国际空间站的工作人员在加拿大纽芬兰海岸绕月飞行时拍下了这张满月的照片(来源:NASA)

地球大气层厚度大约超过 1000 千米,被人们分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层,到了散逸层就和宇宙空间没有明显的界限了。对流层是大气层的最低层,紧靠地球表面,其厚度大约为 10~20 千米。对流层的大气受地球影响较大,云、雾、雨等现象都发生在这一层内,水蒸气也几乎都在这一层内存在。

科学家将 Air-LUSI 仪器(月球光谱辐照度仪,Lunar Spectral Irradiance Instrument)安装在 ER-2 飞机上送上了天空。ER-2 的飞行高度让测量设备基本上可以摆脱地球大气的影响(95% 的大气干扰都在下方),从而拍摄出更为清晰的月球照片,得到前所未有的测量结果。

为了避免太阳的散射光,这项飞行任务是在夜间进行的。这项被称为 “机载月球光谱辐照度任务” 的飞行于 11 月 13 日开始,并于 11 月 17 日在位于加利福尼亚州棕榈谷的 NASA 阿姆斯特朗飞行研究中心降落。科学家们希望这项新计划可以让他们的测量精度提高到 99% 以上。

项目负责人、马里兰大学教授 Kevin Turpie 对外表示:“由 NASA 资助的仪器正在测量月球在各个阶段反射的阳光量,以便准确地表征其特征,并扩展月球用于校准地球观测传感器的方式”。

NASA资助重测月球亮度,要将精度提高到99%以上

图 | ER-2 起飞,带着 LUSI 开始第一回合测量月球的空中运动(来源:NASA/Ken Ulbrich)

尽管测量月球各个阶段的亮度这件事听起来很有趣,但是科学家们并不只是单纯因为好奇而进行这项研究。

掌握月球不同阶段的亮度实际上对人们十分重要,因为月球的亮度可以用来校准位于地球轨道上的卫星,并检测下面的行星。这些可以是气象卫星,也可以是环境卫星,用来跟踪农作物生长、洪涝或者干旱,甚至是海藻爆发等情况。

观测地球的传感器,比如 Aura 卫星、索米国家极地轨道合作伙伴卫星(Suomi NPP)和联合极地卫星系统(JPSS)的 NOAA-20 卫星等,这些卫星上的可见红外成像辐射套件(VIIRS)用来收集云层、陆地表面和海洋颜色的图像。虽然这些传感器在工作中都不会“偷懒”,但其需要进行校准,而校准则让它们需要对抗高能粒子和紫外线等这些会传感器退化的环境因素。

为了应对灵敏度产生的变化,卫星通常会拍摄亮度已知的光源的图像,并将该图像与先前拍摄的该光源其他图像进行比较。 如果新图像与光源的已知亮度不一致,则卫星上的传感设备就会知道需要重新校准传感器或调整灵敏度了。

为此,许多卫星都配备了所谓的太阳能扩散板(一种不透明或白色的材料),这种材料反射太阳光并充当传感器校准的参考。问题就出现了,尽管太阳提供了稳定的输出,但其刺眼的射线就会随着时间的推移让扩散器退化。 另一方面,月球则是一个理想的漫射器,因为它对太阳光的反射率很稳定,并且亮度也和地球相近。

因此,从理论上来看,月球是卫星观测器理想的校准源。

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图 | 周期变化的月球(来源:Wikimedia Commons/Tomruen)

其实,科学家们早就知道月球的潜力。在阿波罗计划推出后不久,美国地质调查局(USGS)的一个小组就开发了一种利用月球表征的方法来校准对地观测卫星。

1995 年~ 2003 年,位于美国亚利桑那州的 USGS 机器人月球观测站每月都会测量一次月球。USGS 的科学家 Tom Stone 与 USGS 的前科学家 Hugh Kieffer 一起开发了基于 ROLO 的模型,其已经被用于帮助校准卫星上的地球观测传感器。他们会定期查看月球,以记录其仪器灵敏度的任何变化。

但 Tom Stone 对外表示:尽管许多地球观测任务的校准团队都在使用 ROLO,但他们的月球校准数据也可能存在很大差异。他希望 Air-LUSI 的高精度测量能够发现这些差异,并确定它们是因何而起的。“我们之前无法验证 ROLO 的校准是否优于 5%,而 Air-LUSI 可以改善 ROLO 或者确定需要改进的地方。” Tom 说道。

NIST 物理学家 John Woodward 也表示:由于不确定月球的真实亮度,即使是当今最好的校准也只能精确到 3% 至 5% 之内。科学家希望将这种误差降低到 1% 以下。因为校准越准确,研究人员对地球卫星图像的信心就越大。

为此,Kevin Turpie 解释说:Air-LUSI 的新型仪器能够获得高精度的月球光谱辐照度测量值,并将最低的不确定性降至低于 1%。这将确立月球作为 “绝对校准参考” 的地位,帮助遥感科学家们确定卫星的观测地球传感器是否在准确地记录着地球上发生的实际变化。

对于“绝对校准参考”,他类比道:如果要比较两个人的身高,让他们并排站立就很容易看出来。但是,如果这两个人处于世界的两个角落,那么比较他们身高的唯一方法就是用像尺子那样的绝对参照物。而 Air-LUSI 项目的目标就是让月球成为尺子一样的标准参考。这就意味着,之后的仪器只要看一次月球就可以确定自身的绝对灵敏度,同时还可以随着时间推移查看仪器是否在变化。

NASA资助重测月球亮度,要将精度提高到99%以上

图 | 机组与地勤人员将 LUSI 部件从飞机的翼舱放置到机库的支架上进行校准(来源:NASA/Ken Ulbrich)

为了收集有关月球的信息,Air-LUSI 包括三个子系统,这需要多个领域的专业知识。Kevin Turpie 表示他的团队成员包括 NIST、USGS,以及加拿大安大略省的圭尔夫大学和 NASA。

这三个子系统分别为辐照仪器子系统(IRIS,Irradiance Instrument Subsystem),它由 NIST 设计,包括一个能够在温度和压力控制的外壳中进行精确测量的月球仪器。

第二个子系统是由加拿大的圭尔夫大学设计并制造的自主式机器人望远镜安装仪器,名为 ARTEMIS ,它的相机可以扫描天空,直到找到月球,并指挥望远镜指向月球并将其锁定在适当的位置,而这些动作都和飞机自身的飞行没有任何关系。

最后一个子系统是高空 ER-2 适配系统,简称为 HERA。HERA 包括将仪器固定在一起并保持在一个平面上的所有连接组织,例如电缆、安装设备,以及热稳定组件等。这些组件让 Air-LUSI 能够在飞行过程中记录数据,并将数据从飞机上传回地面。

NASA资助重测月球亮度,要将精度提高到99%以上

图 | 工作人员在检查自主式机器人望远镜安装仪器这个子系统(来源:NASA/Ken Ulbrich)

目前,该研究团队已经在分析第一次飞行测量得出的数据。但这些图片也只是整个研究的一小部分,由于首次飞行的时间只有几天,所以它只提供了月球的一些小快照,距离得到完整的数据还尚需时间。根据月球的相位及它与太阳和地球的相对位置,有占星师曾提出过 “超级月亮” 的说法,宣称一个周期近 19 年,但实际上这并不被大多天文学家认可。

从科学角度来看,“超级月亮”叫做近地点满月更为准确。此外,建立一个可靠的月球亮度模型确实需要进行更多次的飞行测试,但并不用花费 19 年那么久。研究人员预计,大约需要 3~5 年的时间,他们就可以得出一个月球亮度的 “标准化” 模型。

研究人员表示,在不久的将来,一些如气象卫星等地球观测设备都将会受益于月球这个“绝对参考标准”。Kevin Turpie 借用了阿姆斯特朗登月时的那句话,他说:“在空中 LUSI 飞行的一小段儿距离,将是地球科学的一次大飞跃。”

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