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美国国家航空航天局利用月光提高卫星精度

3月12日至16日,美国国家航空航天局的机载月球光谱辐照度(air LUSI)搭乘美国国家航空宇航局的ER-2飞机,精确测量月球反射的光量。反射月光是一种稳定的光源,研究人员正在利用它来提高地球观测卫星测量的准确性和一致性。

“月球非常稳定,在很大程度上不受地球气候等因素的影响。它成为一个非常好的校准参考,一个独立的基准,我们可以通过它设置仪器,看看我们的星球发生了什么,”air LUSI的首席研究员、马里兰大学帕克学院的研究教授Kevin Turpie说。

LUSI的空中飞行是美国国家航空航天局全面卫星校准和验证工作的一部分。这一结果将与内华达州铁路谷普拉亚等地面站点相吻合,并将为轨道卫星提供强大的校准数据集。

美国国家航空航天局拥有20多颗地球观测卫星,为研究人员提供了一个关于相互连接的地球系统的全球视角。其中许多测量地球表面、水和大气反射、散射、吸收或发射的光波。这种光包括人类看到的可见光,以及不可见的紫外线和红外波长,以及介于两者之间的一切。就像管弦乐队中的乐器一样,为了让研究人员充分利用他们的数据,各个卫星乐器需要相互“协调”。通过将月球作为“音叉”,科学家可以更容易地比较不同卫星的数据,以观察长期以来的全球变化。

这个电磁波谱显示了能量是如何在波中传播的;人类只能看到可见光,但整个光谱被美国国家航空航天局的仪器用来观察地球等。

这就是空气LUSI的用武之地。空气LUSI是与美国国家标准与技术研究所(NIST)、美国地质调查局和麦克马斯特大学合作开发的一种望远镜,用于测量月球表面反射的光的数量,以评估地球观测卫星从月光下接收的能量。它被安装在ER-2飞机上,由美国国家航空航天局位于加利福尼亚州帕姆代尔的阿姆斯特朗飞行研究中心管理并从该中心起飞。ER-2是一种高空飞机,飞行高度为70000英尺,高于95%的大气层,可以散射或吸收反射的阳光。这使得航空LUSI能够收集非常准确的、NIST可追踪的测量结果,这些测量结果类似于卫星在轨道上进行的测量。为了提高月球反射率模型的精度,大气LUSI测量的精度不确定度小于1%。在三月的飞行中,LUSI航空公司在满月前对月球进行了四个晚上的测量。

这种机载方法的优点是研究月球不同阶段的月光,同时能够在飞行之间将仪器带回进行评估、维护,并在必要时进行维修。

图为LUSI航空望远镜,用于在飞行前后在实验室中测量模拟月球进行测试和校准

空气LUSI光谱仪密封在一个外壳内,使仪器始终处于海平面温度和压力下。望远镜收集的光进入积分球,积分球将光引导到光谱仪,光谱仪是一种测量光波变化的仪器。LUSI航空公司于2019年11月首次进行类似飞行。从那时起,空中LUSI团队一直在不断提高仪器的精度。

该团队改进了内部监测器,以便在从紫外线到近红外的更大波长范围内更好地检查仪器的准确性。他们还能够重新设计积分球,以消除温度变化的微小影响。

Turpie说:“这将有助于该仪器以我们正在寻找的99%以上的准确度进行测量。”

做出这些改变具有挑战性。新冠肺炎疫情造成的延误导致负责仪器更新和维修的总工程师制定了一项新的远程工作计划。他和首席调查员都获得了特别许可,可以将零件直接送到家中,这样他们就可以在仪器上工作,并为2022年的飞行做好准备。

将月球作为共同标准2019年和2022年的数据加在一起,有可能帮助科学家使紫外线到近红外范围内的地球观测卫星数据更加一致。此外,共同的月球标准将使比较和微调当前和未来的卫星观测更容易。美国国家航空航天局即将进行的浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统(PACE)任务计划将月球作为一个共同的基准,使其观测更加准确,并与其他卫星对地球的测量结果相互一致。在接下来的十年里,PACE和美国国家航空航天局地球系统天文台未来的轨道传感器将有助于创造一幅更具凝聚力的地球图像。

Turpie说:“在地球之外拥有一个通用的校准源将帮助我们实现这一目标。”“一旦使用空气LUSI测量来提高来自月球的总光量的准确性,我们就可以使用当前和未来的太空天文台对地球进行广泛、更准确的测量。”


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