Skip to main content

Kalibratie van Marsgegevens van NOMAD gepubliceerd in Planetary and Space Science

2022-08-26

Het verzamelen van informatie over planeten in het zonnestelsel van ruimtemissies is niet zo eenvoudig als een internetdownload. Wetenschappelijke instrumenten aan boord van de verschillende ruimtesondes sturen gegevens terug in een lange reeks enen en nullen in onbewerkt formaat – ‘vervuild’ met allerlei vertekeningen en ruis - die vrijwel nutteloos zijn als ze niet worden verwerkt. De cruciale stap van gegevensverwerking is de verantwoordelijkheid van de hoofdonderzoekers (PI voor Principal Investigator) van de instrumenten. De PI voor het NOMAD-instrument aan boord van ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter - die momenteel in een baan om Mars draait en de planeet observeert - is de groep Planetaire Atmosferen van het BIRA. Bijgevolg is het aan onze onderzoekers en ingenieurs van deze groep om onder andere te zorgen voor de kalibratie (nagaan hoe nauwkeurig het instrument werkt) en het opzetten en onderhouden van de data pipeline (de software die alle binnenkomende ruwe gegevens omzet in informatie die de wetenschappers kunnen analyseren).

Het NOMAD-instrument kalibreren

NOMAD bevat 3 spectrometers: de ene heet UVIS (voor UV- en zichtbaar licht) en kan dezelfde kleuren waarnemen die onze ogen zien en meer. De andere twee, SO en LNO, meten infrarood licht dat ofwel rechtstreeks van de zon komt of van zonlicht dat door het oppervlak en de wolken van Mars wordt weerkaatst. Alle drie de NOMAD-kanalen zijn vóór de lancering van de missie in gecontroleerde omstandigheden in een laboratorium gekalibreerd, maar ook tijdens de missie moeten nog speciale kalibratiewaarnemingen worden uitgevoerd, omdat we die informatie gebruiken om alle wetenschappelijke waarnemingen te kalibreren, zodat de wetenschappelijke conclusies op basis van de gegevens zo goed mogelijk overeenstemmen met de werkelijkheid.

De UVIS-spectrometer

Uv and visible light range
Figuur 1: De golflengte van ultraviolette straling varieert van 100 tot 400 nanometer (een miljoenste van een millimeter). Het is meer energetisch dan zichtbaar licht, dat zich uitstrekt van 400 tot 750 nanometer.

De UVIS-spectrometer meet golflengten tussen 200-650 nanometer (een miljoenste van een millimeter), verdeeld over 1024 verschillende pixels op een detector (figuur 3). Dit betekent dat we kleuren zeer nauwkeurig kunnen meten om de concentraties van ozon, wolken en aerosolen (zeer kleine deeltjes) in de atmosfeer van Mars te bepalen. De data pipeline corrigeert het signaal van de detector door een offset (een klein signaal dat afkomstig is van de elektronica van de NOMAD) en de donkere stroom (het signaal als gevolg van de warmte in de detector) te verwijderen en ongewenste ruis en andere effecten te verwijderen.

Uvis detector frames
Figuur 3: Voorbeeld van UVIS-detector ‘frames’, opgenomen tijdens een nadirwaarneming. UVIS is als een camera, opgebouwd uit 1024 spectrale pixel die het ultraviolet van 200 nm (eerste kolom links) tot het zichtbare rond 650 nm (laatste kolom rechts) bestrijken. De kleurenschaal geeft de geregistreerde intensiteit in tellingen, die moeten worden omgezet in reële eenheden (zoals radiantie of transmissie) voor de wetenschappers om te analyseren. Ongeveer 80-100 detectorrijen worden verlicht en kunnen bij elkaar worden opgeteld om de signaal-ruisverhouding van de metingen te verhogen, waardoor de spectra nauwkeuriger worden.
Credit: BIRA-IASB

Er wordt ook een spectrale kalibratie toegepast, waarbij aan elk van de 1024 pixels op de detector een golflengte wordt toegewezen, evenals een strooilichtcorrectie die corrigeert voor licht dat op de verkeerde pixels van de detector valt. Dit laatste onderdeel is bijzonder belangrijk, omdat het de door UVIS opgenomen spectra corrigeert, zodat wetenschappers ze correct kunnen interpreteren. Daarom werd een studie uitgevoerd waarbij twee verschillende en onafhankelijke methoden werden ontwikkeld. Beide methoden gaven dezelfde resultaten, wat ons extra vertrouwen gaf dat de methode juist was.

Tenslotte worden, wanneer alle correcties en kalibraties zijn toegepast, de wetenschappelijke waarnemingen omgezet in stralings- of transmissie-eenheden waar wetenschappers mee kunnen werken.

Om te controleren of de data pipeline correct werkt, worden de NOMAD-waarnemingen voortdurend vergeleken met de metingen van het MARCI-instrument aan boord van de MRO-ruimtesonde, dat ook in een baan om Mars draait en regelmatig rond dezelfde tijd metingen verricht in hetzelfde gebied van de planeet. Beide instrumenten zijn het tot op 10% nauwkeurig met elkaar eens, een verdere aanwijzing dat de data de realiteit correct weergeven.

De infraroodspectrometers

Infrared light range
Figuur 2: De golflengte van infrarode straling varieert van 700 nanometer tot 1 millimeter.

De twee infraroodspectrometers meten golflengten tussen 2,2 en 4,3 micrometer (een duizendste van een millimeter). Net als voor UVIS zijn veel kalibratiemetingen verricht vóór de lancering, tijdens de reis naar Mars, en worden zij tijdens de wetenschappelijke fase van de missie nog steeds verricht.

De SO-spectrometer meet de atmosfeer van Mars met behulp van een techniek die bekend staat als "zonne-occultatie". Om dit te doen richt SO zich op de zon en meet dan de absorptie van de atmosfeer tussen het instrument en de zon bij zonsopgang en zonsondergang. Op deze manier kunnen de gassen waaruit de atmosfeer bestaat, en de aerosolen en wolken die het licht tegenhouden, zeer nauwkeurig worden gemeten.

Net als UVIS kan de LNO-spectrometer in verschillende modi werken: limb (waarbij men naar de rand van de atmosfeer van de planeet kijkt), nadir (waar men loodrecht naar het oppervlak van de planeet kijkt) en occultatie, dezelfde als SO. Deze staan afgebeeld in figuur 4. De LNO-spectrometer is speciaal aangepast om in nadir te meten, en dit was dan ook een hoofddoel van het recente werk om NOMAD te kalibreren.

Zowel de SO- als de LNO-spectrometer werden gekalibreerd, inclusief het meten van de prestaties van de detector en de optische componenten, om ons in staat te stellen de binnenkomende gegevens om te zetten in bruikbare wetenschappelijke metingen. Twee teams, die verschillende benaderingen gebruikten, hebben de kalibratie van het LNO-kanaal onafhankelijk van elkaar onderzocht: zij zijn het met elkaar eens tot op 3%, wat ons extra vertrouwen geeft dat de kalibratie correct is.

Pointing calibration measurements
Figuur 5: De resultaten van drie richtingskalibratiemetingen van de SO-spectrometer. De ruimtesonde beweegt zo dat de spectrometers de zon in twee richtingen waarnemen, waardoor de horizontale en verticale sporen over de zonneschijf ontstaan. Geel geeft aan dat het signaal hoog is (waar we de zon zien) en zwart is nul (waar we de donkere ruimte zien). De zon staat gecentreerd op (0, 0), wat betekent dat hij precies staat waar wij verwachten, wat betekent dat ons richtpunt juist is.

Aangezien alle spectrometers naar de zon wijzen, die vanaf Mars gezien slechts ongeveer 1/3 van een graad in diameter is (smaller dan de breedte van uw pink op armafstand), moest de richting van de kanalen zeer nauwkeurig worden gemeten en wordt regelmatig gecontroleerd of deze niet verschuift in de loop van de tijd. Daartoe voert het ruimtevaartuig een manoeuvre uit zodat alle spectrometers de zon zien (die een hoog signaal op de detector geeft) en de donkere ruimte rond de zon (die geen signaal geeft). Dan kunnen we het richtpunt van de ruimtesonde vergelijken met de metingen en zien of de zon precies wordt waargenomen waar en wanneer we dat verwachten. Als dat niet het geval is, dan betekent dit dat ons richtpunt een beetje verkeerd is, en dus gebruiken we deze waarnemingen om de beste richtingsvector te vinden. Drie voorbeelden zijn te zien in figuur 5.

NOMAD-gegevens tot op heden zijn gekalibreerd

Er komen voortdurend nieuwe gegevens van Mars binnen: zodra de metingen zijn gekalibreerd, worden de resultaten gedeeld met de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap om te worden geanalyseerd en vervolgens vergeleken met eerdere metingen en modelleringsinspanningen (bijvoorbeeld GEM Mars). Dit stelt ons in staat waardevolle informatie te verkrijgen over de fysische en chemische processen die zich in de atmosfeer van Mars afspelen.

Publicaties

Een lijst van alle publicaties zijn te vinden op :  nomad.aeronomie.be

Referenties

 

News image 1
News image legend 1
De PI voor het NOMAD-instrument aan boord van ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter - die momenteel in een baan om Mars draait en de planeet observeert - is de groep Planeetattmosferen van het BIRA. Bijgevolg is het aan onze onderzoekers en ingenieurs van deze groep om onder andere te zorgen voor de kalibratie (nagaan hoe nauwkeurig het instrument werkt) en het opzetten en onderhouden van de data pipeline (de software die alle binnenkomende ruwe gegevens omzet in informatie die de wetenschappers kunnen analyseren).
Credit: BIRA-IASB
News image 2
News image legend 2
Figuur 4: De waarnemingsmodi van NOMAD. Limb- en nadir-metingen kunnen worden verricht aan de dag- of nachtzijde van de planeet.
Credit: BIRA-IASB