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Articulo de referencia

Mapeador de emisividad de Venus

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El Mapeador de Emisividad de Venus (VEM) es un espectrómetro que permite mapear la composición de la superficie de Venus a través de un número determinado de ventanas espectrales atmosféricas. Será una de las dos cargas útiles a bordo de la misión VERITAS y también constituirá el canal VenSpec-M del conjunto de espectrómetros de la misión EnVision .

Descripción general

Si bien la Tierra y Venus son similares en muchos aspectos, evolucionaron de manera muy diferente y actualmente presentan entornos superficiales y atmosféricos distintos. Mientras que la superficie terrestre cuenta con agua líquida y permite la vida, Venus experimenta una temperatura superficial media superior a los 400  °C y una atmósfera rica en dióxido de carbono con una presión superficial aproximadamente 92 veces mayor que la de la Tierra a nivel del mar.

Se sabe poco sobre la composición de la superficie de Venus. La densa atmósfera y sus capas de nubes son en su mayoría opacas a la radiación visible e infrarroja , lo que dificulta la teledetección . A medida que la luz viaja a través de la atmósfera, se atenúa por absorción y dispersión, y se difumina por las emisiones de la propia atmósfera. Las observaciones de Venus han demostrado que la superficie puede observarse a través de varias bandas infrarrojas estrechas . [ 2 ] [ 3 ] Utilizando esta técnica, Venus Express pudo observar basalto reciente , lo que apunta a una actividad volcánica reciente en la superficie. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Las ventanas espectrales se encontraban en el límite del rango espectral sensible del instrumento VIRTIS de la misión Venus Express. VIRTIS también experimentó derivas térmicas y tuvo problemas con la luz parásita. Esto se debió a que VIRTIS no fue diseñado para el mapeo terrestre, pero permitió una prueba de concepto que condujo al diseño de VEM. [ 8 ] VEM será el primer instrumento en órbita alrededor de Venus enfocado exclusivamente en estas bandas espectrales, lo que permitirá un mapeo completo de la composición de la superficie y los estados redox de la superficie. [ 9 ]

VEM fue seleccionado para la misión VERITAS de la NASA [ 10 ] y para la misión EnVision de la ESA [ 11 ] en junio de 2021. El investigador principal es Jörn Helbert [ 12 ] y el instrumento es construido por el DLR en Berlín.

Meta

El objetivo de este instrumento es obtener un mapeo completo de los tipos de roca, su contenido de hierro y sus estados redox desde la órbita. Las mediciones de laboratorio han demostrado que una diferencia del 4 % en la emisividad relativa es suficiente para distinguir entre los diferentes tipos de roca y, potencialmente, identificar sus estados de meteorización. [ 1 ] [ 13 ] Este es, por lo tanto, el impulsor del diseño del instrumento. La identificación de la composición del suelo basada en espectros medidos solo es posible una vez que se disponga de una biblioteca espectral que represente las condiciones de la superficie de Venus, en la que se ha estado trabajando en el Laboratorio de Espectroscopia Planetaria del DLR. [ 13 ] [ 14 ] Al monitorear continuamente la superficie, será posible restringir aún más la actividad volcánica actual. Además, cualquier información de la superficie contribuirá a comprender la evolución pasada de Venus hasta su estado actual.

Descripción

Historia y patrimonio

Varias misiones espaciales ( Venus Express , Galileo y Cassini ) y terrestres han utilizado ventanas espectrales para estudiar Venus. Si bien estas representaron principalmente pruebas de concepto, dieron origen a la idea del Venus Emissivity Mapper (VEM), que se basa en la experiencia de vuelo de todas las misiones mencionadas, especialmente en VIRTIS y VMC a bordo de Venus Express . El VEM se propuso por primera vez como parte de la propuesta de la misión EnVision en 2010. [ 15 ] Al mismo tiempo, comenzaron a surgir las primeras mediciones análogas a las de Venus, lo que permitió derivar composiciones de la superficie a partir de las emisividades medidas de Venus. La propuesta inicial de EnVision no fue aceptada, por lo que el diseño se modificó para poder presentar una nueva propuesta en 2014 y nuevamente en 2016. La ESA la seleccionó para un estudio de diseño en profundidad en 2018 [ 16 ] y tres años después, la ESA declaró a EnVision —con VEM (VenSpec-M) a bordo— la quinta misión Cosmic Vision de clase M. [ 11 ]

El Venus Emissivity Mapper también se presentó al Programa Discovery de la NASA como parte de la propuesta VERITAS en 2014. Inicialmente fue seleccionado para la financiación de la Fase A, pero no fue elegido para el vuelo. [ 16 ] En 2019, se presentó una propuesta actualizada al Programa Discovery, recibiendo una vez más financiación de la Fase A. Dos años después, en junio de 2021, se hizo el anuncio sobre VERITAS.La selección oficial se hizo pública. [ 10 ]

Aprovechando el legado de misiones anteriores, todos los subsistemas tienen un nivel TRL de al menos 6, lo que le da a VEM un TRL general de 6. [ 14 ]

Ciencia

Se realizarán observaciones nocturnas midiendo la señal de emisividad de la superficie. [ 13 ]

Por lo general, las rocas ígneas se identifican por su contenido de sodio , potasio y silicio . Sin embargo, estos elementos carecen de características observables en la  banda espectral de 1 μm. En su lugar, se utilizarán metales de transición (principalmente Fe [ 13 ] ) y sus características espectrales en las ventanas relevantes para caracterizar la composición superficial. Este mapa de contenido de hierro, junto con datos topológicos, se utilizará para generar un mapa de tipos de roca inferidos.

Para que estas mediciones sean absolutas en lugar de relativas, deben calibrarse utilizando los datos recopilados por los módulos de aterrizaje Venera al sobrevolar sus zonas de aterrizaje. [ 8 ]

Diseño

VEM es un instrumento de imagen multiespectral que funciona como un escáner de barrido lineal . Consta de los siguientes subsistemas: el subsistema óptico (VEMO), el controlador del instrumento (VEMIC), la fuente de alimentación (VEMPS) y el deflector de dos etapas (VEMBA). El enfoque de desarrollo es análogo al que se utilizó con éxito en el diseño de MERTIS. Esto significa que se comienza con una placa de pruebas, se pasa a un prototipo de laboratorio, luego a un prototipo de ingeniería y, finalmente, se alcanza el modelo de cualificación completo. A lo largo del proceso, se identifican y mitigan constantemente los riesgos. [ 17 ] [ 1 ]

Óptica (VEMO)

Las bandas de medición utilizadas por el Mapeador de Emisividad de Venus aprovechan las discontinuidades en la atmósfera de CO₂ de Venus.

El subsistema óptico es un sistema de tres lentes, proporcionado por LESIA , Observatorio de París , Francia. Primero, un telescopio con una apertura de 8  mm y una distancia focal de 40,5  mm proyecta la escena sobre el conjunto de filtros. A partir de ahí, se obtiene una imagen en el plano focal a través de dos lentes adicionales con un factor de magnificación combinado de 0,4. La óptica tiene una transmitancia total de 0,88, sin tener en cuenta los filtros. El conjunto de plano focal (VEMFPA) consta de un detector InGaAs Xenics XSW-640 , que tiene una resolución de 640x512 píxeles, un campo de visión (FOV) de 30°×45°, un paso de píxel de 20 μm y un FOV de píxel de 0,07°×0,07°. La unidad electrónica de imagen utilizada es la LM98640QML-SP de Texas Instruments. Los detectores InGaAs se han utilizado con éxito en el espacio profundo durante muchos años, lo que los convierte en una opción segura. Esta unidad en concreto se está utilizando actualmente en el orbitador ExoMars Trace Gas Orbiter . 

El conjunto de filtros es proporcionado por CNES Toulouse ( archivado el 14 de marzo de 2022 en Wayback Machine , Francia). Los filtros de banda estrecha se encargan de transmitir únicamente la región espectral de interés. Con base en la emisividad relativa del 4 % necesaria para diferenciar entre los distintos tipos de roca, la relación señal-ruido (SNR) para cada banda se obtiene mediante la ejecución del modelo de transferencia radiativa correspondiente. Las bandas y sus SNR requeridas se encuentran en la siguiente tabla:

Controlador de instrumentos (VEMIC)

El controlador de instrumentos es la interfaz entre las unidades internas y la nave espacial. Gestiona y procesa todos los datos y controla el subsistema. El sistema utilizado en VEM se basa en MERTIS, y solo las interfaces necesitan adaptarse para cumplir con los requisitos de VEM.

Sistema eléctrico (VEMPS)

El consumo principal de energía proviene del conjunto de planos focales y del controlador del instrumento. Este subsistema se basa en gran medida en la fuente de alimentación MERTIS, ya que esta última ha sido probada en vuelo. La parte principal de la fuente de alimentación es un convertidor CC/CC de la serie SMRT de Interpoint , complementado con filtros LC externos y algunos circuitos especializados adicionales.

Desviador (VEMBA)

Para evitar la entrada de luz dispersa y luz solar, se emplea un deflector de dos etapas. La parte frontal es principalmente una pantalla para proteger la nave espacial, mientras que la parte posterior se encarga de la luz dispersa. El deflector tiene como objetivo reducir la luz dispersa a un factor de al menos 10⁻⁵ . [ 1 ]

Optimizaciones de señal

Efectos atmosféricos

Al observar las bandas espectrales presentadas anteriormente, se puede apreciar que, además de las seis bandas utilizadas para las mediciones mineralógicas, existen ocho más. Estas bandas adicionales se emplean para corregir los diversos efectos que alteran la señal entre la superficie de Venus y la nave espacial de medición. Al medir la atmósfera por sí sola, se pueden considerar sus efectos y las condiciones variables que introduce. Lo mismo se aplica a la luz dispersa, para la cual se utilizan tres canales específicos. [ 1 ]

Relación señal/ruido

Dado que el tiempo de integración de un satélite en órbita difícilmente puede optimizarse, se aplican otras técnicas para obtener la mejor relación señal-ruido posible . Estas mejoras son:

El prototipo de laboratorio del instrumento Venus Emissivity Mapper.

Una vez aplicada, incluso para una altitud orbital de 8000  km, la relación señal/ruido (SNR) requerida para alcanzar la precisión necesaria se logra teóricamente con márgenes superiores al 100 % para todas las bandas. Para altitudes orbitales cercanas a los 250  km, la SNR es casi 10 veces mejor que la obtenida a 8000  km. [ 1 ] Un prototipo de laboratorio mostró potencial para un rendimiento posterior de SNR muy superior a 1000. [ 14 ]

Reducción de incertidumbres

Al optimizar el detector para las longitudes de onda relevantes y utilizar los rangos espectrales adicionales, se compensan los efectos de la atmósfera y la luz dispersa, reduciendo así significativamente la incertidumbre en las mediciones, como se describió anteriormente. Las incertidumbres se reducen aún más mediante una cobertura terrestre superpuesta (para tener en cuenta la variabilidad atmosférica a corto plazo) y mediciones repetidas (para reducir el error debido a la incertidumbre en el contenido de vapor de agua, la opacidad de las nubes y la radiancia de la ventana de la superficie). [ 8 ]

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 Helbert, Jörn; Säuberlich, Thomas; Dyar, Melinda D.; Ryan, Conor; Walter, Ingo; Réess, Jean-Michel; Rosas-Ortiz, Yaquelin M.; Peter, Gisbert; Maturilli, Alessandro; Arnold, Gabriele E. (2020). "El mapeador de emisividad de Venus (VEM): estado de desarrollo avanzado y evaluación del rendimiento" . En Strojnik, Marija (ed.). Teledetección e instrumentación infrarroja XXVIII . Vol.  11502. Solo en línea, Estados Unidos: SPIE. págs. 36–59 . Bibcode : 2020SPIE11502E..08H . doi : 10.1117/12.2567634 . ​​ISBN  978-1-5106-3810-5. S2CID 222110973 . 
  2. ^ Hashimoto, George L.; Roos-Serote, Maarten; Sugita, Seiji; Gilmore, Marta S.; Kamp, Lucas W.; Carlson, Robert W.; Baines, Kevin H. (2008). "Corteza félsica de las tierras altas de Venus sugerida por datos del espectrómetro de mapeo de infrarrojo cercano Galileo" . Revista de investigaciones geofísicas . 113 (E9): E00B24. Código Bib : 2008JGRE..113.0B24H . doi : 10.1029/2008JE003134 . ISSN 0148-0227 . 
  3. 1 2 Mueller, N.; Helbert, J.; Hashimoto, GL; Tsang, CCC; Erard, S.; Piccioni, G.; Drossart, P. (2008). "Emisión térmica superficial de Venus a 1 μm en observaciones de imágenes VIRTIS: evidencia de variación de las condiciones de diferenciación de la corteza y el manto" . Journal of Geophysical Research . 113 (E9): E00B17. Bibcode : 2008JGRE..113.0B17M . doi : 10.1029/2008JE003118 . ISSN 0148-0227 . 
  4. ↑ D'Incecco, Piero; Müller, Nils; Helbert, Jörn; D'Amore, Mario (2017). "Idunn Mons en Venus: Ubicación y extensión de flujos de lava recientemente activos" . Planetary and Space Science . 136 : 25–33 . Bibcode : 2017P & SS..136...25D . doi : 10.1016/j.pss.2016.12.002 . S2CID 125921659 . 
  5. ↑ Helbert, Jörn; Müller, Nils; Kostama, Petri; Marinangeli, Lucia; Piccioni, Giuseppe; Drossart, Pierre (2008). "Variaciones del brillo superficial observadas por VIRTIS en Venus Express e implicaciones para la evolución de la región Lada Terra, Venus" . Geophysical Research Letters . 35 (11) 2008GL033609. Bibcode : 2008GeoRL..3511201H . doi : 10.1029/2008gl033609 . ISSN 0094-8276 . 
  6. ↑ Gilmore, Martha S.; Mueller, Nils; Helbert, Jörn (2015). "Emisividad VIRTIS de Alpha Regio, Venus, con implicaciones para la composición de teselas". Icarus . 254 : 350– 361. Bibcode : 2015Icar..254..350G . doi : 10.1016/j.icarus.2015.04.008 . ISSN 0019-1035 . 
  7. ↑ Smrekar, SE; Stofan, ER; Mueller, N.; Treiman, A.; Elkins-Tanton, L.; Helbert, J.; Piccioni, G.; Drossart, P. (2010). "Vulcanismo de puntos calientes recientes en Venus a partir de datos de emisividad de VIRTIS". Science . 328 (5978): 605– 608. Bibcode : 2010Sci...328..605S . doi : 10.1126/science.1186785 . ISSN 0036-8075 . PMID 20378775 . S2CID 206525323 .   
  8. ^ Helbert , Jorn ; Dyar, M. Darby; Kappel, David; Maturilli, Alessandro; Mueller, Nils (2021). "Importancia de la espectroscopia orbital en Venus" . Boletín de la AAS . 53 (4): 066. Código bibliográfico : 2021BAAS...53d.066H . doi : 10.3847/25c2cfeb.62e629cb .
  9. ↑ Helbert, Joern; Arnold, Gabriele E.; Walter, Ingo; Wendler, Dennis; Widemann, Thomas; Guignan, Gabriel; Marcq, Emmanuel; Börner, Anko; Jänchen, Judit; Maturilli, Alessandro; Kappel, David (2017). Strojnik, Marija; Kirk, Maureen S. (eds.). El concepto del mapeador de emisividad de Venus . Teledetección e instrumentación infrarroja XXV. Serie de conferencias de la Sociedad de Ingenieros de Instrumentación Fotoóptica (SPIE) . Vol. 10403. San Diego, Estados Unidos: SPIE. págs. 137–146 . Bibcode : 2017SPIE10403E..0JH . doi : 10.1117/12.2275666 . ISBN   978-1-5106-1263-1. S2CID 56090625 . 
  10. 1 2 Potter, Sean (2021-06-02). "La NASA selecciona 2 misiones para estudiar el mundo 'habitable perdido' de Venus" . NASA . Recuperado el 2021-06-11 .
  11. 1 2 "La ESA selecciona la revolucionaria misión a Venus EnVision" . www.esa.int . Consultado el 11 de junio de 2021 .
  12. ↑ "Instituto de Investigación Planetaria del DLR - Grupo del Laboratorio de Espectroscopia Planetaria" . www.dlr.de. Archivado del original el 11 de octubre de 2020. Consultado el 27 de julio de 2021 .
  13. 1 2 3 4 Helbert, J.; Maturilli, A.; Dyar, MD; Alemanno, G. (2021). "Derivación de contenidos de hierro a partir de espectros de la superficie de Venus pasados ​​y futuros con nuevos datos de emisividad de laboratorio a alta temperatura" . Science Advances . 7 (3) eaba9428. Bibcode : 2021SciA....7.9428H . doi : 10.1126/sciadv.aba9428 . ISSN 2375-2548 . PMC 7810366. PMID 33523894 .   
  14. 1 2 3 Helbert, Jörn; Dyar, Melinda D.; Widemann, Thomas; Marcq, Emmanuel; Walter, Ingo; Guignan, Gabriel; Wendler, Dennis; Müller, Nils; Kappel, David; Arnold, Gabriele E.; D'Amore, Mario (2018). "The Venus Emissivity Mapper (VEM): Obtención de mineralogía global de Venus desde la órbita" . En Strojnik, Marija; Kirk, Maureen S. (eds.). Instrumentación y teledetección por infrarrojos XXVI (PDF) . vol. 10765. San Diego, Estados Unidos: SPIE. págs. 102-113 . Bibcode : 2018SPIE10765E..0DH . doi : 10.1117/12.2320112 . ISBN   978-1-5106-2101-5. S2CID 134509078 . 
  15. ↑ Ghail, Richard C.; Wilson, Colin; Galand, Marina; Hall, David; Cochrane, Chris; Mason, Philippa; Helbert, Joern; MontMessin, Franck; Limaye, Sanjay; Patel, Manish; Bowles, Neil (2012). "EnVision: tomando el pulso de nuestro planeta gemelo" . Astronomía Experimental . 33 ( 2–3 ): 337–363 . Bibcode : 2012ExA....33..337G . doi : 10.1007/s10686-011-9244-3 . ISSN 0922-6435 . S2CID 254469798 .  
  16. 1 2 Glaze, Lori S.; Wilson, Colin F.; Zasova, Liudmila V.; Nakamura, Masato; Limaye, Sanjay (2018). "El futuro de la investigación y exploración de Venus" . Space Science Reviews . 214 (5): 89. Bibcode : 2018SSRv..214...89G . doi : 10.1007/s11214-018-0528-z . ISSN 0038-6308 . 
  17. ^ Helbert, Joern; Wendler, Dennis; Walter, Ingo; Widemann, Thomas; Marcq, Emmanuel; Guignan, Gabriel; Ferrari, Sabrina; Maturilli, Alessandro; Müller, Nils; Kappel, David; Jaenchén, Judit (14 de septiembre de 2016). Strojnik, Marija (ed.). El concepto de Venus Emissivity Mapper (VEM) (Reporte). Instrumentación y Teledetección por Infrarrojos XXIV. vol. 9973. San Diego, California, Estados Unidos. págs.99730R . doi : 10.1117/12.2237568 .