Moon Mosaics: bahnbrechende Science-Bilder der atemberaubenden Lunar Science (Op-Ed)

Mark Robinson ist Professor an der ASU School of Earth und Space Exploration, LROC Principal Investigator und Mitglied eines Wissenschaftsteams bei einer Reihe von Missionen wie NEAR, CONTOUR, MESSENGER und Mars 2020. Robinson hat diesen Artikel bei ProfoundSpace.org Experten-Stimmen: Op-Ed & Insights

Der Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) wurde vor einem Jahrzehnt konzipiert und entworfen, um die Rückkehr des Menschen zum Mond zu unterstützen. Dieses hohe Ziel erforderte, dass die Raumsonde eine Vielzahl von Messungen anfertigte, um hochauflösende Karten potenzieller Landeplätze, eine Bewertung potenziell wertvoller Mondressourcen wie Wasser und ein besseres Verständnis der Strahlungsgefahren für zukünftige Astronauten zu liefern.

Zu dieser Zeit forderte die NASA Vorschläge für Instrumente, die vorhandene Wissenslücken füllen könnten. Ende 2004 wählte die NASA nach einem Wettbewerbsprozess sieben wissenschaftliche Instrumente für die LRO aus, darunter die Lunar Reconnaissance Orbiter Camera, allgemein bekannt als LROC (ausgesprochen EL-Rock). (Siehe eine Galerie der Bilder auf der LROC-Ausstellung des Smithsonian National Air and Space Museums in Washington, D.C.)

LROC besteht eigentlich aus drei Kameras: zwei identischen Narrow Angle Kameras (NAC) und einer Weitwinkelkamera (WAC). Die drei Kameras werden mit einer kleinen Elektronikbaugruppe gesteuert, die als Sequence and Compressor System (SCS) bekannt ist. Die LROC-Hardware wurde von Malin Space Science Systems (MSSS) in San Diego entwickelt und gebaut.

Die ursprünglichen Ziele des WAC waren, die Lichtverhältnisse an den Polen über ein Jahr hinweg abzubilden und eine genaue, globale kartographische Grundkarte zu liefern. Es war auch, Farbunterschiede aufgrund der kompositorischen Variation über die Mondkugel mit moderater Auflösung aufzuzeichnen.

Die ursprünglichen Ziele der NAC waren die Untersuchung potentieller Landeplätze - sowohl in Bezug auf die Rückkehr der Wissenschaft als auch auf technische Einschränkungen - und die Identifizierung neuer Auswirkungen mit Vorher-Nachher-Bildgebung (zeitliche Bildgebung). Um die Frage der Mondforschung und der Ressourcen zu klären und zu verstehen, wo es sicher ist, zu landen, ist eine sehr hohe Auflösung erforderlich - wir haben 50-Zentimeter-Pixelskalen gewählt. [Kartierung des Mondes]

Eine neue Mondkarte - jeden Monat

Der WAC erfasst Bilder in zwei ultravioletten Farben (321 und 360 Nanometer) und fünf sichtbare Farben (415 nm entspricht violett-blau, 566 nm bis grün-gelb, 604 nm bis orange und 643 nm und 689 nm am roten Ende von Das Spektrum). Die Auflösung ist mäßig, bei einer Höhe von 400 Metern pro Pixel im ultravioletten und 100 Meter pro Pixel im sichtbaren Bereich, aus einer Höhe von 50 Kilometern. Diese softballgroße Kamera bildet jeden Monat den ganzen Mond in Stereo ab.
Diese Beobachtungen sind die Grundlage für extrem genaue neue globale Karten, ein notwendiges Werkzeug für zukünftige Entdecker. Diese Karten enthalten monochrome Versionen bei hoher Sonne und niedriger Sonne sowie 7-farbige Renderings.

Jede globale Karte erfordert mehr als 10.000 einzelne WAC-Bilder zusammen zu mosaikieren, eine komplexe Aufgabe, die vom LROC-Team am ASU Science Operations Center durchgeführt wurde. Da das WAC-Sichtfeld 90 Grad beträgt, gibt es eine ganze Reihe von Verzerrungen, besonders an den Bildrändern - eine akribische Beschreibung der Kameraverzerrung aus Tausenden von Bildern in der Nähe der Pole (Blick auf Überlappungsbereiche). erlaubt für eine geometrische Korrektur genau auf ein Zehntel eines Pixels (oder besser). Die geometrische Korrektur und die sehr genaue Verfolgung des Raumfahrzeugs ergeben Karten, die besser als ein halbes Pixel (164 Fuß oder 50 Meter) sind.

Ein globales WAC-Mosaik jeden Monat scheint sich wiederholend oder übermäßig zu sein. Die Daten sind jedoch nicht redundant - jeden Monat ist die Beleuchtung anders, so dass die WAC die umfassendste Aufzeichnung darüber erstellt, wie sich variierendes Licht auf die Oberflächenhelligkeit auswirkt, die jemals für irgendeinen Körper im Sonnensystem (außerhalb der Erde) erworben wurde. Wir alle haben erlebt, wie Licht, das sich im Laufe eines Tages verändert, das Erscheinungsbild jeder Szene drastisch verändert. Viele Künstler haben sich diesen Effekt zunutze gemacht: Denken Sie an Monets Rouen Cathedral und die Seerosen-Serie von Gemälden. Im Falle des WAC hat die Beleuchtungsserie eine praktischere Anwendung: Wissenschaftler können Aspekte der Oberflächenrauheit und -zusammensetzung verstehen, indem sie dokumentieren, wie sich der Reflexionsgrad von Sonnenaufgang zu Sonnenuntergang ändert. Dies führt nicht nur zu einem besseren Verständnis der Mondoberfläche, sondern auch zu luftlosen Felskörpern überall.

Beide Beleuchtungsextreme sind potentiell wertvoll für zukünftige Entdecker. Dauerhafte Schatten sind extrem kalt (weniger als 40 Kelvin; minus 388 Grad Fahrenheit) und wahrscheinlich Eisablagerungen, die Wasser für künftige Siedlungen liefern können. Bereiche mit nahezu permanenter Beleuchtung haben stabile Temperaturen und leichten Zugang zu Solarstrom.

Die Wiederholungsbeobachtungen sind häufiger in der Nähe der Pole, da sich LRO in einer niedrigen polaren Umlaufbahn befindet, die alle zwei Stunden über jeden Pol passiert. Aus diesen Pässen hat das LROC-Team eine Zeitraffersequenz erstellt, die Regionen zeigt, die sich im permanenten Schatten befinden, und andere Regionen, die für extreme Zeiträume beleuchtet sind (z. B. Berggipfel in der Nähe der Pole).

Schließlich ermöglichte diese kleine Kamera eine nahezu globale topographische Karte des Mondes - mit Ausnahme von Schattenbereichen in der Nähe der Pole - im Maßstab von 100 Metern. Die Feinpixelskalierung ist möglich, da die Topographie an jedem Pixel viele Male gemessen wird. Da die Unsicherheiten in den Messungen meist zufällig sind, können wir den Durchschnitt vieler Schätzungen (im Durchschnitt mehr als 80) an diesem einen Pixel nehmen und daraus eine genaue Schätzung der Höhe ableiten.

Trotz seiner geringen Größe kann der WAC sicherlich als die kleine Kamera angesehen werden, die das könnte!

Das große Bild bekommen

Das Herz jedes NAC ist ein einzelnes Zeilen- oder Zeilenarray mit 4.996 Bildpunkten. Das ist es, nur eine Pixelreihe.Die NACs bauen ein vollständiges 2D-Bild auf, indem sie die Orbitalgeschwindigkeit der Raumsonde von 1600 Meter pro Sekunde (50 cm pro 0,34 Millisekunden) ausnutzen. Diese einzelne Reihe von Pixeln wird 52,224 mal alle 0,34 Millisekunden ausgelesen (was insgesamt etwa 18 Sekunden dauert), um ein Bild mit 4.996 mal 52.224 Pixeln zu bilden. Jedes "Auslesen" ergibt eine Zeile des Bildes. Das ergibt ein beeindruckendes 249-Megapixel-Bild. Diese Art von Bildgebungsschema wird manchmal "Push-Broom" genannt. Da die NACs fast immer gleichzeitig abgebildet werden und ihre Sichtfelder ungefähr 100 Pixel überlappen, erhalten wir tatsächlich ein 9.900 mal 52.224 Pixel großes Bildmosaik (498-Megapixel-Bild). Zwei Kameras bieten auch Redundanz; Wenn einer scheiterte, konnten wir unsere Anforderungen noch erfüllen.

Die NAC-Bilder zeigen verblüffende Details; An allen sechs Apollo-Landeplätzen sind Hardware und Astronautenspuren erkennbar. Aufgrund von Schwankungen in der Raumfahrzeughöhe (25 km bis 220 km) weisen die NAD-Bilder mit Nadirbeobachtung (Blick nach unten) Pixelmaßstäbe auf, die von 0,25 Meter bis 2,20 Meter reichen.

Zusätzlich zu dem kleinen Pixel-Footprint haben die NACs einen erweiterten Graustufen-Dynamikbereich. Die meisten Digitalkameras zeichnen normalerweise nur 256 Graustufen auf. Der NAC zeichnet für jedes Pixel mehr als 3.200 Graustufen auf, sodass feine Veränderungen in hellen und dunklen Bereichen innerhalb desselben Bildes vollständig erfasst werden können. eine kritische Überlegung, da die Mondoberfläche in vielen Bereichen einen sehr hohen Kontrast aufweist.

Die Kombination aus kleiner Pixelskala und erweiterter Dynamik der NACs führt zu den schönen Bildern, die im National Air and Space Museum und auf der LROC-Website zu sehen sind (und mehr als eine Million anderer NAC-Bilder im LROC-Archiv).

Die Aussicht von oben

Das LROC-Experiment ist ein überwältigender Erfolg. Seine drei Kameras haben viel mehr erreicht als die ursprünglichen Ziele und ermöglichen immer noch bahnbrechende Wissenschaft, während sie den Mond weiter kartiert.

Eine kurze Liste der technischen Errungenschaften beinhaltet: globale Karten mit unterschiedlicher Beleuchtung,

eine Karte von permanent beschatteten Regionen, globale Topographie, die erste detaillierte ultraviolette Karte des Mondes und hochauflösende Karten und Topographie mit überraschender Bodenkoordinatengenauigkeit.

Wissenschaftliche Entdeckungen aus den LROC-Bildern beinhalten neue Einblicke in die Physik der Impaktkraterbildung, die Entdeckung sehr junger vulkanischer Merkmale, die Bestätigung, dass der Mond schrumpft, die Entdeckung von siliziden Vulkanen, ein neues Verständnis davon, wie Licht mit der Oberfläche interagiert und vieles mehr .

Die technischen und wissenschaftlichen Entdeckungen von LROC sind jedoch nicht Gegenstand der Ausstellung des Nationalen Luft- und Raumfahrtmuseums. Vielmehr ist es die Offenbarung des Mondes als einer schönen und fesselnden Welt für sich, die das Thema dieser kleinen Bildersammlung ist. Die Mondlandschaft kann dramatisch, einnehmend, mysteriös, wundersam und manchmal auch verwirrend sein. Der ganze Charakter einer Landschaft kann bedrohlich, freundlich oder inspirierend wirken, wenn sich das Licht während eines Mondtages verändert. Aber in jedem Fall wird der Mond als ein verlockendes Ziel gesehen, irgendwo, wo ich hin will und entdecke.

Ich hoffe, dass die LROC-Bilder einen Mond enthüllen werden, von dem Sie nie wussten, dass er existiert. Ich habe keinen Zweifel, dass die Menschen eines Tages zum Mond zurückkehren und sich dann zum Mars und darüber hinaus bewegen werden. Die großen Fragen sind - von wem und wann?