The possibility of ultraviolet Enceladus’ observations from stratospheric balloons

• Autorzy: Kotlarz Jan , Zalewska Natalia

Identyfikatory

DOI

10.2478/TAR-2019-0002

Warianty tytułu

PL

Analiza możliwości obserwacji Eenceladusa w ultrafiolecie za pomocą balonów stratosferycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Stratospheric balloons are very important sources for space and terrestrial observation experiments in many disciplines. Instruments developed for astrophysical measurements are usually reusable. It is also possible to observe both hemispheres including observations from the polar and equatorial regions for thirty days or even longer. On the other hand the UV atmospheric transmittance window was used for the astrophysical observations less often than visible optical bands. At the end of the 2017 there are a few scientific groups working on near-UV or UV spectrographs and cameras for balloon flights. In this paper we are discussing the possibility of ultraviolet measurement of Enceladus, an icy Saturnian moon, surface reflectance between 200 and 400 nm from the 20-50 km altitudes. At visible and near infrared optical channels Enceladus’ reflectance is very high (near 1.0). This value is consistent with a surface composed of water ice, however at some ultraviolet wavelengths Enceladus reflectance is lower than it would be expected for this type of surface. The scientific research done in the last decade was focused on H₂O, NH₃, and tholin particles detection on the Enceladus’ surface as a reason of low UV reflectance phenomenon. Continuous observation of Enceladus’ UV reflectance variability from stratospheric balloons may be interesting and may give us the proof of the presence of biomarkers or/and tholin particles.

PL

Balony stratosferyczne są bardzo ważnymi źródłami danych w badaniach kosmosu i obserwacji powierzchni Ziemi w wielu dyscyplinach naukowych. Instrumenty opracowane do pomiarów astrofizycznych są zwykle wielokrotnego użycia. Za pomocą balonów możliwe jest również obserwowanie obu półkul nieba, w tym obserwacji z regionów polarnych i równikowych przez trzydzieści dni lub nawet dłużej. Z drugiej strony okno transmitancji atmosferycznej UV było wykorzystywane w obserwacjach astrofizycznych rzadziej niż pasma optyczne z zakresu widzialnego. Pod koniec 2017 r. istnieje kilka grup naukowych zajmujących się budową spektrografów czułych na promieniowanie UV lub bliskie UV możliwych do montażu na balonach stratosferycznych. W niniejszym artykule omawiamy możliwość pomiaru współczynnika odbicia powierzchniowego Enceladusa, lodowego księżyca Saturna, w paśmie UV między 200 a 400 nm z wysokości 20-50 km. W pasmach widzialnym i bliskiej podczerwieni reflektancja Enceladusa jest bardzo wysoka (blisko 1,0). Wartość ta jest zgodna z modelami reflektancji powierzchni składającej się z lodu wodnego, jednak w niektórych pasmach UV współczynnik odbicia Enceladusa jest niższy, niż można się było spodziewać w przypadku tego typu powierzchni. Badania naukowe przeprowadzone w ostatnim dziesięcioleciu koncentrowały się na detekcji cząsteczek H₂O, NH₃ i tiolin na powierzchni tego księżyca. Ciągła obserwacja zmienności współczynnika odbicia promieniowania w paśmie UV za pomocą balonów stratosferycznych może być interesująca i może dać nam dowód na obecność biomarkerów i / lub cząstek tiolin na powierzchni Enceladusa.

Słowa kluczowe

EN

stratospheric balloons; Enceladus; ultraviolet; water ice; tholin

PL

balon stratosferyczny; Enceladus; ultrafiolet; lód wodny; tioliny

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2019
• Tom: Nr 1 (254)
• Strony: 17--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Kotlarz Jan

• European Astrobiology Network Association

autor

Zalewska Natalia

• Center of Space Technologies, Institute of Aviation, Al. Krakowska 110/112, 02-256 Warsaw

Bibliografia

• [1] Judge P., 2017, “A novel strategy to seek biosignatures at Enceladus and Europa”, Astrobiology, 17(9), 852-861.
• [2] Vollmer M., Klaus-Peter, M. Ã., 2017, Infrared thermal imaging: fundamentals, research and applications, John Wiley & Sons.
• [3] Carn S. A., Krotkov, N. A., 2016, Volcanic Ash, Elsevier, Chap. 12.
• [4] Becker T. M., Retherford K. D., Roth L., McGrath M. A., Saur J., Hendrix A. R., Raut U., 2016, “Far-UV Spectral and Spatial Analysis from HST Observations of Europa”, AGU Fall Meeting Abstracts.
• [5] Czapski P., Dorosz K., Kacprzak M., Korniluk T., Kotlarz J., Mazur A., Rotchimmel K., 2016, “Pozyskiwanie i przetwarzanie danych lotniczych i satelitarnych przez zespół badawczy Zakładu Teledetekcji Instytutu Lotnictwa” (Acquisition and processing of aerial and satellite data by a research team of the Remote Sensing Department in Institute of Aviation), Przegląd Geodezyjny, 88(3), 4-9.
• [6] Romualdez L. J., Benton S. J., Clark P., Damaren C. J., Eifler T., Fraisse A. A., Lipton L., 2016, “The design and development of a high-resolution visible-to-near-UV telescope for balloon-borne astronomy: SuperBIT”. arXiv preprint arXiv:1608.02502.
• [7] Sreejith A. G., Mathew J., Sarpotdar M., Nirmal K., Ambily S., Prakash A., Murthy J., 2016, “Balloon UV experiments for astronomical and atmospheric observations”, arXiv preprint arXiv:1608.06385.
• [8] Ambily S., Mathew J., Sarpotdar M., Sreejith A. G., Nirmal K., Prakash A., Murthy J., 2016, “Near UV imager with an MCP-based photon counting detector”, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, Vol. 9905, p. 990539, International Society for Optics and Photonics.
• [9] Danielson R. E., 1961, “The Structure of Sunspot Penumbras”, The Astrophysical Journal, 134, p. 275.
• [10] Solanki S. K., Barthol P., Danilovic S., Feller A., Gandorfer A., Hirzberger J., del Toro Iniesta J. C., 2010, “SUNRISE: instrument, mission, data, and first results”, The Astrophysical Journal Letters, 723(2), L127.
• [11] Milliard B., Donas J., Laget M., 1991, “A 40-cm UV (2000 Å) balloon-borne imaging telescope: results and current work”, Advances in Space Research, 11(11), 135-138.
• [12] Donas J., Deharveng J. M., Laget M., Milliard B., Huguenin D., 1987, “Ultraviolet observations and star-formation rate in galaxies”, Astronomy and Astrophysics, 180, 12-26.
• [13] Schwarzschild M., 1959, “Photographs of the Solar Granulation Taken from the Stratosphere”, The Astrophysical Journal, 130, 345.
• [14] Hansen C. J., Esposito L. W., Aye K. M., Colwell J. E., Hendrix A. R., Portyankina G., Shemansky D., 2017, “Investigation of diurnal variability of water vapor in Enceladus' plume by the Cassini ultraviolet imaging spectrograph”, Geophysical Research Letters, 44(2), 672-677.
• [15] Hansen C., Esposito L., Colwell J., Hendrix A., Portyankina G., 2017, “Enceladus Plume Morphology and Variability from UVIS Measurements”, AAS/Division for Planetary Sciences Meeting Abstracts, Vol. 49.
• [16] Teolis B. D., Perry M. E., Hansen C. J., Waite J. H., Porco C. C., Spencer J. R., Howett C. J., 2017, “Enceladus Plume Structure and Time Variability: Comparison of Cassini Observations”, Astrobiology, 17(9), 926-940.
• [17] Hendrix A. R., Hansen C. J., Royer E. M., Cassidy T. A., Esposito L. W., Holsclaw G. M., 2017, “Enceladus: Using UV Data to Study Plume Fallout”, Lunar and Planetary Science Conference, Vol. 48.
• [18] Scipioni F., Schenk P., Tosi F., D'Aversa E., Clark R., Combe J. P., Dalle Ore C. M., 2017, “Deciphering submicron ice particles on Enceladus surface”, Icarus, 290, 183-200.
• [19] Khare B. N., Sagan C., 1979, “Organic dust synthesized in reducing environments by ultraviolet radiation or electric discharge”, Astrophysics and Space Science, 65(2), 309-312.
• [20] Neish C. D., Somogyi Á., Smith M. A., 2010, “Titan's primordial soup: formation of amino acids via low-temperature hydrolysis of tholins”, Astrobiology, 10(3), 337-347.
• [21] Zalewska N., Kotlarz J., Kacprzak M., Korniluk T., 2017, „Detekcja biomarkerów w pióropuszach gazowych za pomocą kamery wielospektralnej w projektowanej misji Enceladus Orbiter (NASA)” (“Detection of Biomarkers in Gas Plumes Using a Multi-Spectral Camera in the Proposed Enceladus Orbiter Mission (NASA)”). Pomiary Automatyka Robotyka, 21(3), 35-44.
• [22] Huffman R. E., 1985, “Atmospheric emission and absorption of ultraviolet radiation”, Handbook of Geophysics and the Space Environment, Chap. 22, Air Force Geophysics Laboratory, Air Force Systems Command, US Air Force, Springfield.
• [23] Lutgens F. K., Tarbuck E. J., Tusa D., 1995, The atmosphere. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall.
• [24] Enfield D. B., Smith P. J., 2017, “Climate”, from: https://www.britannica.com/science/ climate-meteorology/Winds-in-the-stratosphere-and-mesosphere
• [25] Hendrix A. R., Hansen C. J., Holsclaw G. M., 2010, “The ultraviolet reflectance of Enceladus: Implications for surface composition”, Icarus, 206(2), 608-617.
• [26] Hendrix A. R., Hansen, C. J., 2009, “The surface composition of Enceladus: clues from the Ultraviolet”, Proceedings of the International Astronomical Union, 5(S263), 126-130.
• [27] Farrell W. M., Wahlund J. E., Morooka M., Gurnett D. A., Kurth W. S., MacDowall R. J., 2012, “The electromagnetic pickup of submicron-sized dust above Enceladus’s northern hemisphere”, Icarus, 219(1), 498-501.
• [28] Newman S. F., Buratti B. J., Jaumann R., Bauer J. M., Momary T. W., 2007, “Hydrogen peroxide on Enceladus”, The Astrophysical Journal Letters, 670(2), L143.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).