Detekcja biomarkerów w pióropuszach gazowych za pomocą kamery wielospektralnej w projektowanej misji Enceladus Orbiter (NASA)

• Autorzy: Zalewska N. , Kotlarz J. , Kacprzak M. , Korniluk T.

Identyfikatory

DOI

10.14313/PAR_225/35

Warianty tytułu

EN

Detection of Biomarkers in Gas Plumes Using a Multi-Spectral Camera in the Proposed Enceladus Orbiter Mission (NASA)

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W publikacji podjęto się próby odpowiedzi na pytanie o możliwość analizy składu chemicznego pióropuszy, wykorzystując ich wielospektralne zobrazowania wykonane za pomocą projektowanych dla nowej misji układów optycznych. Stosując teoretyczną analizę transmitancji warstw gazowych złożonych z H₂O i CO₂ oraz na podstawie przyjętego fizycznego modelu transmitancji promieniowania przez warstwę gazu widocznego na tle o ustalonej reflektancji wybrano pasmo optyczne 0,73 μm pozwalające na najlepsze rozróżnienie tych dwóch substancji. W celu walidacji otrzymanego wyniku przeprowadzono eksperyment fotografując za pomocą kamery wielospektralnej Quercus.6 strumienie gazowe złożone z obu biomarkerów na tłach o wysokiej (> 0,95) oraz niskiej (< 0,05) reflektancji w paśmie światła widzialnego i NIR. Pozyskane dane potwierdziły wynik analizy sygnatur spektralnych transmitancji obu biomarkerów. Na podstawie otrzymanego w doświadczeniu wyniku ustalono brzegowe parametry sensora i układu optycznego dla projektowanej dla orbitera kamery wielospektralnej pozwalające na oszacowanie względnej zawartości H₂O i CO₂ w pióropuszach fotografowanych na tle przestrzeni kosmicznej z dokładnością 2%: kanał optyczny λ = 0,730 ±0,020 μm, prędkość względna między orbiterem a księżycem v < 200 m/s, czas ekspozycji t_EXP < 12 ms, iloczyn współczynnika efektywności kwantowej całego układu optycznego i względnych różnic reflektancji rejestrowanych obiektów w wybranym kanale ≥ 2,5%, wielkość pojedynczego piksela na detektorze CCD ≥ (3,75 · 3,75) μm², głębokość studni potencjału piksela CCD ≥ 12 400 e^–, zapis danych RAW co najmniej 8-bitowy. Otrzymany optymalny kanał nie był rejestrowany za pomocą stosowanych w poprzednich misjach sensorów optycznych MVIC. Stosowanie opisanej metodyki rozróżniania biomarkerów jest możliwe pod warunkiem, że jeden z czterech kanałów optycznych projektowanej kamery MAC będzie zawierać kanał 0,73 μm.

EN

The cause of the cryovolcanic activity on the Enceladus south hemisphere and related to this activity gas plumes are one of the biggest mysteries of the outer solar system moons. The possibility of the existence of the ocean under Enceladus icy outer layer was confirmed through direct chemical plumes composition measurement during Cassini close flyby 168.2 km over moon’s surface. Three out of the four main plumes components are standard biomarkers (H_{2O, CO2} and CH₄). Physical plumes parameters variability observed also by Cassini, possibility of drawing conclusions about cryovolcanic activity reasons and biotic causes of biomarkers presence in plumes are important reasons of new, dedicated to Enceladus observation, NASA’s mission development. In this paper we are asking about possibility of Enceladus plumes chemical components analysis using multispectral imaging by projected for this new mission sensors. We chose band 0.73 μm for H₂O and CO₂ distinguish using theoretical transmittance gas layers analysis and physical radiation transmittance through gas layer visible on the background material with defined constant reflectance model. In order to validate this result an experiment was conducted. Using multispectral camera Quercus.6 we photographed H₂O and CO₂ gas layers visible on the high (> 0.95) and low (< 0.05) visible light and NIR reflectance backgrounds. The results confirmed theoretical spectral transmittance analysis of those two biomarkers. Based on this result we established boundary parameters of the sensor and optical system projected for the orbiter allowing relative content of the biomarkers estimation with precision up to 2%: optical band λ = 0.730 (± 0.020) μm, relative velocity between orbiter and moon v < 200 m/s, exposition time t_EXP < 12 ms, quantum efficiency of the whole optical system and two biomarkers in selected wavelength reflectance difference product ≥ 2,5%, single CCD pixel physical size ≥ (3,75 · 3,75) μm², potential well depth for one CCD pixel ≥ 12 400 e^–, RAW data record at least 8-bit. Optimal result waveband wasn’t recorded before using MVIC optical systems during past missions. If we want to apply proposed in this paper biomarkers distinguish methodology one out of four optical channels of the MAC camera projected for the new mission should cover also selected wavelength.

Słowa kluczowe

PL

Enceladus; biomarkery; analizy wielospektralne; sensory

EN

Enceladus; biomarkers; multispectral analysis; sensors

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Robotyka
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 21, nr 3
• Strony: 35--44
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Zalewska N.

• Instytut Lotnictwa, Zakład Teledetekcji, Al. Krakowska 110/114, 02-256, Warszawa
• Centrum Badań Kosmicznych PAN, ul. Bartycka 18A, 00-001 Warszawa

autor

Kotlarz J.

• Instytut Lotnictwa, Zakład Teledetekcji, Al. Krakowska 110/114, 02-256, Warszawa

autor

Kacprzak M.

• Instytut Lotnictwa, Zakład Teledetekcji, Al. Krakowska 110/114, 02-256, Warszawa

autor

Korniluk T.

• Instytut Lotnictwa, Zakład Teledetekcji, Al. Krakowska 110/114, 02-256, Warszawa

Bibliografia

• 1. Berk A., Conforti P., Kennett R., Perkins T., Hawes F., van den Bosch J., MODTRAN6: a major upgrade of the MODTRAN radiative transfer code. [w:] Proceedings SPIE 9088, Algorithms and Technologies for Multispectral, Hyperspectral, and Ultraspectral Imagery XX, 90880H (June 13, 2014); DOI: 10.1117/12.2050433.
• 2. Bouquet A., Mousis O., Waite J.H., Picaud S., Possible evidence for a methane source in Enceladus’ ocean. „Geophysical Research Letters”, Vol. 42, Iss. 5, 2015, 1334-1339, DOI: 10.1002/2014GL063013.
• 3. Czapski P., Kacprzyk M., Korniluk T., Kotlarz J., Kubiak K., Mazur A., Mrowiec K., Oszako T., Pieniążek J., Pośpieszczyk A., Tkaczyk M., Wodziński K., Zalewska N., Budowa i zastosowanie platformy wielosensorowej w badaniu wybranych parametrów środowiska. „Prace Instytutu Lotnictwa”, Nr 1 (234) March 2014, 126-142.
• 4. Fujishima K., Dziomba S., Takahagi W., Shibuya T., Takano Y., Guerrouache M., Carbonnier B., Takai K., Rothschild L., Yano H., A Fly-Through Mission Strategy Targeting Peptide as a Signature of Chemical Evolution and Possible Life in Enceladus Plumes. 2016.
• 5. Hansen C., Esposito L., Colwell J., Hendrix A., Portyankina G., Shemansky D., West R., Deriving the Structure and Composition of Enceladus’ Plume from Cassini UVIS Observations. „AAS/Division for Planetary Sciences Meeting Abstracts”. Vol. 47, 2015.
• 6. Hedman M.M., Gosmeyer C.M., Nicholson P.D., Sotin C., Brown R.H., Clark R.N., Baines K.H., Buratti B.J., Showalter M.R., An observed correlation between plume activity and tidal stresses on Enceladus. „Nature”, 500.7461, 2013, 182-184, DOI: 10.1038/nature12371.
• 7. Howett C.J.A., Parker A.H., Olkin C.B., Reuter D.C., Ennico K., Grundy W.M., Lovering J.R., Inflight Radiometric Calibration of New Horizons’ Multispectral Visible Imaging Camera (MVIC). arXiv preprint arXiv:1603.08940, 2016.
• 8. Hurford T., Bruce B., Helfenstein P., Greenberg R., Hoppa G., Hamilton D., DPS meeting #40, id.8.06; „Bulletin of the American Astronomical Society”, Vol. 40, 399, 09/2008.
• 9. Ingersoll A.P., Shawn P.E., Decadal timescale variability of the Enceladus plumes inferred from Cassini images. „Icarus”, Vol. 282, 2017, 260-275, DOI: 10.1016/j.icarus.2016.09.018.
• 10. Kurczyński Z., Fotogrametria, PWN, Warszawa 2014.
• 11. Lefevre, A., Tobie G., Choblet G., Cadek O., Mitri G., Massé M., Behounkova M. Enceladus’ internal ocean constrained from Cassini gravity and topography data. European Planetary Science Congress 2015, held 27 September-2 October, 2015 w Nantes, Francja, On-line: http://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2015, id.EPSC2015-803. Vol. 10. 2015.
• 12. Mahaffy, Paul R., et al. The sample analysis at Mars investigation and instrument suite. „Space Science Reviews”, Vol. 170, Iss. 1–4, 2012, 401-478.
• 13. Patthoff D.A., Kattenhorn S.A., A fracture history on Enceladus provides evidence for a global ocean. „ Geophysical Research Letters”, Vol. 38, Iss. 18, 2011, DOI: 10.1029/2011GL048387.
• 14. Perry M.E., et al. Cassini INMS measurements of Enceladus plume density. „Icarus”, Vol. 257, 2015, 139-162, DOI: 10.1016/j.icarus.2015.04.037.
• 15. Poinot P., Geffroy-Rodier C., Searching for organic compounds in the Universe. „TrAC Trends in Analytical Chemistry”, Vol. 65, 2015, 1-12, DOI: 10.1016/j.trac.2014.09.009.
• 16. Porco, Carolyn C., et al. Cassini imaging science: Instrument characteristics and anticipated scientific investigations at Saturn. „Space Science Reviews”, Vol. 115, Iss. 1-4, 2004, 363-497.
• 17. Porco C. C. et al. (2006) Cassini Observes the Active South Pole of Enceladus, „Science”, 311, Iss. 5766, 1393-1401. DOI: 10.1126/science.1123013
• 18. Spencer J.R., Pearl J.C., Segura M., Flasar F.M., Mamoutkine A., Romani P., Buratti B.J., Hendrix A.R., Spilker L.J., Lopes R.M.C., Cassini Encounters Enceladus: Background and the Discovery of a South Polar Hot Spot. „Science”. Vol. 311, Iss. 5766, 2006, 1401-1405, DOI: 10.1126/science.1121661.
• 19. Spencer J.R., Planetary Science Decadal Survey Enceladus Orbiter, Mission Concept Study, http://sites.nationalacademies. org/cs/groups/ssbsite/documents/webpage/ssb_059320.pdf
• 20. Stockton, Amanda M., Tjin C.C., Huang G.L., Benhabib M., Chiesl T.N., Mathies R.A., Analysis of carbonaceous biomarkers with the Mars Organic Analyzer microchip capillary electrophoresis system: aldehydes and ketones. „Electrophoresis” 31.22, 2010, 3642-3649, DOI: 10.1002/elps.201000424.
• 21. Thomas P.C. et al. Enceladus’s measured physical libration requires a global subsurface ocean, „Icarus”, Vol. 264, 15 January 2016, 37-47. DOI: 10.1016/j.icarus.2015.08.037.
• 22. Tunnicliffe V., The Biology of Hydrothermal Vents: Ecology and Evolution. „Oceanography and Marine Biology an Annual Review”. 29, 1991, 319-408.
• 23. Waite J.H. Jr, et al. Cassini ion and neutral mass spectrometer: Enceladus plume composition and structure. „Science”, 311.5766, 2006, 1419-1422, DOI: 10.1126/science.1121290.
• 24. Waite J.H. Jr, et al. Liquid water on Enceladus from observations of ammonia and 40Ar in the plume. „Nature”, 460.7254, 2009, 487-490.
• 25. Zolotov Mikhail Y. An oceanic composition on early and today’s Enceladus. „Geophysical Research Letters”, Vol. 34, Iss. 23, 2007, DOI: 10.1029/2007GL031234.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).