¿Cómo mide la temperatura una sonda atmosférica durante el descenso?

Como se describe con gran detalle por Al Seiff y TCD Knight en su artículo de mayo de 1992 en Space Science Reviews, Vol 60; El instrumento Galileo Probe Atmosphere Structure (que se puede leer sin paywall haciendo clic en " imprimir este artículo"), la sonda Galileo midió las temperaturas atmosféricas en la troposfera de Júpiter con un termómetro de resistencia de platino (PRD). A diferencia de un termopar, un PRD no genera un potencial eléctrico significativo (voltaje) por sí solo. En cambio, la electrónica del instrumento pone un pequeño voltaje a través de un alambre de platino muy delgado. La resistencia de ese alambre de platino depende de su temperatura. El instrumento mide la corriente que fluye a través del alambre como resultado del voltaje aplicado. Eso se puede convertir en la resistencia del alambre (a través de E = IR), y de eso a su temperatura. Dado que un flujo de corriente puede calentar el cable de platino, el voltaje aplicado es muy bajo para mantener la corriente y, por lo tanto, el calentamiento bajo. Pero el cable es MUY delgado, por lo que cualquier calor generado por el flujo de corriente se disipa rápidamente en el (rápidamente) atmósfera que fluye alrededor del sensor.El cable delgado también ayuda a llegar rápidamente al equilibrio con la atmósfera circundante, por lo que hay poco "retraso térmico".

El radiómetro de la sonda Galileo debía medir, en función de la profundidad de la atmósfera, cuánta energía radiante (luz solar) se propagaba hacia abajo en la atmósfera de Júpiter, frente a cuánta energía radiante se propagaba hacia arriba (radiación térmica al espacio). Esto permitió a los científicos atmosféricos medir en qué parte de la atmósfera de Júpiter se depositaba la energía del sol, cuánta energía salía del interior y luego, en correlación con las mediciones de la velocidad del viento del Experimento del viento Doppler, determinar si los vientos de Júpiter son impulsados ​​en gran medida por energía solar o por energía que brota del interior.

Del artículo :

Después de entrar en la atmósfera de Júpiter a 170 700 km/h (~47 km/s), utilizó su escudo térmico ablativo para desacelerar. Después de 2 minutos, y alcanzando niveles de desaceleración de 230 g, viajaba a solo 430 kph. A continuación, desplegó su paracaídas y descendió 200 km durante los siguientes 57,6 minutos, a una velocidad media de 208 km/h.

Hay varias formas de medir la temperatura de una corriente de gas; Todavía estoy investigando el diseño del sistema de detección de temperatura y actualizaré esta sección con los resultados. Aunque se puede decir que cuando la corriente de gas es de baja velocidad, un método viable es utilizar un termopar.

Los termopares tienen una amplia gama de capacidades. Por supuesto, cualquier indicador de temperatura efectivo alcanza rápidamente la temperatura de su entorno, de lo contrario no sería muy útil.

Los termopares funcionan generando un pequeño voltaje eléctrico a partir de la unión de dos metales diferentes, lo que se denomina unión bimetálica.

Como se mencionó, las actualizaciones a seguir. También referencias.

Con respecto a la subpregunta sobre la medición de temperaturas a cierta distancia de la sonda, la respuesta es un sí calificado ; vea abajo. Las mediciones realizadas esencialmente en contacto con el objeto de interés, como la medición de la temperatura de los gases atmosféricos con un sensor en contacto con los gases, se denominan mediciones "in situ". Las mediciones realizadas a distancia por medio de algo, generalmente radiación electromagnética de un tipo u otro, que se propaga desde la ubicación del objeto hasta la ubicación del sensor, se denominan mediciones de "detección remota". Está preguntando si hay técnicas de detección remota que podrían aplicarse a la sonda de entrada atmosférica, ¿verdad?

De hecho, los hay, pero sacrifica tanto la precisión de las mediciones como una gran parte de la asignación de masa del instrumento de la misión. La técnica más utilizada para mediciones remotas de temperatura es la radiometría infrarroja. O puede usar la radiometría de microondas, si está midiendo temperaturas realmente bajas. Pero esta técnica es más útil para medir temperaturas de sólidos. En longitudes de onda infrarrojas, la mayoría de los sólidos tienen emisividades muy cercanas a la unidad, por lo que se comportan más o menos como radiadores de cuerpo negro. Si mide la intensidad de la radiación de cuerpo negro emitida por un objeto en múltiples longitudes de onda (al menos dos, preferiblemente más), la forma del espectro de cuerpo negro le indicará cuál debe ser la temperatura del objeto para ajustarse al patrón de las mediciones. .

Como una aplicación de ejemplo para medir las temperaturas de los sólidos, los radiómetros portátiles económicos que utilizan esta técnica están comúnmente disponibles en las ferreterías. tengo uno en casa Definitivamente son geniales, definitivamente útiles cuando el aire acondicionado de la casa está haciendo algo extraño, y son moderadamente precisos. Nota: ¡no son muy precisos! Para varios materiales, las emisividades infrarrojas varían un poco a lo largo de la banda IR, y esto afecta la suposición de un radiador de cuerpo negro ideal. Entonces, con uno de estos dispositivos, puede obtener temperaturas con una precisión típica de 1 o 2 C, pero no de 0,1 C.

Las mediciones remotas de temperaturas de gases son una bola de cera completamente diferente. Los espectros de emisividad de los gases no son de cuerpo negro y son muy diferentes para diferentes gases, por lo que la suposición de un espectro de cuerpo negro no es válida. Es posible hacer mediciones de radiómetro de intensidad IR e inferir la temperatura de una mezcla de gases, si sabe exactamentela composición de esa mezcla de gases. Si conoce esa composición, entonces puede hacer las mediciones del radiómetro en longitudes de onda cuidadosamente elegidas y retroceder la temperatura. Pero el comportamiento radiativo de los gases es algo similar al comportamiento de conductividad de los semiconductores: solo se necesita una pequeña cantidad de algo para cambiar enormemente su comportamiento, especialmente en una sola longitud de onda. Entonces, si está tratando de hacer mediciones radiométricas de la temperatura de la atmósfera de un planeta gigante, y asume todos los componentes habituales en esa atmósfera (hidrógeno, helio, metano, agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno), pero resulta que también hay un poco de fosfina, monóxido de carbono, cloruro de hidrógeno o algo similar, entonces la calibración del radiómetro ya no es válida y no puede confiar en las temperaturas inferidas.

Otra razón para usar mediciones in situ en una sonda de entrada es que tienen un uso de masa y energía muy bajo. Los radiómetros son más masivos y usan más energía, y esos son bienes preciosos en una misión de sonda de entrada.

Si algunos de los objetivos científicos que está tratando de lograr en un planeta tienen una prioridad tan alta y son tan difíciles de realizar de forma remota que está enviando una sonda de entrada para realizar las mediciones requeridas, entonces la medición de temperaturas in situ es el ganador indiscutible en ese comercio.

La Red de Espacio Profundo de la NASA utiliza un radiómetro de microondas en sus grandes estaciones terrestres para medir no la temperatura del aire local, sino la cantidad de vapor de agua en el aire local. La cantidad de vapor de agua en el aire afecta su índice de refracción, y esto hace una diferencia en las mediciones de la distancia a la nave espacial que están rastreando, lo que es motivo de preocupación, especialmente cuando intentan medir el campo de gravedad del planeta donde se encuentra la nave espacial. Este tipo de medición del vapor de agua es posible porque conocemos la composición de la atmósfera de la Tierra a la perfección, siendo la cantidad variable principal el vapor de agua.