richard ghail thomas widemann colin wilson · 30th november 2016 ‐‐vexag 14 slide 2© rich...

22
30 th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus Richard Ghail Lead Proposer Thomas Widemann Programme Management Lead Colin Wilson Science Investigation Lead

Upload: duongkien

Post on 19-Aug-2018

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14  © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Richard GhailLead Proposer

Thomas WidemannProgramme Management Lead

Colin WilsonScience Investigation Lead

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 2 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Key Science Goals:

• Determine the level and nature 

of current geological activity

• Determine the sequence of 

geological events that generated 

its range of surface features

• Assess whether Venus once had 

oceans or was hospitable for life

• Understand the organising geodynamic framework that controls 

the release of internal heat over the history of the planet.

Using r.m.s. slope as a proxy for crustal‐scale strain reveals strain partitioning into strong lowland terranes bounded by weak deformation belts and weaker uplands 

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 3 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Key Science Goals:

• Determine the level and nature

of current geological activity

• Determine the sequence of 

geological events that generated 

its range of surface features

• Assess whether Venus once had 

oceans or was hospitable for life

• Understand the organising geodynamic framework that controls 

the release of internal heat over the history of the planet.

Using r.m.s. slope as a proxy for crustal‐scale strain reveals strain partitioning into strong lowland terranes bounded by weak deformation belts and weaker uplands 

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 4 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Key Science Goals:

• Determine the level and nature

of current geological activity

• Determine the sequence of 

geological events that generated 

its range of surface features

• Assess whether Venus once had 

oceans or was hospitable for life

• Understand the organising geodynamic framework that controls 

the release of internal heat over the history of the planet.

Using r.m.s. slope as a proxy for crustal‐scale strain reveals strain partitioning into strong lowland terranes bounded by weak deformation belts and weaker uplands 

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 5 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Key Science Goals:

• Determine the level and nature

of current geological activity

• Determine the sequence of 

geological events that generated 

its range of surface features

• Assess whether Venus once had 

oceans or was hospitable for life

• Understand the organising geodynamic framework that controls 

the release of internal heat over the history of the planet.

We are more used to thinking about rifts and other structural features than the terranes bounded by them. Note the distributed low‐level interior strain

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 6 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Key Science Goals:

• Determine the level and nature

of current geological activity

• Determine the sequence of 

geological events that generated 

its range of surface features

• Assess whether Venus once had 

oceans or was hospitable for life

• Understand the organising geodynamic framework that controls 

the release of internal heat over the history of the planet.

Global Zonal Reconnaissance Exploration Locality

Coverage >95% >95% >20% >2% >0∙2%

Unit Area Global 2500 × 2500 km 1500 × 1500 km 100 × 100 km 5 × 5 km

Resolution 50 km 150 m 30 m 6 m 1 m

Feature Size 150 km 500 m 100 m 20 m <4 m

Geomorphological Features

Structures Terra ‘continents’, Planitia Chasmata, Dorsa Folds, graben Fault scarps

Volcanoes Volcanic rises (Regio) Volcanic edifices Lava Flows Flow textures

Sediments ‘Featureless’ plains Parabolas, halos Landslides Dunes

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 7 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Key Science Goals:

• Determine the level and nature

of current geological activity

• Determine the sequence of 

geological events that generated 

its range of surface features

• Assess whether Venus once had 

oceans or was hospitable for life

• Understand the organising geodynamic framework that controls 

the release of internal heat over the history of the planet.

Goal Measurement Resolution Instrument

Surface change < ±1 cm a⁻¹ at 10–50 m spatial VenSAR‐I

Geomorphology Images at 10–50 m spatial VenSAR‐P

Topography at 10–50 m vertical, 100–500 m spatial VenSAR‐P

Specified targets Images at 1–10 m spatial VenSAR‐H / VenSAR‐S

Subsurface structure Profiles at 10–50 m vertical and 100–500 m spatial SRS

Thermal emissivity Signal to noise >100 at <50 km spatial VEM‐M, VenSAR‐R

SO₂ concentration < ±1% at <300 km spatial and 30–40 km altitude VEM‐H / VEM‐U

H₂O concentration < ±10% at <300 km spatial and <15 altitude VEM‐H / VEM‐U

D/H ratio < ±10% at <300 km spatial and <15 altitude VEM‐H

Gravity field Spherical harmonic degree and order 120 Tracking

Spin Rate < ±10⁻⁸ (1 minute in one Venus day) VenSAR‐S + Tracking

Spin Axis < ±0∙001° in right ascension and declination  VenSAR‐I

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 8 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Shrouded in permanent clouds, the 90 bar, 750 K Venus atmosphere is prohibitive for surface rovers and opaque at wavelengths shorter than ~3∙5 cm.

In other respects the atmosphere is benign:• The total electron count is <1 TeV• IR brightness temperature ~50 K cooler than Earth• Drag‐free orbits above 220 km altitude

EnVision’s InSAR coherence requirement drives our choice for an S‐band radar.

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 9 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

NovaSAR will consist offour small low‐cost SARsatellites providing globalcontinuous environmentalmanagement anddisaster monitoring. Thefirst is being fundedby the UK governmentfor launch in early 2017.

VenSAR is undergoingdesign work to hardenagainst thermal andionising radiation duringinterplanetary cruise and at Venus.

During operations, the extreme thermal range during the short orbit effectively limits the operating time to about 15 minutes per orbit.

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 10 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Resolution Looks Tx Incidence Sensitivity Swath Duration Data

VI1 InSAR 27 m 18 4% 21° – 31° −21∙8 dB 53 km 498 s 66 Mbps

VI2 InSAR 27 m 18 4% 19° – 29° −20∙9 dB 53 km 498 s 68 Mbps

VI3 InSAR  27 m 18 4% −21° – −31° −21∙8 dB 53 km 498 s 66 Mbps

VP1 StereoPolSAR 30 m 9 4% 37° – 41° −16∙9 dB 53 km 873 s 127 Mbps

VH1 HiRes 6 m 6 20% 38° – 43° −20∙1 dB 22 km 291 s 353 Mbps

VH2 HiRes 6 m 6 20% 38° – 43° −20∙1 dB 32 km 291 s 513 Mbps

VS1 Spotlight 1 m 1 20% 38° – 39° −21∙5 dB 5 km 4 s 468 Mbps

VR1 Radiometry 5 × 30 km n/a 0% −4° – +4° ~1 K 38 km <2760 s <0∙25 kbps

Level 1 dataSingle‐look complex images (SLC)Multi‐look map oriented images (GRD)Radiometry profilesInitial ephemeris dataLevel 2 dataInterim geocoded image mosaicsOrbit‐orbit interferogramsRevised ephemeris dataLevel 3 dataGround surface change / deformation mapsGeocoded & orthorectified image mosaicsDigital Elevation Models (gridded at 60 m)

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 11 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Simulated Magellan110 m resolution SARimage of Holuhraun,Iceland (derived fromSentinel 1a data). Noticethe low contrast from2‐bit BAQ compressionand foreshortening due to lack of appropriate DEM.

Simulated 30 m resolution HHVHVV StereoPolSARimage (derived from Sentinel 1a data). Note the new lava flow in blue at lower left.Scale bar in all images is 2 km.

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 12 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Simulated Magellan110 m resolution SARimage of Holuhraun,Iceland (derived fromSentinel 1a data). Noticethe low contrast from2‐bit BAQ compressionand foreshortening due to lack of appropriate DEM.

Simulated 30 m resolution HHVHVV StereoPolSARimage (derived from Sentinel 1a data). Note the new lava flow in blue at lower left.Scale bar in all images is 2 km.

Simulated 6 m resolution HiRes image (derived from TerraSAR‐X data).

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 13 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Simulated Magellan110 m resolution SARimage of Holuhraun,Iceland (derived fromSentinel 1a data). Noticethe low contrast from2‐bit BAQ compressionand foreshortening due to lack of appropriate DEM.

Simulated 30 m resolution HHVHVV StereoPolSARimage (derived from Sentinel 1a data). Note the new lava flow in blue at lower left.Scale bar in all images is 2 km.

Simulated 6 m resolution HiRes image (derived from TerraSAR‐X data).

NovaSAR 6 m airborne test data, Pembroke Dock

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 14 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

The Radar Sounder for EnVision can acquire information on the shallow subsurface with the following main scientific goals:• Characterisation of the different stratigraphic and structural 

patterns of the subsurface.• Study the volcanism phenomena and their impact on the 

geological evolution of the Venusian topography.• Detection of subsurface structures non directly linked with 

surface.• Analysis of the materials in the surface and subsurface and 

their metamorphism linked to the burial process.• Synergistic analysis of the data provided by SAR and radar 

sounder sensors to study the evolution of the planet.• Analysis of the total electron content of the

ionosphere.One of the main issues for the design of theradar sounder instrument for EnVision concernsthe physical and electromagnetic modelling ofthe surface and subsurface targets.

Transmitted central frequency (fc)  In the range 6 ‐ 30 MHz 

Transmitted bandwidth (Bw)  In the range 2 ‐ 10  MHz 

Antenna type  Dipole (deployable) 

Antenna dimension  TBD (depending on the central  frequency) 

Power  30 W 

Along track resolution  < 1 km 

Across track resolution  < 5 km 

Vertical resolution  75 m (Bw=2 MHz) ‐ 15 m (Bw=10 MHz) (vacuum) 

Estimated maximum penetration depth  1.5 Km (fc=6 MHz)  ‐  600 m (fc=30 MHz) 

Data rate  300 – 10000  kbps (depending on selected  parameters and operation scenarios) 

Mass (without antenna)  10 kg 

Size  37×25×13 cm 

Pointing requirements  Nadir 

SHARAD  radargram  over  a portion  of  western  Medusae Fossae  Formation,  a  low‐density  pyroclastic  deposit spanning  across  the  crustal dichotomy  of  Mars.  The deposit  labelled  "North  Hill“ (nh)  is  about  500  m  thick (taken from [6]).    

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 15 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

The Radar Sounder for EnVision can acquire information on the shallow subsurface with the following main scientific goals:• Characterization of the different stratigraphic and structural 

patterns of the subsurface.• Study the volcanism phenomena and their impact on the 

geological evolution of the Venusian topography.• Detection of subsurface structures non directly linked with 

surface.• Analysis of the materials in the surface and subsurface and 

their metamorphism linked to the burial process.• Synergistic analysis of the data provided by SAR and radar 

sounder sensors to study the evolution of the planet.• Analysis of the total electron content of the

ionosphere.One of the main issues for the design of theradar sounder instrument for EnVision concernsthe physical and electromagnetic modelling ofthe surface and subsurface targets.

SHARAD  radargram  over  a portion  of  western  Medusae Fossae  Formation,  a  low‐density  pyroclastic  deposit spanning  across  the  crustal dichotomy  of  Mars.  The deposit  labelled  "North  Hill“ (nh)  is  about  500  m  thick (taken from [6]).    

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 16 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

VIRTIS has mapped the hot surface at 1 μm using emissivity data[Helbert, Müller, et al. 2008& Müller, Helbert et al. 2009, 2010]

Key Parameter ValueInstrument Concept Pushbroom design

FOV / swath 60° / 250 km

Detector SOFRADIR “Neptune” 500 X 256 HgCdTe array

Cooled focal plane 150 K, pulse‐tube cooler

14 spectral bands Bandwidth < 10 nm Variation < 1nm

Processed Data Rate 190 kb/s (1 Mb/orbit)

Mass / Power (CBE) ~5.4 kg / ~18.5 W

Volume 30 cm x 30 cm x 40 cm

VEM‐M spectral bands and science themes

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 17 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

E. Marcq et al. (Venus Express); L. Esposito et al. (earlier data); image ESA/AOES Medialab

Left: the optical assembly, which is inverted and mounted on a baseplate on the underside of the radiator.Right: the SOFRADIR detector for NOMAD on ExoMars.

VEM‐H is a spectrometer probing the near‐infrared nightside windows with very high spectral resolution (resolving power ~ 40,000). It will:• Quantify SO₂, H₂O and HDO in the lower atmosphere• Characterise of volcanic plumes• Detect other sources of gas exchange with the surface• Complement VenSAR and VEM‐M surface observations

VEM‐U is a small, light, UV spectrometer which will map mesospheric SO₂ abundances on the dayside of Venus. Together with VEM‐M and VEM‐H it will link surface, tropospheric and mesospheric changes in SO₂, H₂O and other gases.

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 18 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

Venus apparently rotated more quickly during the period of the Magellan mission (small red error bars, 1990‐1992) than it did in the first Earth‐based observations (green) or in later measurements from Earth and by Venus Express (blue). Vertical bars indicate measurement uncertainty, horizontal bars the period over which the measurement was made.

Preliminary simulations indicate that an accuracy of ~±0∙002 in k₂ is achievable by stacking together 3 years of navigation tracking data of EnVision spacecraft, more than sufficient to distinguish between different models of internal structure.

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 19 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

EnVision is a 2m cubic platform with a dry mass of 950 kg.Planned for launch from an Ariane 6.2 in October 2029,200 days aerobraking are anticipated to achieve the259  km altitude circular polar orbit.

The following operating modes are planned during each24‐hour period:

Communications mode: 5½ hour HGA Earth‐pointed,solar array oriented towards the Sun, one‐axis degreeof freedom;

VenSAR mode: <15 minutes, inertial 3‐axes pointed,nadir face facing Venus centre, rolled by up to ±35°around the spacecraft velocity vector (x‐axis); and

Night side science mode: 45 minute nadir face facingVenus centre, inertial 3‐axes pointed.

Telemetry is provided by a fixed 3‐m, 65 W RF, Ka‐bandhigh gain antenna. With GMSK (0∙5) modulation and 1/4Turbo codes, a minimum link rate of 4 Mbps is achieved.

Platform could support a secondary Cubesat payload

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 20 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 21 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

30th November 2016 ‐‐ VEXAG 14 Slide 22 © Rich Ghail EnVision: European Plans for Venus

We have a very poor understanding of Venus, particularly its surface materials

High resolution imagery, topography and compositional data are needed to understand

D‐InSAR change detection will determine the location and nature of geological activity on Venus today

Surface, tropospheric and mesospheric volatile measurements will characterise geochemical cycles

Calibrated polarimetric and high resolution contextual imagery of the Venera landing sites is needed to understand what the landers imaged

EnVision will take our knowledge of Venus towards that of Mars today

Venera 13 landing site[Don P. Mitchell]