- Мониторинг с помощью Планетного Фурье-спектрометра на КА Марс Экспресс ЕКА, который работает на полярной орбите с 2004 года, позволил получать с помощью предложенной методики температурные профили и аэрозольную оптическую толщину вдоль каждой орбиты, определяя локальные условия в зависимости от местного времени суток: локальные пылевые бури. вечерние туманы, утренние дымки, состав аэрозоля.
Апробация работы и публикации
Всего по теме диссертации опубликовано более 50 работ. Мы приводим 40 наиболее важных из них в конце автореферата.
Результаты докладывались на семинарах по Физике планет в ИКИ а также на большом количестве международных конференций: Генеральных Ассамблеях COSPAR (на каждой, начиная с 1992г), сессиях Европейского Геофизического Союза (EGU), Департамента Планетных Наук Американского Астрономического общества (DPS AAS), Европейских Планетных Конгрессах (Europlanet), конференциях ESA, посвященных Марс Экспресс, Совещаниях рабочей группы «Атмосфера Марса - моделирование и наблюдения»; Конференциях LPI (USA) и др.
За последние 5 лет сделано 29 докладов на конференциях и опубликованы тезисы.
Положения, выносимые на защиту
1. Создана методика самосогласованного восстановления температурных и аэрозольных профилей в атмосферах планет по данным ИК спектрометрии на основе использования быстрого интерполяционного алгоритма расчета газовых функций пропускания и быстрого итерационного метода для решения уравнения переноса. Методика представляет собой новое направление в интерпретации данных ИК спектрометрии планет .
2. В результате применения разработанной методики для интерпретации данных, полученных фурье-спектрометром на борту Венеры 15 (1983), создан банк температурных и аэрозольных профилей для мезосферы Венеры. Эти данные не потеряли своей актуальности до настоящего времени.
3. Обработка данных ИК спектрометрии атмосферы Венеры на борту Венеры 15 привела с следующим наиболее важным выводам:
а) Впервые показано, что основные температурные вариации в атмосфере Венеры имеют характер термического прилива, а также получено широтное и высотное распределение гармоник приливных волн - от суточной до 1/4 суточной.
б) Впервые получены вертикальные профили облаков на высоких широтах Венеры и показано, что суточные вариации положения верхней границы облачного слоя на большом интервале широт носят солнечно-связанный, приливной характер.
в) Впервые показано, что концентрированная серная кислота является основным компонентом облачного слоя Венеры на всех широтах -- от экватора до северного полюса. По данным Венеры Экспресс показано, что и на южном полюсе Венеры основной компонетнт облачного слоя - это серная кислота
г) Обнаружены полосы SO2 в ИК спектре и впервые получены вертикальные профили SO2 в области высот 60-70 км в зависимости от широты.
4. С использованием разработанной методики по данным эксперимента IRIS на Маринер 9 (1971) решена задача самосогласованного восстановления температурных профилей и аэрозольной оптической толщи в атмосфере Марса. В частности,
а) получены температурные профили над вулканами и показано развитие температурной инверсии на склоне вулкана вблизи вечернего терминатора,
б) получены температурные профили в низменности Эллады при изменении содержания пыли в атмосфере во время затухания пылевой бури и кривые изменения температуры в зависимости от содержания пыли в атмосфере
в) впервые восстановлены ночные температурные профили в северной полярной области в зимний сезон.
5. Применение разработанной методики к данным ПФС на Марс Экспресс позволило восстановить для каждой орбиты температурное поле в координатах широта-высота. При этом были получены следующие результаты:
а) впервые обнаружена температурная инверсия на высоте 10-20 км в полярном воротнике (северном и южном) в зимний сезон, она связана с нисходящей ветвью ячейки Хэдли и коррелирует с присутствием облаков из водяного льда.
б) восстановление температурных профилей в ночной атмосфере над полюсом позволило выделить области возможной конденсации СО2 и показать, что с этими областями коррелируют волновые структуры на одновременно полученных изображениях ОМЕГА Марс Экспресс, которые связаны с неустойчивостью процесса конденсации и испарения льдов СО2 и Н2О к вариациям температуры.
в) Впервые получены сезонные и суточные вариации температуры и аэрозоля в долине Маринеров, в области Эллады, в области вулканов и в полярных областях.
6. На основе данных VIRTIS M (КА Венера-Экспресс) впервые в атмосфере другой планеты отождествлены полосы свечения гидроксила ОН (ИК полосы Мейнеля) и эмиссия молекулярного кислорода 1.58 мкм.
Научная и практическая ценность работы.
Работа представляет собой этап исследования свойств атмосфер двух планет с использованием имеющихся результатов зондирования атмосфер с помощью фурье-спектрометров. Несмотря на большое различие свойств атмосфер (плотность, состав облаков и др.), атмосферы Марса и Венеры объединяет тот факт, что их основным компонентом является СО2 с известным содержанием. Созданная методика позволяет получать параметры атмосферы - температурный и аэрозольный профили - локально из одного и того же спектра, без привлечения модельных данных, и использовать полученную информацию для восстановления вертикального профиля или оценки содержания малых составляющих атмосферы. Банк температурных и аэрозольных профилей, восстановленных по данным ФС Венеры 15, остается уникальным до настоящего времени и применяется как референтный для интерпретации результатов картирующего спектрометра VIRTIS на Венере Экспресс и для моделирования термических приливов и суперротации атмосферы (совместно с Университетом Колорадо, США).
Методика, разработанная автором, используется в настоящее время для интерпретации ИК спектрометрии ПФС на КА Марс-Экспресс и ВИРТИС на КА Венера Экспресс. В отличие от зонально-средних полей, полученных статистически по многим миллионам спектров с низким разрешением (эксперимент TES MGS), наши данные позволяют исследовать условия в атмосфере Марса локально в разное время суток над различными областями планеты -- от вершин вулканов до впадин и полюсов.
Разработанный автором метод может быть использован и в будущем, для изучения атмосфер планет и других тел, обладающих газовой оболочкой. Прежде всего, планируется его использование для интерпретации данных эксперимента с миниатюрным Фурье-спектрометром АОСТ в рамках проекта Фобос-Грунт, с миниатюрным Фурье-спектрометром (MIMA) на марсоходе миссии ЕКА Экзо-Марс (автор является со-руководителем эксперимента .MIMA). а также с ИК Фурье-спектрометром, который будет включен в состав аппаратуры орбитального КА будущего проекта Венера-Д (ФКП России).
Личный вклад автора состоит постановке задач и в разработке нового направления в интерпретации данных ИК спектрометрии планет в тепловой области спектра. По отношению ко всем результатам, отраженным в положениях, выносимых на защиту, вклад автора является решающим.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Работа состоит из Введения, трех глав (17 параграфов) и Заключения. Ниже приведено краткое содержание разделов.
Введение. Во Введении дается общий обзор рассматриваемых в диссертации задач и проблем, связанных с изучением атмосфер Венеры и Марса, и формулируются цели исследований, описываемых в последующих главах. Подчеркивается сложность задач и важность их решения для понимания различных путей эволюции планетных атмосфер.
Первая глава посвящена инфракрасной спектрометрии Венеры.
В параграфе 1.1 обсуждается важность исследования термического строения средней атмосферы (мезосферы) Венеры (55-100 км), где в верхнем облачном слое (58-70 км) поглощается около 50% солнечной энергии. Это приводит к генерации термических приливов, энергия которых играет важную роль для поддержания суперротации атмосферы. Инфракрасный спектр в тепловой области, полученный с орбиты вокруг Венеры, позволяет зондировать ее мезосферу. Впервые этот эксперимент был осуществлен на Венере 15 в 1983 году.
Параграф 1.2 посвящен описанию эксперимента Фурье-спектрометр на Венере 15 (ФС-В15). С полярной орбиты производилось зондирование средней атмосферы Венеры. Характеристики ФС-В15 приведены в таблице 1, в которой даны также характеристики других Фурье-спектрометров, использовавшихся для исследования Марса и Венеры. Выделены эксперименты, данные которых использованы в диссертации.
Инфракрасная спектрометрия в тепловой области 5 - 50 мкм представляет собой важный метод исследования средней атмосферы Венеры. Излучение в этой спектральной области формируется в мезосфере в интервале высот 55-100 км. Впервые для Венеры метод ИК- спектрометрии был реализован в эксперименте Фурье Спектрометр (ФС) на Венере 15, который имел спектральный диапазон 6-40 мкм при спектральном разрешении 4.5-6.5 см-1. (Moroz et al.,1987, Oertel et al.,1987). Венера 15 работала на околополярной орбите, так что Северный полярный район мог наблюдаться под углами, близкими к надиру (Zobs = 0 достигался при ц = 87°). Учитывая, что наклон орбиты к экватору составляет всего 3°, близкая к полярной орбита позволила осуществлять наблюдения вдоль меридиана от 20° N до высоких широт практически одновременно (в пределах 0.5 часа) и при одном и том же местном времени.
Наблюдения длились в течение всего двух месяцев. Остались не покрытыми измерениями секторы местного времени вблизи полудня (10:30 - 16:00) и вблизи полуночи (22:30 - 4:00). Несмотря на несовершенство покрытия, эти измерения показали эффективность метода ИК спектрометрии для исследования средней атмосферы Венеры, ее термической структуры, термического ветра, вертикальных профилей аэрозоля и малых составляющих. Впоследствии это было учтено при выборе орбиты аппарата Венеры Экспресс.
Было получено 1500 спектров, с разрешением 6.5 см-1 при обработке на борту и несколько сот спектров с разрешением 4.6 см-1 при передаче интерферограмм на Землю. Примеры записей спектров приведены на рис 1.1.
Форма спектра определяется следующими факторами: 1) температурным профилем в средней атмосфере; 2) вертикальным аэрозольным профилем: вне газовых полос поглощения он определяет уровень формирования излучения; 3) содержанием и вертикальным профилем поглощающих газов
Курсивом даны для сравнения эксперименты, результаты которых не использовались в диссертации
Рис.1.1. Усредненные спектры для типичных областей Венеры: 1 - 10 < <+10, LS =75; 2 - «теплые области» на широтах = 60 - 80; 3 - `холодный воротник', = 60 - 80; 4 - `горячий диполь', = 75 - 85, 5 . >85. Стрелками показаны положения спектральных каналов, свободных от газового поглощения, которые используются для аэрозольного зондирования
В параграфе 1.3 приводится описание алгоритма самосогласованного восстановления температурного и аэрозольного профилей для мезосферы Венеры и создания методики самосогласованного восстановления температурного и аэрозольного профиля в атмосферах планет с использованием ИК спектра во всем наблюдаемом спектральном интервале, включающем как полосы поглощения СО2, так и аэрозольные полосы - концентрированной серной кислоты в случае Венеры и водяного льда и пыли для атмосферы Марса. Применение методики связано с успешным решением проблемы расчета функций пропускания СО2 с помощью быстрого алгоритма, который позволяет практически с точностью расчетов line-by-line, производить интерполяцию свернутых с инструментальным профилем функций пропускания, и быстрых методов решения уравнения переноса с использованием метода релаксации. Дан анализ ошибок восстановления.
Интенсивность уходящего излучения Iн на волновом числе н в случае поглощающей атмосферы в тепловой ИК области спектра определяется уравнением переноса. Приведем его в интегральной форме (1).
, (1)
где Р - давление, Т -температура, Bн(T) -функция Планка, tн - функция пропускания атмосферы от верхней границы до некоторого уровня Р, Кн(Р,Т) - весовая функция, которая определяет вклад данного уровня (Р,Т) в интенсивность уходящего излучения.
(2)
где и - зенитный угол наблюдения, Н - шкала высоты, kн (P,T) - объемный коэффициент поглощения, в общем случае представляет собой сумму газового и аэрозольного коэффициентов поглощения.
, (3)
Уравнение (1) решается итерационным методом с использованием соотношений релаксации (4) и (5)
(4)
где ТВ (нi)- яркостная температура на волновом числе нi, индексы i и j относятся соответственно к волновому числу и уровню в атмосфере, n - номер итерации, у - ошибка измерений, N - эквивалентное число аэрозольных частиц.
(5)
Для описания вертикального аэрозольного профиля мы используем понятие вертикального профиля эквивалентных частиц. После измерений на Пионер Венера было предложено 4х-модовое распределение частиц по размерам, которое описано в работах Pollack et al., 1980, Zasova et al. 2007. В верхнем облачном слое основная мода - это мода 2 (частицы размера около 1 мкм). Частицы моды 2 и были приняты в качестве эквивалентных частиц.
Для расчета свернутых функций пропускания используются интерполяционные формулы. При этом по-линейно для трех температурных профилей Тмин(Р), Т0(Р), Тмах(Р) рассчитываются функции пропускания, сворчиваются с инструментальным контуром и вычисляются интерполяционные коэффициенты б и в, в зависимости от волнового числа и давления. Новая функция пропускания связана с t0н [T0(P)] следующим соотношением:
(6)
Где j - уровень в атмосфере
(7)
В параграфе 1.4 описываются впервые полученные трехмерные температурные поля Венеры в координатах широта-высота в мезосфере в зависимости от местного времени (рис.1.2). Основные динамические особенности, наблюдаемые в ИК области - это полярный диполь и холодный воротник. Прослежены их вариации в зависимости от местного времени. Полярный диполь и холодный воротник, наблюдаемые в Южном полушарии в эксперименте VIRTIS-M на Венере Экспресс, показывают сходное строение по сравнению со структурными деталями, наблюдавшимися ФС на Венере 15
Поля температуры, усредненные как глобально, так и по квадрантам солнечной долготы, показаны на Рис. 1.2 и 1.3. Эти данные также усреднены по 50 широты. На зонально усредненном поле (Рис. 1.3) ясно видно возрастание температуры от низкоширотных областей к полюсу в интервале высот 65 - 90 км. На уровне около 95 км (на низких широтах) наблюдается температурный минимум, связанный с температурной инверсией. На высоких широтах температурные профили близки к изотермичным. Ниже уровня 65 км температура падает с широтой - до широты 65-700 , на которой наблюдается температурный минимум, связанный с холодным воротником, на высоте 64 - 65 км (уровень 100 мбар). В полярной области ( > 800) в интервале высот 58- 70 км температура остается практически постоянной (в пределах 5К).