1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Астрономический вестник
  4. T. 57, № 6, 2023

Астрономический вестник, 2023, T. 57, № 6, стр. 503-520

Термическое зондирование атмосферы Марса при помощи фурье-спектрометра ACS TIRVIM на борту КА ExoMars TGO: метод решения обратной задачи

П. В. Власов a, *, Н. И. Игнатьев a, О. И. Кораблев a, А. А. Федорова a, А. В. Григорьев b, Д. В. Пацаев a, И. А. Маслов a, А. В. Шакун a, С. Герле c, Д. Грасси d, Л. В. Засова a

a Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
Москва, Россия

b Австралийский национальный университет
Канберра, Австралия

c LMD/IPSL
Париж, Франция

d INAF-IAPS
Рим, Италия

* E-mail: pavel.vlasov@phystech.edu

Поступила в редакцию 31.05.2023
После доработки 10.07.2023
Принята к публикации 15.07.2023

Аннотация

В данной работе представлен метод решения обратной задачи термического зондирования по калиброванным данным эксперимента ACS TIRVIM на борту КА ExoMars Trace Gas Orbiter. Фурье-спектрометр TIRVIM диапазона 1.7–17 мкм в составе приборного комплекса ACS на борту ExoMars TGO работает в надирном режиме и в режиме солнечных затмений на орбите вокруг Марса. Основной научной задачей TIRVIM в надирном режиме наблюдений является постоянный мониторинг тепловой структуры марсианской атмосферы и общего содержания аэрозолей и водяного пара по измерениям в диапазоне 5–16.7 мкм (600–2000 см–1). Для обработки надирных измерений TIRVIM был разработан алгоритм, позволяющий восстановить вертикальный температурный профиль от поверхности до 60 км, температуру поверхности и общее содержание пыли и водяного льда в атмосфере по полученному TIRVIM спектру в диапазоне 600–1250 см–1, а также общее содержание водяного пара по измерениям в диапазоне 1250–1830 см–1. Метод обработки широко использует наработки предыдущих похожих экспериментов с учетом особенностей спектров TIRVIM. Разработанным методом было обработано 2.28 × 106 спектров, полученных TIRVIM в надир регулярными измерениями, для которых была восстановлена тепловая структура до 60 км высоты и содержание аэрозолей в атмосфере, а также дополнительно получено и обработано 2.3 × 105 специально усредненных спектров TIRVIM, для которых проведено восстановление общего содержания водяного пара в атмосфере Марса.

Ключевые слова: Марс, ExoMars TGO, ACS TIRVIM, термическое зондирование, атмосфера, обратная задача, тепловая структура, аэрозоли, водяной пар

Список литературы

  1. Мороз В.И., Делер В., Устинов Е.А., Шефер К., Засова Л.В., Шпенкух Д., Дьячков А.В., Дюбуа Р., Линкин В.М., Эртель Д., и 7 соавторов. Инфракрасный эксперимент на AMC “Bенера-15” и “Bенера-16”. Предварительные результаты анализа спектров в области полос поглощения H2O и SO2 // Космич. исслед. 1985. Т. 23. № 2. С. 236–247.

  2. Москаленко Н.И., Паржин С.Н. Исследование спектров поглощения углекислого газа при повышенных давлениях // Всесоюз. симп. по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск: ИОА СО АН СССР, 1981. С. 110–113.

  3. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В.Теоретические основы атмосферной оптики. СПб.: Наука, 2003. 474 с.

  4. Brown L R. CO2-broadened water in the pure rotation and ν2 fundamental regions // J. Molec. Spectrosc. 2007. V. 246. № 1. P. 1–21. https://doi.org/10.1016/j.jms.2007.07.010

  5. Clancy R.T., Wolff M.J., Christensen P.R. Mars aerosol studies with the MGS TES emission phase function observations: Optical depths, particle sizes, and ice cloud types versus latitude and solar longitude // J. Geophys. Res.: Planets. 2003. V. 108. № E9. id. 5098. https://doi.org/10.1029/2003JE002058

  6. Conrath B.J., Pearl J.C., Smith M.D., Maguire W.C., Christensen P.R., Dason S., Kaelberer M.S. Mars Global Surveyor Thermal Emission Spectrometer (TES) observations: Atmospheric temperatures during aerobraking and science phasing // J. Geophys. Res.: Planets. 2000. V. 105. № E4. P. 9509–9519. https://doi.org/10.1029/1999JE001095

  7. Fan S., Guerlet S., Forget F., Bierjon A., Millour E., Ignatiev N., Shakun A., Grigoriev A., Trokhimovskiy A., Montmessin F., Korablev O. Thermal tides in the Martian atmosphere near northern summer solstice observed by ACS/TIRVIM on board TGO // Geophys. Res. Lett. 2022. V. 49. № 7. id. e2021GL097130. https://doi.org/10.1029/2021GL097130

  8. Forget F., Hourdin F., Fournier R., Hourdin C., Talagrand O., Collins M., Lewis S.R., Read P.L., Huot J.-P. Improved general circulation models of the Martian atmosphere from the surface to above 80 km // J. Geophys. Res.: Planets. 1999. V. 104. № E10. P. 24155–24175. https://doi.org/10.1029/1999JE001025

  9. Gamache R.R., Farese M., Renaud C.L. A spectral line list for water isotopologues in the 1100–4100 cm−1 region for application to CO2-rich planetary atmospheres // J. Molec. Spectrosc. 2016. V. 326. P. 144–150. https://doi.org/10.1016/j.jms.2015.09.001

  10. Gamache R.R., Roller C., Lopes E., Gordon I.E., Rothman L.S., Polyansky O.L., Zobov N.F., Kyuberis A.A., Tennyson J., Yurchenko S.N., and 9 co-authors. Total internal partition sums for 166 isotopologues of 51 molecules important in planetary atmospheres: Application to HITRAN2016 and beyond // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2017. V. 203. P. 70–87. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.03.045

  11. Giuranna M., Wolkenberg P., Grassi D., Aronica A., Aoki S., Scaccabarozzi D., Saggin B., Formisano V. The current weather and climate of Mars: 12 years of atmospheric monitoring by the Planetary Fourier Spectrometer on Mars Express // Icarus. 2021. V. 353. id. 113406. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2019.113406

  12. Gordon I.E., Rothman L.S., Hargreaves R.J., Hashemi R., Karlovets E., Skinner F., Conway E.K., Hill C., Kochanov R.V., Tan Y., and 78 co-authors. The HITRAN2020 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2022. V. 277. id. 107949. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107949

  13. Grassi D., Ignatiev N.I., Zasova L.V., Maturilli A., Formisano V., Bianchini G.A., Giuranna M. Methods for the analysis of data from the Planetary Fourier Spectrometer on the Mars Express mission // Planet. and Space Sci. 2005. V. 53. № 10. P. 1017–1034. https://doi.org/10.1016/j.pss.2005.01.006

  14. Guerlet S., Ignatiev N., Forget F., Fouchet T., Vlasov P., Bergeron G., Young R.M.B., Millour E., Fan S., Tran H., and 5 co-authors. Thermal structure and aerosols in Mars’ atmosphere from TIRVIM/ACS onboard the ExoMars Trace Gas Orbiter: Validation of the retrieval algorithm // J. Geophys. Res.: Planets. 2022. V. 127. id. e2021JE007062. https://doi.org/10.1029/2021JE007062

  15. Haus R., Titov D.V. Sensitivity of temperature retrieval in the Martian atmosphere to transmittance simulation accuracy and instrumental noise // Planet. and Space Sci. 2000. V. 48. № 5. P. 473–481. https://doi.org/10.1016/S0032-0633(00)00020-9

  16. Iwabuchi H., Yang P. Temperature dependence of ice optical constants: Implications for simulating the single-scattering properties of cold ice clouds // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2011. V. 112. № 15. P. 2520–2525. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2011.06.017

  17. Korablev O., Montmessin F., Trokhimovskiy A., Fedorova A.A., Shakun A.V., Grigoriev A.V., Moshkin B.E., Ignatiev N.I., Forget F., Lefèvre F., and 64 co-authors. The Atmospheric Chemistry Suite (ACS) of three spectrometers for the ExoMars 2016 Trace Gas Orbiter // Space Sci. Rev. 2018. V. 214. id. 7. https://doi.org/10.1007/s11214-017-0437-6

  18. Kuntz M. A new implementation of the Humlicek algorithm for the calculation of the Voigt profile function // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1997. V. 57. № 6. P. 819–824. https://doi.org/10.1016/S0022-4073(96)00162-8

  19. Martin T.Z., Peterfreund A.R., Miner E.D., Kieffer H.H., Hunt G.E. Thermal infrared properties of the Martian atmosphere: 1. Global behavior at 7, 9, 11, and 20 μm // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. № B6. P. 2830–2842. https://doi.org/10.1029/JB084iB06p02830

  20. Mastrapa R.M., Sandford S.A., Roush T.L., Cruikshank D.P., Dalle Ore C. M. Optical constants of amorphous and crystal H2O-ice: 2.5–22 mm (4000–455 cm-1) optical constants of H2O-ice // Astrophys. J. 2009. V. 701. № 2. P. 1347–1356. https://doi.org/10.1088/0004-637X/701/2/1347

  21. McCleese D.J., Heavens N.G., Schofield J.T., Abdou W.A., Bandfield J.L., Calcutt S.B., Irwin P.G.J., Kass D.M., Kleinböhl A., Lewis S.R., and 7 co-authors. Structure and dynamics of the Martian lower and middle atmosphere as observed by the Mars Climate Sounder: Seasonal variations in zonal mean temperature, dust, and water ice aerosols // J. Geophys. Res.: Planets. 2010. V. 115. № E12. id. 2010JE003677. https://doi.org/10.1029/2010JE003677

  22. Millour E., Forget F., Spiga A., Vals M., Zakharov V., Montabone L., Lefèvre F., Montmessin F., Chaufray J.-Y., López-Valverde M.A., and 5 co-authors. MCD/GCM Development team. The Mars climate database (version 5.3) // From Mars Express to ExoMars Scientific Workshop. ESA-ESAC Madrid. 27–28 February, 2018. P. 2.

  23. Montabone L., Spiga A., Kass D.M., Kleinboehl A., Forget F., Millour E. Martian year 34 column dust climatology from Mars Climate Sounder observations: Reconstructed maps and model simulations // J. Geophys. Res.: Planets. 2020. V. 125. id. e2019JE006111. https://doi.org/10.1029/2019JE006111

  24. Montmessin F., Ferron S. A spectral synergy method to retrieve martian water vapor column abundance and vertical distribution applied to Mars Express SPICAM and PFS nadir measurements // Icarus. 2019. V. 317. P. 549–569. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2018.07.022

  25. Perevalov V.I., Tashkun S.A. CDSD-296 (Carbon Dioxide Spectroscopic Databank): Updated and Enlarged Version for Atmospheric Applications // The 10th HITRAN Database Conference, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Zenodo. 22–24 June, 2008. id 17520. https://doi.org/10.5281/zenodo.17520

  26. Revercomb H.E., Buijs H., Howell H.B., LaPorte D.D., Smith W.L., Sromovsky L.A. Radiometric calibration of IR Fourier transform spectrometers: Solution to a problem with the High-Resolution Interferometer Sounder // Appl. Optics. 1988. V. 27. № 15. P. 3210–3218. https://doi.org/10.1364/AO.27.003210

  27. Rodgers C.D. Inverse methods for atmospheric sounding: Theory and practice // World Scientific. 2000. p. 256. https://doi.org/10.1142/3171

  28. Santee M., Crisp D. Thermal structure and dust loading of the Martian atmosphere during late southern summer: Mariner 9 revisited // J. Geophys. Res.: Planets. 1993. V. 98. № E2. P. 3261–3279. https://doi.org/10.1029/92JE01896

  29. Shakun A., Ignatiev I., Luginin M., Grigoriev A., Moshkin B., Grassi D., Arnold G., Maturilli A., Kungurov A., Makarov V., and 11 co-authors. ACS/TIRVIM: Calibration and first results // Conf. Infrared remote sensing and instrumentation XXVI. SPIE. 2018. id. 107650E. https://doi.org/10.1117/12.2322163

  30. Smith M.D., Bandfield J.L., Christensen P.R. Separation of atmospheric and surface spectral features in Mars Global Surveyor Thermal Emission Spectrometer (TES) spectra // J. Geophys. Res.: Planets. 2000. V. 105. № E4. P. 9589–9607. https://doi.org/10.1029/1999JE001105

  31. Smith M.D. Interannual variability in TES atmospheric observations of Mars during 1999–2003 // Icarus. 2004. V. 167. № 1. P. 148–165. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2003.09.010

  32. Vago J., Witasse O., Svedhem H., Baglioni P., Haldemann A., Gianfiglio G., Blancquaert T., McCoy D., de Groot R. ESA ExoMars program: The next step in exploring Mars // Sol. Syst. Res. 2015. V. 49. № 7. P. 518–528. https://doi.org/10.1134/S0038094615070199

  33. Vlasov P., Ignatiev N., Guerlet S., Grassi D., Korablev O., Grigoriev A., Shakun A., Patsaev D., Maslov I., Zasova L., and 7 co-authors. Martian atmospheric thermal structure and dust distribution during the MY 34 global dust storm from ACS TIRVIM nadir observations // J. Geophys. Res.: Planets. 2022. V. 127. id. e2022JE007272. https://doi.org/10.1029/2022JE007272

  34. Wolff M.J., Clancy R.T. Constraints on the size of Martian aerosols from Thermal Emission Spectrometer observations // J. Geophys. Res.: Planets. 2003. V. 108. № E9. id. 5097. https://doi.org/10.1029/2003JE002057

  35. Wolkenberg P., Giuranna M., Smith M.D., Grassi D., Amoroso M. Similarities and differences of global dust storms in MY 25, 28, and 34 // J. Geophys. Res.: Planets. 2020. V. 125. id. e2019JE006104. https://doi.org/10.1029/2019JE006104

  36. Zasova L., Grassi D., Formisano V., Maturilli A. The Martian atmosphere in the region of the great volcanoes: Mariner 9 IRIS data revisited // Planet. and Space Sci. 2001. V. 49. P. 977–992. https://doi.org/10.1016/S0032-0633(01)00040-X

  37. Zasova L., Formisano V., Grassi D., Ignatiev N., Maturilli A. Martian winter atmosphere at North high latitudes: Mariner 9 IRIS data revisited // Adv. Space Res. 2002. V. 29. № 2. P. 151–156. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(01)00563-4

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Астрономический вестник

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал