Введение к работе
Актуальность темы
Как планетные, так и кометные атмосферы представляют собой сложные динамические и фотохимические системы, состоящие из нейтрального газа, плазмы и взвешенных конденсированных частиц - атмосферного аэрозоля, или пыли. Несмотря на качественные различия происхождения и роли пыли в атмосферах комет и планет, в обоих случаях эта составляющая оказывает влияние на происходящие в атмосферах процессы. Так, в кометах пылевая компонента во многом определяет состав и структуру нейтральной атмосферы. В то же время интерпретация множества наблюдений комет наземными методами требует возможно более точной информации об основных процессах, формирующих оптический спектр кометной атмосферы. Аэрозольная составляющая атмосфер планет земной группы, в свою очередь, оказывает существенное влияние на радиационный баланс и, следовательно, на климат планет. В случае Марса роль атмосферного аэрозоля выражается также в специфической неустойчивости, такой как глобальные пылевые бури. Цикл наиболее важной малой составляющей атмосферы Марса - воды - включает фазовые переходы при взаимодействии с подстилающей поверхностью и пылью постоянной дымки.
Космические эксперименты являются дорогостоящим методом исследований и проводятся в настоящее время относительно редко. Это заставляет особенно тщательно отнестись к анализу их данных, которые часто бывают искажены инструментальными погрешностями. Кроме того, повторение подобных экспериментов происходит, как правило, на новом уровне понимания физики объекта. В настоящей работе мы представляем новый анализ данных, полученных в спектроскопических экспериментах ТКС проекта ВЕГА и "Огюст" проекта "Фобос". Несмотря на разнородность объектов -атмосфер Марса и кометы Галлея - эти эксперименты обладают признаками, позволяющими объединить анализ их данных в одно исследование:
оба эксперимента обладают уникальным по сравнению с другими исследованиями пространственным разрешением;
низкое спектральное разрешение требует применения специальных методов решения обратных задач;
интерпретация данных требует рассмотрения взаимодействия газовых составляющих атмосфер с пылью.
Специфика этих экспериментов состоит также в том, что измеренные в них пространственные разрезы позволяют определить не только структуру атмосфер, но и динамические параметры взаимодействия пыли и газа на основе простых моделей. В связи с этим исследование гетерогенных эффектов путем анализа данных указанных экспериментов представляется актуальным.
Целью работы является решение ряда обратных задач спектроскопии с пространственным разрешением, позволяющих получить по данным космических экспериментов ТКС и "Огюст" наиболее полную информацию о микрофизике процессов взаимодействия пыли и газа в атмосферах Марса и кометы Галлея. По каждому эксперименту работа включает следующие этапы:
Разработка методов и программных средств решения прямых задач спектроскопии низкого и среднего разрешения.
Коррекция систематических ошибок экспериментов.
Разработка методов и оценка возможностей решения обратных задач с учетом качества экспериментальных данных.
Восстановление пространственных распределений исследуемых атмосферных компонент.
Интерпретация полученных распределений и оценка определяющих их динамических параметров.
Научная новизна
В работе впервые измерено вращательное распределение Сг во внутренней коме кометы на расстояниях до 100 км и оценены кинетические параметры продукции радикала.
Впервые отождествлены спектральные особенности в атмосфере Марса в области 3,7 мкм.
Впервые получен вертикальный профиль содержания водяного пара в атмосфере Марса с точностью до коэффициента 2 в диапазоне высот 10-50 км. Показано, что профиль
контролируется процессом конденсации на пылевых ядрах. Впервые по независимым данным получена согласованная оценка конденсационного стока Н20 в тропосфере.
Предложена методика оценки эффективности
спектроскопического зондирования термической структуры стратосферы Марса методом просвечивания в ИК-диапазоне.
Научная и практическая ценность
Практическая ценность работы состоит в том, что на основе интерпретации данных космических экспериментов получены отождествления процессов, играющих важную роль в планетных и кометных атмосферах. Экспериментальные данные о сублимации кометной пыли, возможной роли гетерогенной химии и динамике образования облаков в слое постоянной дымки в атмосфере Марса позволяют уточнить существующие теоретические представления об этих объектах. Изложенные в диссертации методы, позволившие получить эти результаты, могут быть использованы в спектроскопических исследованиях атмосфер Земли и планет.
Личным вкладом автора является:
-
Разработка спектроскопических моделей, математичесих методов коррекции инструментальных погрешностей, решения возникающих обратных задач и оценки их точности, реализующего их программного обеспечения.
-
Интерпретация эмиссии С2 в системе Свана, измеренной в эксперименте ТКС проекта ВЕГА, путем восстановления сглаженного вращательного распределения радикала с помощью решения минимаксной задачи совместимости модели с измерениями.
-
Высказанная гипотеза о поглощении СН20 в атмосфере Марса и получение лабораторных спектров поглощения паров параформальдегида.
-
Восстановление вертикального профиля содержания водяного пара в атмосфере Марса по данным спектроскопии просвечивания в полосе 1,9 мкм с помощью вероятностной оценки и его интерпретация в рамках конденсационного переноса Н20.
5. Определение эффективности измерения вертикального профиля температуры атмосферы Марса в диапазоне высот 30-110 км по спектру поглощения в полосе СОг 4,3 мкм и восстановление характеристик прибора СПИКАМ-С по данным лабораторных и натурных калибровок.
Положения, выносимые на защиту:
Метод экстремальных оценок позволяет восстановить сглаженное вращательное распределения Сг в центральной коме кометы Гаплея по данным ТКС и отождествить аномальное распределение, связанное с пылевым джетом. В этом распределении наблюдается избыточная населенность состояний с J= 30-40.
Оценка вращательной температуры в центральной коме и определение кинетических параметров процессов генерации Сг в бесстолкновительном приближении позволяет отождествить ацетилен, связанный с пылевой компонентой ядра, в качестве основной родительской молекулы С2.
Коррекция инструментальных погрешностей эксперимента "Огюст" и вероятностный подход, примененный при восстановлении вертикальных профилей содержания поглощающих молекул, позволили:
отождествить спектральные особенности в области 3,7 мкм в атмосфере Марса и интерпретировать их как поглощения формальдегида;
восстановить вертикальный профиль содержания пара НгО в атмосфере Марса с точностью до коэффициента 2 в диапазоне высот 10-50 км.
Интерпретация вертикальных профилей содержания водяного
пара и аэрозоля в рамках модели облачного слоя и
определение его микрофизических параметров дает
непротиворечивую картину баланса воды в газообразной и
аэрозольной фазе в тропосфере Марса.
Планирование задач спектроскопии солнечных затмений для эксперимента СПИКАМ с учетом опыта эксперимента "Огюст" позволяет существенно расширить его возможности. В частности, измерение спектра полосы СОг 4,3 мкм на лимбе позволяет восстановить вертикальный профиль температуры атмосферы Марса в диапазоне высот 30-110 км и оценить ее горизонтальные вариации.
Апробация работы проведена в докладах на семинарах Отдела
физики планет ИКИ РАН под руководством В.И.Мороза,
Генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества
1991 и 1992г., конгрессах Комитета по космическим
исследованиям 1992 и 1994г., коллоквиума по прикладной атмосферной спектроскопии 1993г., конференциях Отделения планетных наук Американского астрономического общества 1992 и 1994г.
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 13 публикациях,
одна работа находится в печати.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов, содержит 100 страниц текста, включая 28 рисунков, 8 таблиц, и список литературы из 111 наименований.
