Введение к работе
Актуальность т?мы
С древнейших времен ни одна из планет солнечной системы не привлекала к себе такого пристального внимания, как Марс Одним из основных источником знаний о планете являются исследования, проводимые с космических аппаратов (КА). Космическая программа исследования планет в нашей стране после долгого перерыва в 1985г была вновь сориентирована на Морс. Экспедиция "Фобос" явилась первой в этой новой серии попыткой расширить наши знания о Марсе и его спутниках. Несмотря на общий неблагополучный итог экспедиции, во многих экспериментах были получены важные и приоритетные научные данные. В это число входит эксперимент "Опост", задача которого состояла в исследовании состава атмосферы планеты методом солнечного просвечивания.
Метод спектроскопии солнечного просвечивания или солнечных затмений имеет ряд преимуществ, среди которых возможность непосредственного измерения высотных профилей компонентов атмосферы, высотного распределения пыли, структуры облаков и т.д. Сильными сторонами метода являются также максимальная по сравнению с другими методами воздушная масса, возможность получения калибровочных спектров перед входом луча зрения спектрометра в атмосферу планеты и исключительно высокая яркость ис-точника излучения. Метод солнечного просвечивания использовался для исследования состава м структуры атмосферы Земли (КА Spacelab-1, ИК диапазон), с помощью этого метода и метода звездного просвечивания в рамках космической миссии "Вояджер" получены данные по составу и термической структуре внешних планет солнечной системы и их спутников: Сатурна, Урана, Титана, Нептуна в Тритона; В силу своей специфики метод солнечного просвечивания наиболее эффективен для исследования небесных тел, обладающих не очень плотной атмосферой, к числу которых относится Марс, однако до полета КА "Фобос" этот метод не применялся для исследования его атмосферы. .
Для исследования химического состава и вертикальной структуры атмосферы Марса в рамках космической миссии "Фобос" был предназначен спектральный комплекс "Опост", реализующий метод солнечного просвечивания в УФ, видимом и ИК диапазонах длин волн. Основная научная задача спектрального комплекса состояла в определении содержания и получении высотных профилей малых составляющих атмосферы Марса: Оз в УФ диапазоне, О; и НгО в видимом и ближнем ИК диапазоне, HjO и HDO в ИК диапазоне. Кроме того, во всех диапазонах длин волн проводились исследования аэрозольной компоненты атмосферы.
Преимущество ИК диапазона при исследованиях планетных атмосфер состоит в том, что ему соответствуют частоты колебательно-вращательных переходов большинства молекул. В связи с тем, что поглощение п спектральных особенностях исследуемых компонентов на 3.7 и 1.9 мкм не превышает нескольких процентов, и в ходе погружения луча зрения прибора в запыленную атмосферу планеты сигнал ослабляется в дестки раз, к ИК спектрометру комплекса "Опост" предъявляются высокие требования по спектральному разрешению и фотометрической точности. Разработка прибора, удовлетворяющего этим требованиям является одной из основных задач данного исследования.
При помощи эксперимента "Опост" в ИК диапазоне были измерены высотные профили содержания водяного пара и определены вертикальная структура и характеристики пылевой составляющей атмосферы Марса.
Проблема воды на Марсе связана с поисками биологических форм на планете, с ее геохимией, происхождением, эволюцией и аэрономией. К настоящему времени накоплен большой материал по наземным и орбитальным наблюдениям водяного пара. Однако до самого последнего времени практически отсутствовали данные о его высотном распределении. Вместе с тем высотный профиль содержания HjO в значительной мере определяет фотохимические процессы в атмосфере, поддерживающие, в частности, стабильность СОг на Марсе. Поэтому высотный профиль водяного пара так важен для фотохимии атмосферы.
Исследованию аэрозольной составляющей атмосферы Марса посвящено большое число работ, однако по вертикальной структуре были получены лишь ограниченные данные по телевизионным наблюдениям лимба на орбитальном аппарате "Викинг", Исследование пылевой составляющей атмосферы Марса важно в силу влияния аэрозоля на перенос тепла в атмосфере. Недавно было высказано предположение о возможном влиянии постоянной дымки и на протекание химических реакций.
Из изложенного следует актуальность проблемы спектроскопического исследования атмосферы Марса методом солнечного просвечивания в ИК диапазоне. Решению этой проблемы посвящена данная диссертационная работа.
Лелыо данной работы является определение высотных профилей содержания водяного пара и аэрозольной составляющей в атмосфере Марса методом солнечного просвечиваниг в ИК диапазоне. Для достижения этой цегч необходимо решение следующих задач:
1. Создание бортового ИК спектрометра для КА "Фобос-2", реализующего метод просвечивания и исследование его характеристик.
-
Создание комплекса программых средств для обработки экспериментальных данных и уменьшения влияния мешающих факторов, вызванных отчасти нештатной работой бортовой аппаратуры.
-
Экспериментальное определение высотных профилей содержания водяного пара в атмосфере Марса.
-
Экспериментальное определение высотных профилей горизонтальной оп-тичесхой плотности на 1.9 и 3.7 мкм и интерпретация этих данных для получения характеристик пылевой составляющей и коэффициента турбулентной диффузии в атмосфере Марса.
Научная іювияіа работы
-
Впервые экспериментально определен высотный профиль содержания водяного пара на высотах от 10 до 45 км в атмосфере Марса поданным поглощения в полосе водяного пара 1.87 мкм .
-
Впервые прямым методом измерены высотные профили-коэффициентов экспшкции аэрозольной составляющей атмосферы Марса в диапазонах 1.9 и 3.7 мкм на высотах 12-30 км, что позволило в предположении -^распределения частиц по размерам рассчитать эффективный радиус и концентрацию пылевых частиц и провести моделирование переноса пыли в атмосфере Марса. На основе этих данных оценена оптическая толщина марсианской атмосферы, которая в рассматриваемых диапазонах длин волн составляет 0.2±0.1.
-
На основе моделирования переноса пыли определен коэффициент турбулентного перемешивания Л"- (1.5 ± 1) * 10s см2/с и наложены ограничения на вид функции распределения пылевых частиц по размерам.
Практическая ценность работа
В результате проведенных исследований разработан бортовой ИК спектрометр для исследования атмосферы Марса методом солнечного просвечивания на КЛ "Фобос-2" в двух узких спектральных интервалах на 1.9 и 3.7 мкм с разрешающей способностью Л/ДА ~ 1200. Осуществлена калибровка спектрометра в лабораторных условиях и в земной атмосфере.
Разработаны методики обработки данных и реализующий их комплекс программных средств, позволяющие, в частности, вводить коррекции на изменение высоты луча зрения прибора из-за ошибок системы наведения, непостоянство температуры и нелинейность детектора. Проведена предварительная обработка данных эксперимента "ИК спектрометр", функционировавшего на космичесом аппарате "Фобос-2" с 5 февраля по 26 марта 1989 года.
Результаты, полученные в ходе разработки, изготовления, калибровок, функционирования ИК спектрометра и в ходе обработки экспериментальных данных, используются в настоящее время при создании ИК спектрометра для проекта Марс-94, эксперимент СПИКАМ (1.8 -5 мкм, Л/ДА > 1000).
Полученные в данной работе основные результаты - определение высотного профиля водяного пара, коэффициента турбулентного перемешивания, параметров аэорозольной составляющей атмосферы, необходимых для построения химических и динамических моделей атмосферы Марса.
Апробття работы. Основные результаты работы докладывались на:
-
Заседаниях семинара отдела физики планет ИКИ АН СССР под руководством проф. В.И.Мороза.
-
VI международном семинаре по космическому приборостроению, Фрунзе, 1989.
-
XXVIII конференции COSPAIt, Гаага, Голландия, 1990.
-
Международной школе по космическим исследованиям, Суздаль, 1991.
-
XVI сессии ассамблеи EGS, Вейсбаден, Германия, 1991.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 7 публика-цииях.
Структура и общм работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 140 страниц текста, включая 47 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 69 наименований.
