Введение к работе
г - і
——-ґМумучкп теми
С древнейших времен ня одна из планет солнечной системы не привлекла к себе такого пристального внимания, как Марс Одним из основных істочником знаний о планете являются исследования, проводимые с космических аппаратов (КА). Космическая программа исследования планет в нашей стране после доятою перерыва в 1985г была вновь сориентирована на Марс. 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 "Опосг", 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 источника излучения. Метод солнечного просвечивания использовался для исследования состава и структуры атмосферы Земли (КА Spacelab-І, 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 н Тритона* В сялу 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, Ог и НгО в видимом и ближнем ИК диапазоне, НгО и HDO в ИК диапазоне. Кроме того, во всех диапазонах длин волн проводились исследования аэрозольной компоненты атмосферы.
Преимущество ИК диапазона при исследованиях планетных атмосфе состоит в том, что ему соответствуют частоты колебательно-вращательны переходов большинства молекул. В связи с тем, что поглощение в спектрол; пых особенностях исследуемых компонентов на 3.7 и 1.9 мкм ие превыше* нескольких процентов, и в ходе погружения луча зрения прибора в запьілеї ную атмосферу планеты сигнал ослабляется в дестки раз, к ИК спектромсті комплекса "Опост" предъявляются высокие требования по спектрально* разрешению и фотометрической точности. Разработка прибора, удовлетвор ющего этим требованиям является одной из основных задач данного исслед вания.
При помощи эксперимента "Опост" в ИК диапазоне были измерен высотные профили содержания водяного пара и определены вертикальні структура и характеристики пылевой составляющей атмосферы Марса.
Проблема воды на Марсе связана с поисками биологических форм і планете, с ее геохимией, происхождением, эволюцией и аэрономией. К ш тоящему времени накоплен большой материал по наземным и орбиталькі наблюдениям водяного пара. Однако до самого последнего времени пракі чески отсутствовали данные о его высотном распределении. Вместе с тем в сотный профиль содержания ЩО в значительной мере определяет фотохи» ческие процессы в атмосфере, поддерживающие, в частности, стабильное С02 на Марсе. Поэтому высотный профиль водяного пара так важен р фотохимии атмосферы.
Исследованию аэрозольной составляющей атмосферы Марса посвяі но большое число работ, однако по вертикальной структуре были лолуче лишь ограниченные данные по телевизионным наблюдениям лимба на орі тальном аппарате "Викинг". Исследование пылевой составляющей атмоа ры Марса важно в силу влияния аэрозоля на перенос тепла в атмосфере. 1 давно было высказано предположение о возможном влиянии постояш дымки и на протекание химических реакций.
Из изложенного следует актуальность проблемы спехтросхопичесх исследования атмосферы Марса методом солнечного просвечивания в диапазоне. Решению этой проблемы посвящена данная диссертацион: работа.
Целью данной рабстл является определение высотных профилей со; жания водяного пара и аэрозольной составляющей в атмосфере Марса мі дом солнечного просвечивания в ИК диапазоне. Для достижения этой ц необходимо решение следующих задач:
1. Создание бортового ИК спектрометра для КА "Фобос-2", реализуюи метод просвечивания и исследование его характеристик.
І. Создание комплекса программых средств для обработки эксперименталь-
шх данных и уменьшения влияния мешающих факторов, вызванных отчасти
ісштатной работой бортовой аппаратуры.
!. Экспериментальное определение высотных профилей содержания подяно-
т> пара в атмосфере Марса.
I. Экспериментальное определение высотных профилей горизонтальной оп-
гической плотности на 1.9 и 3.7 мкм к интерпретация этих данных для полу-
іения характеристик пылевой составляющей и коэффициента турбулентной
диффузии в атмосфере Марса.
Научная новизна работы
-
Впервые экспериментально определен высотный профиль содержания водяного пара на высотах от 10 до 45 км в атмосфере Марса по данным поглощения в полосе водяного пара 1.87 мкм .
-
Впервые прямым методом измерены высотные профили-коэффици-гнтов экстинкции аэрозольной составляющей атмосферы Марса в диапазонах 1.9 и 3.7 мкм на высотах 12-30 км, что позволило в предположении у-рас-пределения частиц по размерам рассчитать эффективный радиус н 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 К- (1.5 * 1) » 10s см2/с и наложены ограничения на вид функции распределения пылевых частиц по размерам.
Практическая ценность работы
В результате проведенных исследований разработан бортовой ИК спектрометр для исследования атмосферы Марса методом солнечного просвечивания на КА "Фобос-2" в двух узких спектральных интервалах на 1.9 и 3.7 мкм с разрешающей способностью А/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, А/ДА > 1000).
Полученные в данной работе основные результаты — определение высотного профиля водяного пара, коэффициента турбулентного перемешивания, параметров аэорозолыюй составляющей атмосферы, необходимых для построения химических и динамических моделей атмосферы Марса.
Апробашш работы. Основные результаты работы докладывались па:
-
Заседаниях семинара отдела физики планет ИКИ АН СССР под руководством проф. В.И.Мороза.
-
VI международном семинаре по космическому приборостроению, Фрунзе, 1989.
-
XXVIII конференции COSPAR, Гаага, Голландия, 1990.
-
Международной школе по космическим исследованиям, Суздаль, 1991.
-
XVI сессии ассамблеи EGS, Вейсбаден, Германия, 1991.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 7 публикации ях.
Струюура и облехі работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 140 страниц текста, включая 47 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 69 наименований.
