ExoMars-2022 Mission ODS Instrument: Modeling and Ground Field Measurements

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents the results of modeling and ground-based field measurements of the ODS (Optical Depth Sensor) instrument, designed to study aerosol in the Martian atmosphere through daily measurements of illumination on the planet’s surface. The device was part of the meteo suite located on the landing platform of the ExoMars-2022 mission. The article presents the structure of the instrument, its optical design and the spectral characteristics of two channels. The main elements of the model for calculating the radiation flux measured by the instrument are described depending on the structure of the atmosphere, the aerosol suspended in it, and the daily motion of the Sun. The calculations were carried out in the approximation of a pseudospherical atmosphere, taking into account the multiple scattering of radiation. Using the created model adapted for the Earth’s atmosphere, the ODS signal was simulated for two series of ground-based field measurements at different latitudes. The measured daily dependences in comparison with the simulation results make it possible to determine the optical depth with an accuracy of 0.1.

About the authors

V. S. Khorkin

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; Faculty of Physics Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

A. A. Fedorova

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

Yu. S. Dobrolenskiy

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

O. I. Korablev

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

N. A. Vyazovetskiy

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

I. A. Dzyuban

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

A. G. Sapgir

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

A. Yu. Titov

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

D. Toledo

Instituto Nacional de Técnica Aerospacial, Madrid, Spain

Email: vs_khorkin@mail.ru
Spain, Madrid

J.-P. Pommereau

LATMOS, Université de Versailles-St-Quentin, Guyancourt, France

Email: vs_khorkin@mail.ru
France, Guyancourt

P. Rannou

Instituto Nacional de Técnica Aerospacial, Madrid, Spain

Author for correspondence.
Email: vs_khorkin@mail.ru
Spain, Madrid

References

  1. Каталог производственной компании ООО “Электростекло”, Спектральные характеристики пропускания образцов цветного стекла. http://www.elektrosteklo.ru/Elektrosteklo_Color_Glass_Spectral_ Transmittance.pdf
  2. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. Санкт-Петербург: Наука, 2003. 473 с.
  3. Bodhaine B.A., Wood N.B., Dutton E.G., Slusser J.R. On Rayleigh Optical Depth Calculations // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 1999. V. 16. P. 1854–1861.
  4. Cantor B.A. MOC observations of the 2001 Mars planet-encircling dust storm // Icarus. 2007. V. 186. P. 60–96. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2006.08.019
  5. Clancy R.T., Sandor B.J., Wolff M.J., Moriarty-Schieven G. The orbital (Ls) variation of thermal structure over the 60–80 km Mars atmospheric region // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № E4. P. 9553– 9572.
  6. Evans K.F. SHDOMPPDA: A Radiative Transfer Model for Cloudy Sky Data Assimilation // J. Atmos. Sci. Special section. 2007. P. 3854–3864. https://doi.org/10.1175/2006JAS2047.1.
  7. Fedorova A.A., Rodin A.V., Baklanova I.V. Seasonal cycle of water vapor in the atmosphere of Mars as revealed from the MAWD/Viking 1 and 2 experiment // Sol. Syst. Res. 2004. V. 38. P. 421–433. https://doi.org/10.1007/s11208-005-0009-2
  8. Guzewich S.D., Lemmon M., Smith C.L., Martínez G., de Vicente-Retortillo Á., Newman C.E., Baker M., Campbell C., Cooper B., Gómez-Elvira J., Harri A.-M., Hassler D., Martin-Torres F.J., McConnochie T., Moores J.E., Kahanpää H., Khayat A., Richardson M.I., Smith M.D., Sullivan R., Juarez M.T., Vasavada A.R., Viúdez-Moreiras D., Zeitlin C., Mier M.-P.Z. Mars Science Laboratory observations of the 2018/Mars year 34 global dust storm // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 71–79. https://doi.org/10.1029/2018GL080839
  9. Haberle R., Clancy R., Forget F., Smith M., Zurek R. The Atmosphere and Climate of Mars. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2017. 588 p. https://doi.org/10.1017/9781139060172
  10. Hamamatsu datasheet, https://www.hamamatsu.com/eu/en/ product/optical-sensors/photodiodes/si-photodiodes/ S1336-8BK.html
  11. Harri A.-M., Linkin V., Polkko J., Marov M., Pommereau J.-P., Lipatov A., Siili T., Manuilov K., Lebedev V., Lehto A., Pellinen R., Pirjola R., Carpentier T., Malique C., Makarov V., Khloustova L., Esposito L., Maki J., Lawrence G., Lystsev V. Meteorological observations on Martian surface: Met-packages of Mars-96 Small Stations and Penetrators // Planet. and Space Sci. 1998. V. 46. Iss. 6–7. P. 779–793. https://doi.org/10.1016/S0032-0633(98)00012-9
  12. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Hirahara S., Horányi A., Muñoz-Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Schepers D., Simmons A., Soci C., Abdalla S., Abellan X., Balsamo G., Bechtold P., Biavati G., Bidlot J., Bonavita M.,Chiara G., Dahlgren P., Dee D., Diamantakis M., Dragani R., Flemming J., Forbes R., Fuentes M., Geer A., Haimberger L., Healy S., Hogan R., Hólm E., Janisková M., Keeley S., Laloyaux P., Lopez P., Lupu C., Radnoti G., Rosnay P., Rozum I., Vamborg F., Villaume S., Thépaut J.-N. The ERA5 global reanalysis // Quart. J. Roy. Meteorolog. Soc. 2020. V. 146. Iss. 730. P. 1999–2049. https://doi.org/10.1002/qj.3803
  13. Kleinboehl A., Spiga A., Kass D.M., Shirley J.H., Millour E., Montabone L., Forget F. Diurnal variations of dust during the 2018 global dust storm observed by the Mars Climate Sounder // J. Geophys. Res.: Planets. 2020. V. 125. id. e2019JE006115 (21 p.). https://doi.org/10.1029/2019JE006115.
  14. Lemmon M.T., Wolff M.J., Bell J.F., Smith M.D., Cantor B.A., Smith P.H. Dust aerosol, clouds, and the atmospheric optical depth record over 5 Mars years of the Mars Exploration Rover mission // Icarus. 2015. V. 251. P. 96–111. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.03.029
  15. Linkin V., Harri A.-M., Lipatov A., Belostotskaja K., Derbunovich B., Ekonomov A., Khloustova L., Kremnev R., Makarov V., Martinov B., Nenarokov D., Prostov M., Pustovalov A., Shustko G., Järvinen I., Kivilinna H., Korpela S., Kumpulainen K., Lehto A., Pellinen R., Pirjola R., Riihelä P., Salminen A., Schmidt W., Siili T., Blamont J., Carpentier T., Debus A., Hua C.T., Karczewski J.-F., Laplace H., Levacher P., Lognonné Ph., Malique C., Menvielle M., Mouli G., Pommereau J.-P., Quotb K., Runavot J., Vienne D., Grunthaner F., Kuhnke F., Musmann G., Rieder R., Wänke H., Economou T., Herring M., Lane A., McKay C.P. A sophisticated lander for scientific exploration of Mars: scientific objectives and implementation of the Mars-96 Small Station // Planet. and Space Sci. 1998. V. 46. P. 717–737. https://doi.org/10.1016/S0032-0633(98)00008-7
  16. Lorenz R.D., Martínez G.M., Spiga A., Vicente-Retortillo A., Newman C.E., Murdoch N., Forget F., Millour E., Pierron T. Seasonal deposition and lifting of dust on Mars as observed by the Curiosity Rover // Planet. and Space Sci. 2021. V. 207. 14 p. https://doi.org/10.1016/j.pss.2021.105337.
  17. Maria J.-L., Tran T.T., Pommereau J.-P., Rannou P., Malique C., Correia J.J., Porteneuve J. Scientific aspects of the optical depth sensor // Adv. Space Res. 2006. V. 38. P. 726–729. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.08.021
  18. Markiewicz W., Sablotny R., Keller H., Thomas N., Titov D., Smith P. Optical properties of the Martian aerosols as derived from Imager for Mars Pathfinder midday sky brightness data // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 9009–9017. https://doi.org/10.1029/1998JE900033
  19. Markiewicz W.J., Keller H.U., Thomas N., Titov D., Forget F. Optical properties of the Martian aerosols in the visible spectral range // Adv. Space Res. 2002. V. 29. Iss. 2. P. 175–181. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(01)00567-1
  20. Martin L.J. The Major Martian Dust Storms of 1971 and 1973 // Icarus. 1974. V. 23. P. 108–115. https://doi.org/10.1016/0019-1035(74)90108-0
  21. Montabone L., Forget F., Millour E., Wilson R.J., Lewis S.R., Cantor B., Kass D., Kleinböhl A., Lemmon M.T., Smith M.D., Wolff M.J. Eight-year climatology of dust optical depth on Mars // Icarus. 2015. V. 251. P. 65–95. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.12.034
  22. 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 (30 p.). https://doi.org/10.1029/2019JE006111.
  23. Montmessin F., Rannou P., Cabane M. New insights into Martian dust distribution and water-ice cloud microphysics // J. Geophys. Res.: Planets. 2002. V. 107. Iss. E6. P. 4.1–4.14. https://doi.org/10.1029/ 2001JE001520.
  24. Smith P.H., Tomasko M.G., Britt D., Crowe D.G., Reid R., Keller H.U., Thomas N., Gliem F., Rueffer P., Sullivan R., Greeley R., Knudsen J.M., Madsen M.B., Gunnlaugsson H.P., Hviid S.F., Goetz W., Soderblom L.A., Gaddis L., Kirk R. et al. The imager for Mars Pathfinder experiment // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. № E2. P. 4003–4025. https://doi.org/10.1029/96JE03568
  25. Smith M.D. THEMIS observations of Mars aerosol optical depth from 2002–2008 // Icarus. 2009. V. 202. P. 444–452. https://doi.org/10.1016/J.ICARUS.2009.03.027
  26. Toledo D. Preparation and validation of the cloud and dust opacity sensor ODS for ExoMars 2018 mission // Candidate’s thesis, Reims. 2015. 182 p.
  27. Toledo D., Rannou P., Pommereau J.-P., Foujols T. The optical depth sensor (ODS) for column dust opacity measurements and cloud detection on Martian atmosphere // Exp. Astron. 2016a. V. 42. P. 61–83. https://doi.org/10.1007/s10686-016-9500-7
  28. Toledo D., Rannou P., Pommereau J.-P., Sarkissian A., Foujols T. Measurement of aerosol optical depth and sub-visual cloud detection using the optical depth sensor (ODS) // Atmos. Meas. Tech. 2016b. V. 9. P. 455–467. https://doi.org/10.5194/amt-9-455-2016
  29. Toledo D., Arruego I., Apéstigue V., Jiménez J.J., Gómez L., Yela M., Rannou P., Pommereau J.-P. Measurement of dust optical depth using the solar irradiance sensor (SIS) onboard the ExoMars 2016 EDM // Planet. and Space Sci. 2017. V. 138. P. 33–43. https://doi.org/10.1016/j.pss.2017.01.015
  30. Tran T.T., Pommereau J.-P., Rannou P., Maria J.-L. Technical aspect of the optical depth sensor // Adv. Space Res. 2005. V. 36. P. 2182–2186. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.07.079
  31. Vincendon M., Audouard J., Altieri F., Ody A. Mars express measurements of surface albedo changes over 2004–2010 // Icarus. 2015. V. 251. P. 145–163. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.10.029
  32. Zelenyi L.M., Korablev O.I., Rodionov D.S., Novikov B.S., Marchenkov K.I., Andreev O.N., Larionov E.V. Scientific Objectives of the Scientific Equipment of the Landing Platform of the ExoMars-2018 Mission // Sol. Syst. Res. 2015. V. 49. № 7. P. 509–517.
  33. Zurek R.W. Martian great dust storms: An update // Icarus. 1982. V. 50. Iss. 2–3. P. 288–310. https://doi.org/10.1016/0019-1035(82)90127-0

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (590KB)
3.

Download (807KB)
4.

Download (203KB)
5.

Download (107KB)
6.

Download (608KB)
7.

Download (251KB)
8.

Download (353KB)
9.

Download (413KB)
10.

Download (756KB)

Copyright (c) 2023 В.С. Хоркин, А.А. Федорова, Ю.С. Доброленский, О.И. Кораблев, Н.А. Вязоветский, И.А. Дзюбан, А.Г. Сапгир, А.Ю. Титов, Д. Толедо, Ж.-П. Помро, П. Ранну

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».