Термическое зондирование атмосферы Марса при помощи фурье-спектрометра ACS TIRVIM на борту КА ExoMars TGO: метод решения обратной задачи
- Авторы: Власов П.В.1, Игнатьев Н.И.1, Кораблев О.И.1, Федорова А.А.1, Григорьев А.В.2, Пацаев Д.В.1, Маслов И.А.1, Шакун А.В.1, Герле С.3, Грасси Д.4, Засова Л.В.1
-
Учреждения:
- Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
- Австралийский национальный университет
- LMD/IPSL
- INAF-IAPS
- Выпуск: Том 57, № 6 (2023)
- Страницы: 503-520
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0320-930X/article/view/148071
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0320930X23060087
- EDN: https://elibrary.ru/DHQOZM
- ID: 148071
Цитировать
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
Об авторах
П. В. Власов
Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Россия, Москва
Н. И. Игнатьев
Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Россия, Москва
О. И. Кораблев
Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Россия, Москва
А. А. Федорова
Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Россия, Москва
А. В. Григорьев
Австралийский национальный университет
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Австралия, Канберра
Д. В. Пацаев
Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Россия, Москва
И. А. Маслов
Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Россия, Москва
А. В. Шакун
Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Россия, Москва
С. Герле
LMD/IPSL
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Франция, Париж
Д. Грасси
INAF-IAPS
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Италия, Рим
Л. В. Засова
Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)
Автор, ответственный за переписку.
Email: pavel.vlasov@phystech.edu
Россия, Москва
Список литературы
- 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.
- 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.
- Тимофеев Ю.М., Васильев А.В.Теоретические основы атмосферной оптики. СПб.: Наука, 2003. 474 с.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- Rodgers C.D. Inverse methods for atmospheric sounding: Theory and practice // World Scientific. 2000. p. 256. https://doi.org/10.1142/3171
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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