Спектрофотометрическое исследование атмосферы и поверхности Марса в диапазоне 315-550 нм на космическом аппарате "ФОБОС-2" тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

"РГ5 01

На правах рукописи

Петрова Елена Владимировна

СПЕКТРОФОТОМБТРИЧЕСКСЖ ИССЛЕДОВАНИЕ АТМСОЗЖРЫ И ПОВЕРХНОСТИ МАРСА В ДИАПАЗОНЕ 315-550 км НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ "ФОБОС-2"

Специальность 01.03.02 - астрофизика и ралиоастрономия

/АВТОРЕФЕРАТ диссертации ка соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Институте космических исследований Российской Академии наук.

Научный руководитель-

доктор фивико-математических наук, профессор В.Н.Мороз

(

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.В.Ыораженко

(Главная астрономическая обсерватория АН Украины), кандидат физико-математических наук Б.А.Устинов

(Институт фиэики атмосферы РАН) Ведущая организация -

Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга

Защита диосертации состоится "Я" 1993 г. в часов

на заседании специализированного совета Д 002.04.01 в Институте космических исследований РАН по адресу: 117810, Москва, ул.Профсоюзная 84/32, тел.333-20-78

О диссертацией можно, ознакомиться в библиотеке ЙКИ РАН.

Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь опециалиеированного совета к.т.н.

В.Е.Нестеров

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Цель работы

> Проведенные в последние годы исследования Марса ответилй на многие вопросы, но в то же время поставили и новые. Спектрофотометрия является достаточно мощным инструментом для изучения свойств поверхности планеты и атмосферы с присутствующим в ней аэрозолем. Предыдущие спектрометрические эксперимента высокого качества, проведенные с космических аппаратов, охватывали ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны. Измерения в видимой области спектра, которые также могут дать полез-I ный материал, велись только с Земли и, следовательно, имели низкое пространственное разрешение. Поэтому в рамках международного проекта "Фобос" был запланирован и проведен с орбиты

о

спутника Марса спектрофотометрический эксперимент (КРФМ). Измерения проводились в 8 узких полосах в диапазоне 316-550 им. Определение характеристик аэрозольных дымок и облаков в ат-; мосфере Марса и уточнение структуры и состава реголита планеты на основе данных, полученных в результате этого эксперимента, и явилось целью настоящей работы.

Актуальность теш

1. Имеющиеся к настоящему времени кодииественные оценки свойств постоянно присутствующих е атмосфере Марса аэрозолей ав однозначны. В то же время аэрозоль оказывает непосредственное влияние на тепловой реяшм атмосферы и на механизм образования и затухания пылевых бурь. Это приводит к необходимости получения нового наблюдательного материала и тщательного изучения природы дымок, туманов, облаков и их динамики.

2. Определение отражательных свойотв марсианской поверхности проводилось неоднократно, однако точность этих измерений явно недостаточна. Характеристики структуры мароианского грунта, полученные различными методами, противоречивы и нуждаютоя в уточнении. Так, например, размеры частиц реголита, оцененные с помощью поляриметрии и ИК-радиометрии, различаются на порядок.

Новизна работы

1. Фотометрические профили Марса от лимба до лимба впервые иемерекы с достаточно высоким спектральным ( * 10 ) и пространственным (около 30 км) разрешением в ультафиолетовом и пилимом диапазонах. : '

2. Для интерпретации этих намерений разработан относительно простой алгоритм расчета моделей яркости излучения, рассеянного атмосферой конечной оптической толщины с подстилающей поверхностью. Этот алгоритм учитывает реальные свойства атмосферы и поверхности Марса, а именно: истинное поглощение в атмосфере и сильно вытянутую вперед индикатрису рассеяния ' аэрозольными частицами, неортотропность отражательных свойотв поверхности планеты.

3. Для учета влияния несферической формы частиц на оценку их оптических свойотв предложена модификация полуэмпирической теории рзссеян'ч на несферичееких частицах. Она позволяет бее дополнительного математического аппарата преодолеть определенные трудности в расчетах для условий наблюдений при малых углах фазы (именно в этих условиях проводились фотометрические измерения с КА "Фобоо-2").

4. Определена оптическая толщина постоянной дамки в атмосфере М'феа во ?.ромя измег^ний в диапазоне Р15-550 нм.

б. Уверенно определена мнимая часть показателя преломления частиц аэрозольной дыыки, иеменение ее в диапазоне 316-650 нм соответствует некоторому силикатному материалу, содержащему несколько процентов РегОз. Такой способ количественной оценки содержания поглотителя по фотометрическим профилям предложен впервые.

6. Определены размеры ледяных частиц конденсационных облаков у марсианских вулканов, оптическая толщина облаков, их высота над поверхностью, оценено количество в них льда.

7. Оценены средние размеры частиц марсианского реголита.

Практическая ценность работы

1. Разработан относительно простой алгоритм расчета моделей яркости излучения, рассеянного атмосферой конечной оптической толщины с присутствующим в ней поглощающим аэрозолем и о подстилающей неортотропной поверхностью.

2. Разработан и применен новый способ оценки содержания поглотителя в частицах дымки по фотометрическим профилям.

3. Определена оптическая толщина аэрозоля в атмосфере Марса в диапазоне 316-550 нм.

4. Подтверждено присутствие в веществе частиц марсианской силикатной дымки оксида железа (несколько процентов).

5. Определены размеры ледяных частиц конденсационных облаков у марсианских вулканов, оптическая толщина, облаков, их высота над поверхностью, оценено количество в них льда.

6. Оценены средние размеры частиц верхнего слоя марсианского грунта.

На аащиту выносятся следующие основные реьультаты:

1. Метод количественной оценки поглощающих свойств частиц атмосферного аэрозоля по фотометрическим профилям с учетом несферической формы частиц.

2. Определение мнимой части показателя преломления чаотиц и оптической толщины силикатной дымки на Ыарсе в спектральном диапазоне 316- 1БО нм.

3. Определение свойств конденсационных облаков у вершин марсианских вулканов.

4. Определение средних размеров частиц верхнего слоя марсианского грунта.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научных оеми-нарах отдела физики планет ИКИ РАН. на 14-й советско-американской рабочей встрече по планетологии (Москва, 1091), на ХУ1 и ХУ11 Генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества (Висбаден, 1901 и Эдинбург, 1992) и отражены в семи публикациях в научных журналах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, содержит 145 страниц, в том числе 47 рисунков на 36 листах. 12 страниц литературы ( 135 названий ) и 7 стр. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность спектрофотометрических исследований Марса, сформулирована цель работы, ее новизна и практическое значение. Кратко изложены ревультаты, перечислены

статьи автора по теме диссертации и указан вклад автора в совместную работу.

В первой главе дается краткий обзор фотометрических исследований Марса и их результатов, начиная с наземных наблюдений и кончая измерениями с космических аппаратов. Особое внимание уделено также исследованиям, которые проводились не с помощью спектрофотометрии, но дали материал о свойствах атмосферы и поверхности планеты^ использований при интерпретации данных эксперимента КРФМ.

Во второй главе описаны условия'спектрофотометрических измерений, проведенных во время миссии "Фобос", и средство их реализации - спектрофотометр КРФМ - его устройство и основные характеристики. Наблюдения Марса проводились от утреннего до вечернего лимба (при угле фазы меньше 0,5°) с почти круговой орбиты высотой около 6000 км, что давапо пространственное разрешение на поверхности планеты порядка 30 км. Отдельно рассмотрена проблема абсолютной калибровки прибора, осложненная эффектом оппозиции, который, как известно присущ Марсу. Приведены результаты дополнительного иссследования стабильности работы спектрофотометра и линейности усиления его каналов. Проведен обзор результатов, полученных в этом эксперименте, - семи фотометрических профилей Марса в 8 узких спектральных интервалах в диапазоне 315-550 нм.

В третьей главе рассмотрена возможность оценки свойств атмосферного аэрозоля (оптической толщины аэрозоля, мнимой части показателя преломления частиц дымки и их альбедо однократного рассеяния) и поверхности (отражательной способности и фактора гладкости) по измеренным профилям. Проанализирована необходимая для интерпретации наблюдений информация о лействи-

- б -

тельной части показателя преломления частиц пыли, раопреле-леиии частиц по размерам и атмосферном давлении в местах проведения измерений.

Рассмотрен метод расчета яркости излучения, рассеянного ; однородной атмосферой конечной оптической толщины, с неортот-ропной подстилающей поверхность». Было ислольвовано приближение, при котором яркость рассеянного атмосферой света представлялась в виде суммы составляющих, обусловленных однократным и многократным рассеянием. При этом однократное рассеяние вычислялось точно для индикатрисы, рассчитанной для предполагаемого вида частиц дымки, а многократное рассеяние вычислялось для двучленной индикатрисы, достаточно вытянутой вперед. Расчеты яркости света, диффувно отраженного поверхностью и рассеянного и ослабленного атмосферой, проводились о учетом неортотропности поверхности планеты.

Рассчитаны индикатрисы рассеяния сферичесгаши силикатными и ледяными частицами и силикатными частицами, покрытыми ледяной оболочкой, для различных распределений частиц по раамерам (с эффективным радиусом от 1,24 мкм до 2,76 мкм для силикатных частиц, от 0,25 до 7 мкм для ледяных частиц и 1 и 4 мкм для двуслойных частиц),> для различных значений мнимой части показателя преломления (от О до 0,02) для длин волн диапазона КР®.

Показано, что оптическая толщина' силикатной дымки на Ыарсе практически не зависит от длины волны в диапазоне 315-560 им. Обратное рассеяние, величина которого является определяющей для измерений при малых углах фазы (измерения КР<Ш). чувствительно к изменению мнимой части показателя преломления частиц, что открывает возможность оценки поглощающих свойств частиц дымки по результатам эксперимента КРФМ.

Исследована чувствительность результатов вычислений к изменениям параметров, значения которых принимались априорно; она оказалась небольшой: реально возможные вариации исходных параметров могут привести к изменениям величины мнимой части показателя преломления частиц на ±1БХ.

Для оценки влияния "неправильной" формы частиц на результаты. полученные в приближении сферической формы, предложена модификация полуэмпирической теории Поллака и Кыоои рассеяния несферическими частицами. Данная модификация позволяет применить указанную теорию при интерпретации измерений КРФМ, проводившихся в условиях оппозиции (при малых углах фазы) . Рассчитаны индикатрисы рассеяния несферическими силикатными и ледяными частицами различной формы для нескольких значений мнимой части показателя преломления для длин волн 316 и 560 нм.

В четвертой главе проведены анализ фотометрических профилей Ыарса, измеренных прибором КР<Ш, и сравнение их о модельными профилями яркости, рассчитанными по методике, изложенной в главе 3. Это позволило получить следующие оценки свойств аэрозольной дымки в атмосфере Ыарса, облаков у горных вершин и поверхности планеты:

1. Постоянная дымка.

Оптическая толщина на утреннем лимбе вбливи экватора б период наблюдений (5°<Ь5<16°. Февраль - март 1989 г.) находилась в пределах 0.1-0,2 (для спектрального диапазона 316-650 нм), что существенно меньше величины, прогнозировавшейся по данным посадочных аппаратов "Викинг". Подтверждено возможное существование ранним утром, а затем постепенное исчезновгйие топкого тумана частиц водного льда.

Мнимая часть показателя преломления частиц постоянной дымки плавно меняется от 0,015 (на 315 нм) до 0,005 (на 650 нм). Это соответствует некоторому силикатному материалу, содержащему несколько процентов окислов железа (гетит, лимонит, гематит). Учет несферической формы частиц дает несколько меньшие значения, однако необходимость присутствия вещества, поглощаю-! щзго в ультрафиолетовых и синих лучах, сохраняется.

Приведенные оценки сделаны в предположении гамма-распределения частиц по размерам с эффективным радиусом 1,6 мкм.

2. Облака над большими вулканами.

Существуют по крайней мере две возможные модели этих облаков, которые, наверное, могут реализовываться одновременно:

а) Облака состоят иэ мелких ледяных частиц с эффективным радиусом 0,2-0,5 мкм; их оптическая толщина около 0.2; они могут находиться над вершинами вулканов.

б) Облака состоят из ледяных частиц с эффективным радиусом около 1 мкм; 1« оптическая толщина 0,07-0.10 . они находятся ниже вершин вулканов на высотах около 15 км.

Количество льда, содержащегося в облаках около горных вершин. оценивается, в вависимости от принятой модели, в пределах от З.Б-10"6 до 5.0-Ю"6 г-см"2 .

3. Поверхность.

Фактор гладкости О. б приемлем как первое приближение для описания фотометрических свойств поверхности, хотя и не исключается его рост с увеличением длины волны.

Средний радиус "оптически активных" частиц грунта оценивается величиной 6-7 мкм.

2 заключении перечислены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Для интерпретации результатов спектрофотометричеоких измерений, проведенных на космическом аппарате "Фобос-2" с орбиты у Марса, разработан алгоритм раочета моделей яркости излучения, рассеянного атмосферой конечной оптической толщины с подотилающей поверхностью. Этот алгоритм учитывает реальные свойства атмосферы и поверхности Марса, а именно: истинное поглощение в атмосфере и сильно вытянутую, вперед индикатриоу рассеяния аэровольными частицами, неортотропность отражательных свойств поверхности планеты.

2. Необходимым этапом в определении оптических характеристик частиц аэрозоля явился расчет индикатрис рассеяния сферическими силикатными, ледяными и двуслойными частицами. Предложена модификация полуэмпирической теории рассеяния несфери-ческиыи частицами для условий наблюдения при малых углах фазы С случай обратного рассеяния ), не требующая дополнительного математического аппарата. С помощью этой модификации рассчитаны индикатрисы рассеяния для несферических частиц различной формы. '

3. Показано, что увеличение оптической толщины силикатной дымки на Марсе от 315 к 550 нм составляет не более 10Х. Исследована чувствительность обратного рассеяния аэрозольными частицами к изменению действительной и мнимой части показателя преломления частиц, распределению по размерам.

4. Путем подбора модельных профилей яркости, лучик? всего согласующихся с измеренными, определен ряд параметров, харак-

- 10 -

теризующих свойства атмосферы и поверхности Марса.

Определена оптическая толщина постоянной дымки в атмосфере во время измерений на КА "Фобос-2".

Оценена мнимая часть показателя преломления частиц аэрозольной дымки, изменение которой в диапазоне 315-550 нм соответствует некоторому силикатному материалу, содержащему несколько процентов РегОз. причем для частиц несферической формы необходимость присутствия поглотителя в синей области спектра сохраняется, хотя количественные оценки в этом случае ниже, чем для сферических частиц.

Определены размеры ледяных частиц конденсационных облаков у марсианских вулканов, оптическая толщина облаков, их высота над поверхностью, оценено количество в них льда.

Определен фактор гладкости поверхности в спектральном диапазоне 315-550 нм, оценены средние размеры частиц верхнего слоя грунта. .

Автор непосредственно участвовал в подготовке и проведении автономных и комплексных испытаний прибора КРЗМ. разработке программ испытаний и программ работы прибора на орбите у Марса. Автор проводил перкччную компьютерную экспресе-обработ-ку информации, поступавшей в ходе эксперимента с КА "Фобос-2". Возникшая проблема абсолютной перекалибровки прибора была успешно решена автором с учетом эффекта оппозиции, который наблюдается на Марсе.

Для последующей обработки и интерпретации результатов сг.ектрофотометрического эксперимента КРФМ автором разработан пакет компьютерных программ, необходимых для расчетов индикатрис рассеяния полидисперсной среды, модельных расчетов яркости

излучения, рассеянного атмосферой конечной оптической толщины о присутствующим в ней поглощаюадм аэрозолем и с неортотропной подстилающей поверхностью. Автором предложена модификация полуэмпирической теории раосеяния на несферических частицах и исследовано влияние неоферической формы .частиц на оценку свойств аэрозольной дымки. Автором получены характеристики облаков у горных вершин на Марсе.

ПЕЧАТНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Мороз В.И., Петрова Е.В., Ксанфомалити Л.В., Эопоэито Л., Вибринг Я-П., Комб М.. Суффло А.. Ганпанцерова О.Ф., Горош-кова II.В., Жарксв A.B., Никитин Г.Е., Суворов А.П. Характеристики аэроволя в атмосфере М&рса по данным эксперимента КРФМ / Космич. исслед., 1990, т.28, о.936-942.

2. Петрова Е.В., Mopos В.И., Ксанфомалити Л.В., Эопо8ито Л., Вибринг Й-П., Комб М., Суффло А. Свойства аэрозоля в мароианской атмосфере по данным эксперимента КР4М / Тевиси докладов на 14 советско-американской рабочей встрече по планетологии, Москва, 1991, о.67.

3. Мороз В.Й., Петрова Е.В., Ксанфомалити Л.В., Эопозито Л.. Вибринг Ж-П., Комб Ы., Суффло А., Ганпанцерова О.Ф., Горот-кова Н.В., Варков A.B.. Никитин Г.Е. 1991. Аэрозоль в атмосфере Марса по данным эксперимента КРОМ / Письма в Ает-рон. журнал, 1991, Т.17, с.548-669.

4. Morcz V.l., Potrova E.V., Ksanfctnallty L.V., Esposlto L., Blbring J-P.. Combas M., Soufflot A., Sanpantzei-ova O.F., Goroshkova N.V.. Zharkov A.V., Nikltln 0.E. Characteristic;; of aerosol phenomena in Martian atmosphere from KKFM

- 12 -

experiment } Planet.Space Sol.. 1991, v.39, p.199-208.

■6. Petrova E.V., Moroz V. I., Ksanfomality L.V., EsposltoL, Comb&s M.. Blbrlng J-P., Soufflot A. Aerosols properties from KRFM experiment data / Paper presented at XY1 General Assembly EGS, Wiesbaden, 1991, Annales Geophysicae, Supplement to Vol.9, p.420.

6. Moroz V.I.. Petrova E.V., Ksanfomality L. V., Esposito L., Bibrlng J-P.'. Combes M.. Souff lot A., Ganpantzerova O.F., Goroshkova hl.V., Zharkov A.V., Nikltin Э.Е. Characteristic^ of aerosols , phenomena in Martian atmosphere from KRFM experiment data / Adv. in Space Res., 1992, v.12, p.(9)3-(9)12. ' ; ■

7. Petrova E.V., Moroz V.I., Ksanfomality L.V. Constant haze on Mars; updated analysis of 0.31-0.55 narrow band

, photometry on the PHOBOS mission / Paper presented at XYII General Assembly EOS, Edinburgh, 1992, Annales Geophysioae, Supplement III to Vol.10, p.490.

8. Петрова E.B. Ледяные облака над марсианскими вулканами по данным эксперимента КРФЫ проекта ФОБОС / Астрон. вестник, 1993, т.27, 0.19-26.

9. Мороз В.И., Петрова Е.В., Ксанфомалити Л.В. Спектрофотомег-рия Марса в эксперименте КРФМ миссии ФОБОС: некоторые свойства атмосферного аэрозоля и поверхности / Космич. исслед., 1993, т.31. с.105-129.

Ю.Петрова Е.В. О влиянии несферической формы частиц на оценку свойств аэрозольной дымки на Марсе / Космич. исслед., 1993, т. 31. с. 130-136.

055(02)2 Ротапринт ИКИ РАН

Москва, 117810, Профсоюзная 84/32

Подписано к печати 2.09.03

Заказ 9 Ь75

Формат 70x108/32 Тираж 100 О,В уч.изд.л.