Наблюдения ночного свечения молекулярного кислорода в полярной атмосфере Марса ПГИ, Апатиты, 16-18 апреля 2013 Федорова А.А., Лефевр Ф., Берто Ж.-Л., Гуслякова. - презентация

1 Наблюдения ночного свечения молекулярного кислорода в полярной атмосфере Марса ПГИ, Апатиты, апреля 2013 Федорова А.А., Лефевр Ф., Берто Ж.-Л., Гуслякова С.А., Кораблев О.И., Монтмессан Ф., Гонде Б.

2 Дезактивация свечение: 1) Высвечивания на высотах >20-25 km O 2 (a 1 g ) O 2 (X 3 g ) + h ~ 4566 сек Дезактивация в столкновения с CO 2 (

3 Свечение O 2 в полосе 1.27 мкм на Марсе Ночная сторона Свечение O 2 в полосе происходит в результате рекомбинации атомарного кислорода, максимальная интенсивность в надир оценивалась как 50 kR O + O +CO 2 O 2 (a 1 g )+CO 2 Единственное наблюдение с длинно щелевого эшелле-спектрографа CSHELL на ИК телескопе IRTF в 2003 году. Марсианский спектр наблюдался на 0.6 arcsec выше ночного лимба на 70 S. Интегральная вертикальная интенсивность свечения 2.2 MR (Krasnopolsky, Icarus, 2004) Дезактивация свечение: 1) Высвечивания на высотах >20-25 km O 2 (a 1 g ) O 2 (X 3 g ) + h ~ 4566 сек Дезактивация в столкновения с CO 2 (

4 Ночного свечения О 2 (а 1 Δ g ) 1.27 мкм на Венере Примеры профилей интенсивности свечения О 2 на лимбе. Пик свечения находится на высоте 97±1 км Свечение О 2 на диске Венеры Свечение кислорода на 1.27 мкм на ночной стороне Венеры возникает в результате рекомбинации атомов кислорода, которые образуются на дневной стороне при фотолизе СО 2 и СО и переносятся на ночную сторону глобальной циркуляцией в верхней мезосфере и термосфере Венеры, вызывающей движение газа от подсолнечной к антисолнечной точке.

5 The Martian general circulation model by LMD (LMD GCM, Lefevre et al., 2004; Millour et al., 2008; version 2012) a new Martian general circulation (version 2012) Atmospheric circulation, photochemical cycle, upper atmosphere processes and ionosphere Plenty of improvements including Improved Dynamics, Convection and Turbulence Model, Improved dust model to simulate observed Martian years (MY24 – MY30), IR and solar wavelength radiative effects of clouds, Improved cloud microphysics etc A new model well reproduce now the current MEX and MRO observations

6 Марс-Экспресс ? OMEGA: Картирующий спектрометр SPICAM: УФ и ИК атмосферный спектрометр PFS: Планетный Фурье- спектрометр Приборы, выполненные с участием России: HRSC: стерео камера высокого разрешение ASPERA: анализатор энергетических нейтральных атомов

7 Марс-Экспресс: OMEGA Observatoire pur la Mineralogie, lEau, les Glaces et lActivite

8 Открытие свечения кислорода на Марсе в 2010 году в эксперименте ОМЕГА на КА Марс- Экспресс Orbit n° dateLs (°) Latitude (°) Longitude (°) Local Time (hr) Peak altitude (km) Peak Intensity (MegaRayleigh) /11/ S 13.5 E 16: /04/ N 164 E 22: /01/27385 S 120 E 03: Всего три детектирования свечения на лимбе планеты на южном и северном полюсах.

9 Открытие свечения кислорода на Марсе в 2010 году в эксперименте ОМЕГА на КА Марс- Экспресс Вертикальная интенсивность свечения равно 0.24 и 0.95 Mега Релэй (MR) соответственно для данных и модели. Наблюдаемая толщина слоя свечения O 2 равно 8.3 км (на половине макс.значения) против 16 км в модели. Его протяженность по наблюдениям от 40.5 до 49 км (на половине пика), тогда как в модели слой расположен от 40 до 56 км. Высота пика свечения ниже в наблюдения, чем в модели (42 км к 48 км), и присутствует нехватка измеренного свечения выше ~52 км, где в модели все еще значительное свечение.

10 Первые наблюдения Свечение O 2 ( 1 Δ g ) - это эффективный индикатор нисходящих потоков воздуха с высот, где происходит фотодиссоциация CO 2 (т.е. около 70 км). Высота свечения и его интенсивность контролируется амплитудой ветра, турбулентной диффузией и скоростями ключевых химических реакций. Начиная с 2010 года эксперимент ОМЕГА на КА Марс-Экспресс не функционирует в этом диапазоне Спектрометр CRISM на КА Марс-Реконнессанс-Орбитер почти одновременно с экспериментом ОМЕГА детектировал свечение в 2010 году. Компания лимбовых наблюдений с шагом Ls=30° (Clancy et al., 2012) Новая кампания наблюдений ночного полярного свечения спектрометром СПИКАМ на Марс-Экспресс началась с июля 2010 года.

11 Mars Reconnaissance Orbiter : CRISM Compact Reconnaissance Imaging spectrometer for Mars (2006-?) Key Performance Characteristics Field of view2.12 degrees (37 milliradians) Spectral range VNIR: nm IR: nm Swath width9.4 to 11.9 km at 300 km altitude (5.8 to 7.4 miles at 186 miles altitude) Spectral sampling 6.55 nm/channel Spatial sampling 15.7 to 19.7 m/pixel; resolves 38-m spot at all wavelengths (51 to 64 feet/pixel; resolves 125-foot spot at all wavelengths) Instantaneou s FOV (pixel angular size) degree (61.5 microradians) Спектрометр во многом похож на эксперимент ОМЕГА: Плохое спектральное разрешение, но хорошее пространственное разрешение

12 Наблюдение свечения кислорода на Марсе в году в эксперименте CRISM на КА MRO Широкое покрытие по сезонам

13 Наблюдение свечения кислорода на Марсе в году в эксперименте CRISM на КА MRO Больше свечения чем предсказывает модель Сильное расхождение интенсивности свечения равно и Mега Релэй (MR) соответственно для данных и модели.

14 Марс-Экспресс: СПИКАМ

15 Первые наблюдения Новая кампания наблюдений ночного полярного свечения спектрометром СПИКАМ на Марс-Экспресс началась с июля 2010 года. Хорошее разрешение, но низкий сигнал-шум и большое поле зрения Применена новая команда с максимальным временем интегрирования одной спектральной точки 11.2 мс (5.6 мс в стандартный надирных дневных наблюдениях). Используется одно окна в спектральном диапазоне нм. 2 сек на один спектр ИК канал СПИКАМ работает с 2011 по 2013 год в режимах звездных затмений и ночных лимбов, чтобы осуществить сезонное картирование свечения на полюсах. O 2 1 g

16 Первые наблюдения ночного свечения СПИКАМ Черные точки указывают случаи детектирования свечения на лимбе Основная часть относится к вечернему послесвечению. 7 ночных профилей уверено детектированы для южной полярной области NEB ~1.1 W/m 2 /µm/ster, 0.9 MR/nm Random error > 2MR Абсолютные калибровки были корректированы с экспериментом ОМЕГА на Марс-Экспресс (точность лучше - 15%) Длина волны, нм 1268 нм высота, км

17 Первые наблюдения, MY30, Ls , южный полюс Первые результаты для Южного полюса: 1. Вертикальное разрешение для наблюдений изменяется от 20 до 35 км. Учет поля зрения необходим. 2. Высоты пика свечения O 2 на луче зрения изменяется от 37 до 47 км Вертикальное распределение интенсивности свечения O 2 (a 1 Δ g ) в MR/km получен из свечения на луче зрения. 1. Регуляризация Тихонова 2. Алгоритм Richardson-Lucy чтобы выполнить обратную свертку поля зрения 3. Восстановление интенсивности свечения O 2 в MR/nm с учетом и без учета свертки по полю зрения

18 Сравнение ночного свечения O 2 с LMD GCM (Lefevre et al., 2004; Millour et al., 2008; version 2012) Black - SPICAM observations; Red - OMEGA data Blue – GCM model (dashed blue – convolved with SPICAM vertical resolution) the altitude of the nightglow maximum for volume emission rate varies from 45 to 55 km, which corresponds on average the model values. The vertically integrated emission rate is in 2 times lower than in the model – more intense transport?

19 Вертикальное распределение атомарного кислорода O + O +CO 2 O 2 (a 1 g )+CO 2 (1) Важная задача: Фотохимия кислорода контролирует бюджет энергии на высотах км. Атомный кислород в верхней атмосфере оказывает влияние на охлаждение атмосферы через полосу CO 2 15-μm. Недооценка содержания O возможно дает завышенные температуры на высотах около 100 км при GCM моделировании. фотохимическое равновесие: Итоговая формула для атомарного кислорода: k 1 коэффициент скорости реакции (1), β эффективный квантовый выход; k 2 скорость дезактивации; τ время жизни возбужденного состояния Предполагаем, что O 2 (a 1 Δ g ) контролируется фотохимией. Используя соответствующие реакции, уравнение для O 2 (a 1 Δ g ) может быть записано как:

20 Профили кислорода и сравнение с GCM As the basic values we have taken: 1) the kinetics rate of reaction k 1 (T) = 9.46 × exp(485/T)cm 6 molecule -1 sec -1 (NIST dataset), 2) the effective yield β =0.75 3) deactivation rate k 2 = cm 3 molecule -1 sec -1 4) radiative lifetime of the excited state τ =4470 sec. 5) Temperature and atmospheric density vertical profiles were are taken from the LMD general circulation model. Solid lines: observations Dashed lines: LMD GCM modeling The estimated density of oxygen atoms at altitudes from 50 to 65 km varies from to cm -3

21 Наблюдения ночного свечения O 2 ( ) 64 observations (from orbit 8302 to 10642) with the O 2 nightglow detected at limb for the North Pole from Ls 250 to Ls 360 and the South Pole from Ls 0 to 120. Plenty of observations with vertical resolution better than 40 km The black points are indicated emissions detected at limb Detection at low latitudes is the O 2 day-side afterglow.

22 Вертикальные профили свечения O 2 Emission peak at km for the North Pole and km for the South Pole The emission is more intense for the North Pole

23 Картина сезонного распределения O 2 для Южного и Северного полюсов на лето 2012 года Comparison with the GCM O 2 -O MR The vertically integrated emission rate is totally lower than in the model but the South Pole emission shows more discrepancies The maximum of emission is shifted for the season compared to the GCM model

24 Южный полюс L s Северный полюс L s Плотность CO 2 и температура из звездных затмений в UV Одновременные наблюдения Warming of the middle atmosphere km is more strong (on 20-30K) The atmospheric downwelling circulation over the pole, which is part of the equator-to-pole Hadley circulation is more strong than expected? The same results by MCS/MRO McCleese et al.,2008. Not completely improved by the model? The cold layer at 105 km The density is much higher Good agreement for density Warming in the middle atmosphere is well reproduced Possible cold layer at 120 km The South Pole The North Pole

25 Температурные профили MCS/MRO Две модели: стандартная и модель с радиационно-активными облаками данные модель

26 Результаты Начиная с 2010 года ночное полярное свечение кислорода наблюдалось в трех экспериментах на КА Марс-Экспресс и Марс-Реконнессанс-Орбитер SPICAM и CRISM продолжают мониторинг и картирование свечения Расхождение результатов CRISM и СПИКАМ по абсолютной величине Радиационно-активные облака улучшают ситуацию при моделировании свечения, но температурные профили не воспроизводятся. Оценены плотности атомарного кислорода на высотах от 50 до 65 км они варьируются от до см -3. Циркуляция полярной ночной атмосферы, которая характеризуется здесь свечением кислорода и адиабатическим нагревом, один из самых чувствительных явлений в модели общей циркуляции.