УДК 520.84, 523.43-852, 523.43-87
АОСТ: ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАРСА И ФОБОСА
© 2012 г. О. И. Кораблев1, А. В. Григорьев1, Б. Е. Мошкин1, Л. В. Засова1, Ф. Монмесан2, А. Б. Гвоздев1, В. Н. Шашкин1, Д. В. Пацаев1, В. С. Макаров1, С. В. Максименко1, Н. И. Игнатьев1, А. А. Фёдорова1, Г. Арнольд3, А. В. Шакун1, А. И. Терентьев1, А. В. Жарков1, Б. С. Майоров1, Ю. В. Никольский1, И. В. Хатунцев1, Ж. Беллуччи4, М. Джуранна4,
Р. О. Кузьмин15, А. В. Родин16
1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия 2 ЬЛТЫ08, Лаборатория атмосфер, сред и космических наблюдений, Сан-Квентан эн Эвлин, Франция 3 Институт планетологии университета г. Мюнстера, Мюнстер, Германия 41Г51, Институт физики межпланетного пространства, Рим, Италия 5Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва, Россия 6Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный, Россия
Поступила в редакцию 22.07.2010 г.
Фурье-спектрометр АОСТ проекта Фобос-Грунт предназначен для исследования Марса и Фобоса путем измерения инфракрасных спектров излучения атмосферы и поверхности Марса, поверхности Фобоса, а также спектра солнечного излучения, прошедшего через атмосферу Марса на его лимбе. Основные научные задачи прибора на Марсе — измерение содержания метана, поиск малых составляющих, исследование суточного цикла температуры и аэрозоля в атмосфере. Прибор также будет исследовать поверхность Марса и Фобоса, дистанционно и после посадки. Спектральный диапазон прибора 2.5—25 мкм, наилучшее спектральное разрешение (без аподизации) 0.6 см-1, мгновенное поле зрения 2.5°. Время записи одного спектра равно 5 с при наблюдениях Солнца и 50 с при наблюдениях Марса и Фобоса. Прибор имеет собственные системы термостабилизации и двухосевого наведения, а также встроенный источник излучения для калибровки в полете. Масса прибора 4 кг, энергопотребление до 13 Вт. В статье обсуждаются научные задачи, режимы измерения и, кратко, техническая реализация эксперимента.
ВВЕДЕНИЕ
Инфракрасные Фурье-спектрометры многократно использовались для исследования Марса, как на борту орбитальных космических аппаратов (Напе1 и др., 1972; Christensen и др., 1998; Formisano и др., 2005), так и на поверхности Марса (Christensen и др., 2004). Инфракрасные спектры в широком диапазоне содержат информацию как о поверхности, так и об атмосфере Марса. Интерферометр IRIS-M на борту КА Mariner-9 в 1971—1972 гг. позволил впервые исследовать термическую структуру атмосферы во время затухания пылевой бури (Conrath и др., 1973; Conrath, 1975). Прибор TES на КА Mars Global Surveyor (Christensen и др., 1998) проработал с 1997 по 2004 гг. Его задачи были ориентированы на определение состава поверхности, также полученные им результаты составляют основу климатологии Марса по таким параметрам, как сезонные циклы температуры атмосферы, пыли и водяного пара (см., напр., Smith, 2004). Mini-TES (Christensen и др., 2003a) на марсоходах Spirit и Oppurtunity использовался для дистанционного определения состава пород (Christensen и др., 2004) и свойств приповерхностного слоя атмосферы (Smith и др., 2006). Фурье-спектрометр PFS на КА Mars Express успешно рабо-
тает на орбите у Марса с 2003 г. (Formisano и др., 2005).
Многочисленные преимущества Фурье-спектрометрии перевешивают не менее многочисленные трудности создания летных Фурье-спектрометров, и последние не раз применялись в исследовании не только Земли и Марса, но и других планет Солнечной системы (Эртель и др., 1985; Persky, 1995; Горбунов и Мошкин, 2000; Hanel и др., 2003).
Объектами исследования в эксперименте АОСТ (Григорьев и др., 2009) проекта Фобос-Грунт (Зеленый и др., 2010) являются атмосфера Марса, поверхность Марса и поверхность Фобоса. Аббревиатура АОСТ условна и унаследована от планировавшегося на ранней стадии проекта спектрометра "оптического" диапазона. Прибор создан в ИКИ РАН с использованием опыта, накопленного при создании Фурье-спектрометров для проектов Марс-96 и Mars Express. Международная кооперация эксперимента включает французскую лабораторию LATMOS и Университет г. Мюнстер (Германия), которые поставили ряд компонентов прибора, а также Институт физики межпланетного пространства (IFSI) в Италии, предоставивший возможности для калибровок. Основные параметры прибора АОСТ приведены в
Режимы работы и основные параметры прибора АОСТ
Режим измерений Солнечные затмения Атмосфера Поверхность
Рабочая область спектра, мкм 2.5-20 6-25 2.5-25
Угол поля зрения 2.5°
Геометрический фактор, м2 ср 4.4 х 10-7
Размер наблюдаемой области Диск Солнца на Марсе на Фобосе
0.35° (в надир) 290 км (в надир) 2.2 км
Максимальная оптическая разность хода 1.1 0.55 0.14
от среднего положения, см
Спектральное разрешение, см-1 0.9 2 7
Длительность измерения, с 5 50 50
Сигнал/шум 100-500 10-500 10-500
Число точек в интерферограмме 16384 8192 2048
Информативность, кбайт 18 9 2.2
Масса, кг 4.1
Энергопотребление (не более), Вт
дежурный режим 3
режим измерения 10
табл. 1. По сравнению с Фурье-спектрометрами, применяемыми для исследования Земли (Регеку, 1995; Вегпа& и др., 2005; Кше и др., 2009), прибор АОСТ имеет сравнительно скромную оптическую апертуру (25 мм) при рекордно малой массе (4.1 кг). Также отличительной чертой прибора является возможность работать как в режиме наблюдений Солнца (затмения), так и в режиме исследования излучения атмосферы и поверхности.
НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ И ПЛАНИРУЕМЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ
Основные этапы и возможности наблюдений экспедиции Фобос-Грунт обсуждаются в статье (Аким и др., 2010). При оптимальной дате запуска 11 ноября 2011 г выход на орбиту вокруг Марса должен состояться в начале сентября 2012 г После этого в течение 20 дней КА будет находиться на переходных орбитах с периодом 3 суток, высотой перицентра 780 км и апоцентра — 75000 км. После подъема перицентра до 6500 км период увеличится до 3.5 суток. Планируемое время пребывания на этой орбите 9 дней, затем КА будет переведен на круговую "орбиту наблюдения" (на 370 км выше орбиты Фобоса; период 8.3 ч) на срок более трех месяцев, до середины января 2013 г Далее должен произойти переход на "квазисинхронную орбиту" (КСО); 50—70 км от Фобоса. После месяца наблюдений запланирована посадка на Фобос. Период работы КА Фобос-Грунт в окрестности Марса приходится на сезон перигелия (лето в южном полушарии, Ь& = 170°—264°), когда не исключено развитие глобальной пылевой бури.
В эксперименте АОСТ планируется проводить наблюдения Марса с переходных орбит, с "орбиты наблюдения" и наблюдения Фобоса с КСО и с поверхности после посадки. Прибор может работать в трех основных режимах (см. табл.): "Солнечные затмения", "Атмосфера" и "Поверхность". В этих режимах различаются спектральное разрешение и чувствительность прибора. Теоретические значения отношения сигнал/шум (С/Ш), рассчитанные для этих режимов наблюдения, приведены на рис. 1 (см. текст к рис. 1).
В режиме "солнечного затмения" наблюдается диск Солнца, просвечивающего атмосферу планеты. Основная научная задача, решаемая экспериментом в этом режиме, состоит в детектировании и измерении содержания метана в атмосфере Марса (ожидаемый предел обнаружения метана ~1 ppb, частей на миллиард), а также других малых составляющих по спектрам их поглощения. Также наблюдения в этом режиме позволят оценить вертикальные профили распределения водяного пара, D/H, аэрозолей. На любой орбите, близкой к орбите Фобоса, солнечные затмения для космического аппарата происходят три раза за марсианский день, независимо от сезона. Координаты затмений соответствуют экваториальной области Марса. Перед посадкой на Фобос существует возможность провести более 300 наблюдений на заходе и столько же на восходе.
В режиме, условно называемом "Атмосфера", наблюдаются атмосфера и поверхность Марса. Благодаря сканеру, наблюдать можно как в направлении надира, так и под углом к местной вертикали, что позволит исследовать широтный интервал от эква-
Рис. 1. Оценки значения отношения С/Ш, полученные для различных режимов наблюдений в зависимости от длины волны, принимая во внимание излучение объекта и характеристики спектрометра в соответствии с табл. Фобос и Марс — наблюдения Фобоса и Марса соответственно в режиме "Поверхность"; Атмосфера — наблюдения Марса в режиме "Атмосфера". Альбедо Фобоса принято равным 0.05; альбедо Марса — по данным Erard, Clavin (1997) и Ruff, Christensen (2002), среднее между темными и светлыми областями. Для режима "Солнечные затмения" яркость источника оценивается излучением черного тела с температурой 5700 K. Атмосфера Марса не учитывалась. Мы принимаем, что на участках спектра, для которых расчетный С/Ш превосходит 500, будет доминировать какая-либо другая помеха.
тора до средних широт. С "орбиты наблюдения" поле зрения АОСТ при наведении в надир соответствует на поверхности Марса кругу диаметром 290 км. Сдвиг поля зрения за время экспозиции 50 с (размазывание) будет не более 25 км. Предполагается исследовать суточные и (в пределах сценария миссии) сезонные вариации следующих параметров атмосферы:
— вертикальный профиль распределения температуры до высоты около 60 км;
— содержание водяного пара и других малых составляющих;
— содержание аэрозолей (пылевые и конденсационные облака).
Такие наблюдения позволят также исследовать суточные и, частично, сезонные вариации поверхностных инеев, дополнить ведущиеся при помощи картирующих спектрометров исследования химически связанной и адсорбированной воды в грунте, распространения как породообразующих минералов, так и сульфатов, гематита и филлосиликатов. Эксперимент позволит исследовать поверхность в глобальном масштабе в двух дополняющих друг друга спектральных интервалах, в области теплового излучения и, при более низком С/Ш, в диапазоне отраженной солнечной радиации 2.5—6 мкм.
Режим "Поверхность" предназначен для наблюдений Фобоса. На поверхности Фобоса с расстояния 50—70 км (с КСО) поле зрения составит 2.2—3 км, а "смаз" пренебрежимо мал. Основной задачей эксперимента на Фобосе является глобальное исследо-
ван
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.