научная статья по теме НОВОЕ В ФИЗИКЕ ПЛАНЕТНЫХ АТМОСФЕР Геофизика

Текст научной статьи на тему «НОВОЕ В ФИЗИКЕ ПЛАНЕТНЫХ АТМОСФЕР»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 4, с. 539-553

УДК 523.4:551.5

НОВОЕ В ФИЗИКЕ ПЛАНЕТНЫХ АТМОСФЕР

© 2009 г. О. И. Кораблев1, Л. В. Засова1, А. А. Федорова1, А. В. Родин1' 2, Н. И. Игнатьев1, Т. К. Бреус1, М. Н. Изаков1, Б. C. Майоров1, А. А. Криволуцкий3, Е. В. Петрова1,

А. Ю. Иванов1, А. Ю. Трохимовский1

Институт космических исследований РАН Москва 117810 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 2Московский физико-технический институт 141700 Долгопрудный, Московская обл., Институтский пер, 9 3Центральная аэрологическая обсерватория 141700 Долгопрудный, Московская обл., ул. Первомайская, 3 E-mail: aivanov@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 16.03.2009 г.

Представлен обзор результатов российских исследований планетных атмосфер в 2003-2006 гг., подготовленный в Комиссии по планетным атмосферам Национального геофизического комитета для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (г. Перуджа, 2-13 июля 2007 г.).*

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследования планет земной группы представляют интерес не только для углубления наших знаний о Солнечной системе в целом, но и для понимания глобальных процессов, протекающих на Земле. Понимание общих принципов взаимодействия природных механизмов климата Земли постоянно улучшается, однако выявить и оценить многочисленные факторы и на их основе предсказать развитие глобальных процессов на десятилетия вперед пока трудно. Климатические системы планет земной группы, Марса и Венеры, с одной стороны, намного проще: сказывается отсутствие биосферы и океана. С другой стороны, они дают пример экстремальных состояний, в которых процессы, протекающие на Земле, проявляются более ярко. Например, сам термин "парниковый эффект", ставший сейчас обозначением комплекса проблем, связанных с устойчивостью климата Земли, впервые вошел в употребление в середине 1960-х годов в связи с необходимостью объяснить высокую яркостную температуру поверхности Венеры, измеренную в радиодиапазоне [1].

В национальный отчет Национального геофизического комитета по атмосфере планет вошли исследования, выполненные в период 2003-2006 гг. Проведенные исследования включают численное

* Russian National Report. Meteorology and Atmospheric Sciences. 2003-2006. Edited by I.I. Mokhov and A.A. Krivolutsky. National Geophysical Committee RAS. Moscow: MAX Press, 2007. 180 p. См. также: Мохов И.И. Российские исследования в области метеорологии и атмосферных наук в 2003-2006 гг. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. < 2. C. 163.

моделирование динамики и фотохимии планетных атмосфер, процессов переноса излучения и микрофизики аэрозолей. Проведен анализ и обобщение результатов измерений на космических аппаратах (КА) "Викинг-1 и 2", "Венера-11-14", "Венера-15". Обобщены результаты наземных поляриметрических наблюдений. В исследованиях использованы данные КА НАСА "Марс Глобал Сервейор", работавшего на орбите вокруг Марса с 1997 по 2006 г. и посадочного зонда на спутник Сатурна Титан "Гюйгенс" (2005). Существенная часть результатов получена при помощи приборов с российским участием на космическом аппарате "Марс-Экспресс", работающем по настоящее время.

"Марс-Экспресс", первая экспедиция Европейского космического агентства к Марсу, была организована для выполнения части научных задач российского КА "Марс-96", погибшего при выходе на межпланетную траекторию. Космический аппарат представляет собой искусственный спутник Марса с приборами для исследований атмосферы, поверхности и окружающего пространства Марса. Он был выведен на межпланетную траекторию при помощи РН "Союз" с разгонным блоком "Фрегат" с космодрома Байконур 3 июня 2003 г., вышел на орбиту вокруг Марса 25 декабря 2003 г. и начал выполнение научной программы 4 января 2004 г. Пять из семи научных приборов орбитального модуля были первоначально разработаны для проекта "Марс-96" [2]. Российские ученые принимают участие в большинстве экспериментов проекта в рамках международного сотрудничества, а для трех из них (картирующий спектрометр OMEGA, Фурье-спектрометр PFS и спектрометр SPICAM) Россия поставила ключе-

вые элементы. Эксперимент SPICAM (Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars) на космическом аппарате "Марс-Экспресс" состоит из двух спектрометров ультрафиолетового и ближнего инфракрасного диапазонов. Его особенностью является возможность работы в режиме солнечных и звездных затмений. Прибор построен усилиями трех организаций во Франции, Бельгии и России (Институт космических исследований, ИКИ РАН) [3-6].

Эксперимент PFS (Планетный Фурье-спектрометр) предназначен, прежде всего, для атмосферных исследований путем дистанционного измерения ее теплового излучения в диапазоне 1.2-45 мкм. Относительно высокое спектральное разрешение (8À < 1.5 см-1) позволяет с высокой точностью определять малые составляющие атмосферы. Прибор PFS был разработан в Италии, а Россия поставила для него детекторы и оборудование для наземной калибровки [7, 8].

Прибор OMEGA (Observatoire pour la Mineralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activite) представляет собой картирующий спектрометр видимого и ближнего ИК-диапазона, работающий в диапазоне 0.385.1 мкм. Сочетая изображения и спектры, прибор позволяет исследовать минералогический и молекулярный состав поверхности и атмосферы Марса [9]. Прибор OMEGA разработан и изготовлен в кооперации Института космической астрофизики (Франция), Института физики межпланетной среды (Италия) и ИКИ РАН. Российская сторона изготовила блок входной оптики прибора, включая его сканирующее устройство. Телескоп прибора, работающего сейчас на орбите Марса, также был изготовлен в России.

Управление спутником гарантировано до конца 2009 г., но если позволит запас топлива, планируется продлить проект до середины 2012 г. Таким образом, объем проводимых исследований будет существенно расширен. Изготовление российской части аппаратуры и участие в управлении экспериментами программ "Марс-Экспресс" финансируется в рамках Федеральной космической программы России.

В 2006 г. на орбиту вокруг Венеры вышел КА "Венера-Экспресс", проводящий сейчас дистанционные глобальные исследования атмосферы и климата Венеры. Российские ученые принимают участие во многих экспериментах этого проекта. В 2006 г. исследования с этой космической станции только начались, и, в связи с обширностью нового материала, поступающего по проекту, ему будет посвящена отдельная обзорная статья.

По организационным причинам отчет Национального геофизического комитета по атмосферам планет не отражает большого объема исследований, посвященных стохастическому моделированию и процессов диссипации во внешних оболочках

атмосфер Марса [10-12] и Титана [13, 14], а также в экзосферах ледяных спутников внешних планет [15, 16], проведенных В.И. Шематовичем с коллегами. Также в отчете не были упомянуты работы, посвященные исследованиям неравновесных процессов, связанных с нарушением локального термодинамического равновесия в углекислотных атмосферах планет, проводимые Г.М. Шведом с коллегами [17, 18] и исследование слоистой структуры облаков Венеры по данным радиопросвечивания [19].

2. МАРС

2.1. Верхняя атмосфера и ионосфера Марса Свойства атмосферы и термосферы Марса

В основу исследований легли несколько сотен профилей концентрации электронов, полученные по данным радиозатменного эксперимента на КА "Марс Глобал Сервейор" в интервале высот 125-145 км. Для этих профилей определены шкала высоты нейтральной атмосферы, положение пика электронной концентрации и получен долготный ход профиля плотности нейтралов. Выявлены изменения шкалы высоты нейтральной атмосферы в северном и южном полушариях Марса при зенитных углах меньше 82°. Таким образом, подтверждены предсказания ряда атмосферных моделей, предсказывавших неизотермичность приполярной атмосферы на этих высотах. Исследовано зональное распределение высоты поверхности постоянной плотности атмосферы. Модуляция этой поверхности термическим приливом (в зависимости от долготы) хорошо согласуется с вариациями плотности нейтральной атмосферы, полученными по данным акселерометра КА "Марс Одиссей" [20].

Структура верхней нейтральной атмосферы Марса также изучается в эксперименте SPICAM на КА "Марс-Экспресс" при наблюдениях затмений звезд. По мере захода звезды за лимб планеты, ее спектр меняется из-за поглощения CO2 и O3, другими газами и аэрозолем. Решая обратную задачу можно восстановить профиль плотности CO2 (и, следовательно, температуры), озона и содержания аэрозоля (см. ниже). Наблюдения ярких УФ звезд (не менее 30) несколько раз за виток позволят измерять плотность атмосферы на высотах 10-150 км с точностью около 2%, и температуру на высотах 20-130 км с точностью =3 K [21, 22].

Влияние магнитных аномалий и солнечной активности на свойства ионосферы и ионосферы Марса

Совместный анализ данных радиозатмений, магнитометра, электрон-рефлектрометра миссии "Марс Глобал Сервейор" и акселерометра КА "Марс Одиссей" позволяет предположить, что

сложные магнитные структуры остаточного магнетизма на Марсе - магнитные аномалии [23] - в значительной мере определяют характеристики не только ионизованной, но и нейтральной компоненты верхней атмосферы планеты. Вблизи внешних границ мини-магнитосфер шкала высоты нейтральной атмосферы обычно превышает среднее значение, рассчитанное по совокупности данных. Она также относительно велика вблизи потенциальных "каспов" (локальных областей, где угол магнитного поля с вертикалью менее 30° или более 150°) вблизи экватора. Это может означать, что: а) возрастание шкалы высот нейтралов связано с разогревом, вызванным высыпанием энергичных частиц солнечного ветра в атмосферу; б) положение областей, где происходит это высыпание, определяется магнитными аномалиями [24, 25].

На основании профилей электронной концентрации, полученных радиозатменными методами на КА "Марс Глобал Сервейор", в северном и южном полушариях исследовано влияние солнечной активности на верхнюю атмосферу Марса. Данные о суточных средних знач

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.

Показать целиком