Прибор ODS миссии ЭкзоМарс-2022: моделирование и наземные полевые измерения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты моделирования и наземных полевых измерений прибора ODS (ODS – Optical Depth Sensor), предназначенного для исследования аэрозоля в марсианской атмосфере посредством ежедневных измерений освещенности на поверхности планеты. Прибор являлся частью метеокомплекса, размещенного на посадочной платформе миссии ЭкзоМарс-2022. В статье приведены устройство прибора, его оптическая схема и спектральные характеристики двух каналов. Описаны основные элементы модели для расчета потока излучения, измеряемого прибором, в зависимости от структуры атмосферы, взвешенного в ней аэрозоля и суточного движения Солнца. Расчеты проводились в приближении псевдосферической атмосферы с учетом многократного рассеяния излучения. С использованием созданной модели, адаптированной для земной атмосферы, проведено моделирование сигнала прибора ODS для двух серий наземных полевых измерений на разных широтах. Измеренные суточные зависимости в сравнении с результатами моделирования позволяют определить оптическую толщину с точностью 0.1.

Об авторах

В. С. Хоркин

Институт космических исследований РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

А. А. Федорова

Институт космических исследований РАН

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

Ю. С. Доброленский

Институт космических исследований РАН

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

О. И. Кораблев

Институт космических исследований РАН

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

Н. А. Вязоветский

Институт космических исследований РАН

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

И. А. Дзюбан

Институт космических исследований РАН

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

А. Г. Сапгир

Институт космических исследований РАН

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

А. Ю. Титов

Институт космических исследований РАН

Email: vs_khorkin@mail.ru
Россия, Москва

Д. Толедо

Instituto Nacional de Técnica Aerospacial

Email: vs_khorkin@mail.ru
Spain, Madrid

Ж.-П. Помро

LATMOS, Université de Versailles-St-Quentin

Email: vs_khorkin@mail.ru
France, Guyancourt

П. Ранну

Instituto Nacional de Técnica Aerospacial

Автор, ответственный за переписку.
Email: vs_khorkin@mail.ru
Spain, Madrid

Список литературы

  1. Каталог производственной компании ООО “Электростекло”, Спектральные характеристики пропускания образцов цветного стекла. http://www.elektrosteklo.ru/Elektrosteklo_Color_Glass_Spectral_ Transmittance.pdf
  2. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. Санкт-Петербург: Наука, 2003. 473 с.
  3. Bodhaine B.A., Wood N.B., Dutton E.G., Slusser J.R. On Rayleigh Optical Depth Calculations // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 1999. V. 16. P. 1854–1861.
  4. Cantor B.A. MOC observations of the 2001 Mars planet-encircling dust storm // Icarus. 2007. V. 186. P. 60–96. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2006.08.019
  5. Clancy R.T., Sandor B.J., Wolff M.J., Moriarty-Schieven G. The orbital (Ls) variation of thermal structure over the 60–80 km Mars atmospheric region // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № E4. P. 9553– 9572.
  6. Evans K.F. SHDOMPPDA: A Radiative Transfer Model for Cloudy Sky Data Assimilation // J. Atmos. Sci. Special section. 2007. P. 3854–3864. https://doi.org/10.1175/2006JAS2047.1.
  7. Fedorova A.A., Rodin A.V., Baklanova I.V. Seasonal cycle of water vapor in the atmosphere of Mars as revealed from the MAWD/Viking 1 and 2 experiment // Sol. Syst. Res. 2004. V. 38. P. 421–433. https://doi.org/10.1007/s11208-005-0009-2
  8. Guzewich S.D., Lemmon M., Smith C.L., Martínez G., de Vicente-Retortillo Á., Newman C.E., Baker M., Campbell C., Cooper B., Gómez-Elvira J., Harri A.-M., Hassler D., Martin-Torres F.J., McConnochie T., Moores J.E., Kahanpää H., Khayat A., Richardson M.I., Smith M.D., Sullivan R., Juarez M.T., Vasavada A.R., Viúdez-Moreiras D., Zeitlin C., Mier M.-P.Z. Mars Science Laboratory observations of the 2018/Mars year 34 global dust storm // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 71–79. https://doi.org/10.1029/2018GL080839
  9. Haberle R., Clancy R., Forget F., Smith M., Zurek R. The Atmosphere and Climate of Mars. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2017. 588 p. https://doi.org/10.1017/9781139060172
  10. Hamamatsu datasheet, https://www.hamamatsu.com/eu/en/ product/optical-sensors/photodiodes/si-photodiodes/ S1336-8BK.html
  11. Harri A.-M., Linkin V., Polkko J., Marov M., Pommereau J.-P., Lipatov A., Siili T., Manuilov K., Lebedev V., Lehto A., Pellinen R., Pirjola R., Carpentier T., Malique C., Makarov V., Khloustova L., Esposito L., Maki J., Lawrence G., Lystsev V. Meteorological observations on Martian surface: Met-packages of Mars-96 Small Stations and Penetrators // Planet. and Space Sci. 1998. V. 46. Iss. 6–7. P. 779–793. https://doi.org/10.1016/S0032-0633(98)00012-9
  12. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Hirahara S., Horányi A., Muñoz-Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Schepers D., Simmons A., Soci C., Abdalla S., Abellan X., Balsamo G., Bechtold P., Biavati G., Bidlot J., Bonavita M.,Chiara G., Dahlgren P., Dee D., Diamantakis M., Dragani R., Flemming J., Forbes R., Fuentes M., Geer A., Haimberger L., Healy S., Hogan R., Hólm E., Janisková M., Keeley S., Laloyaux P., Lopez P., Lupu C., Radnoti G., Rosnay P., Rozum I., Vamborg F., Villaume S., Thépaut J.-N. The ERA5 global reanalysis // Quart. J. Roy. Meteorolog. Soc. 2020. V. 146. Iss. 730. P. 1999–2049. https://doi.org/10.1002/qj.3803
  13. Kleinboehl A., Spiga A., Kass D.M., Shirley J.H., Millour E., Montabone L., Forget F. Diurnal variations of dust during the 2018 global dust storm observed by the Mars Climate Sounder // J. Geophys. Res.: Planets. 2020. V. 125. id. e2019JE006115 (21 p.). https://doi.org/10.1029/2019JE006115.
  14. Lemmon M.T., Wolff M.J., Bell J.F., Smith M.D., Cantor B.A., Smith P.H. Dust aerosol, clouds, and the atmospheric optical depth record over 5 Mars years of the Mars Exploration Rover mission // Icarus. 2015. V. 251. P. 96–111. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.03.029
  15. Linkin V., Harri A.-M., Lipatov A., Belostotskaja K., Derbunovich B., Ekonomov A., Khloustova L., Kremnev R., Makarov V., Martinov B., Nenarokov D., Prostov M., Pustovalov A., Shustko G., Järvinen I., Kivilinna H., Korpela S., Kumpulainen K., Lehto A., Pellinen R., Pirjola R., Riihelä P., Salminen A., Schmidt W., Siili T., Blamont J., Carpentier T., Debus A., Hua C.T., Karczewski J.-F., Laplace H., Levacher P., Lognonné Ph., Malique C., Menvielle M., Mouli G., Pommereau J.-P., Quotb K., Runavot J., Vienne D., Grunthaner F., Kuhnke F., Musmann G., Rieder R., Wänke H., Economou T., Herring M., Lane A., McKay C.P. A sophisticated lander for scientific exploration of Mars: scientific objectives and implementation of the Mars-96 Small Station // Planet. and Space Sci. 1998. V. 46. P. 717–737. https://doi.org/10.1016/S0032-0633(98)00008-7
  16. Lorenz R.D., Martínez G.M., Spiga A., Vicente-Retortillo A., Newman C.E., Murdoch N., Forget F., Millour E., Pierron T. Seasonal deposition and lifting of dust on Mars as observed by the Curiosity Rover // Planet. and Space Sci. 2021. V. 207. 14 p. https://doi.org/10.1016/j.pss.2021.105337.
  17. Maria J.-L., Tran T.T., Pommereau J.-P., Rannou P., Malique C., Correia J.J., Porteneuve J. Scientific aspects of the optical depth sensor // Adv. Space Res. 2006. V. 38. P. 726–729. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.08.021
  18. Markiewicz W., Sablotny R., Keller H., Thomas N., Titov D., Smith P. Optical properties of the Martian aerosols as derived from Imager for Mars Pathfinder midday sky brightness data // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 9009–9017. https://doi.org/10.1029/1998JE900033
  19. Markiewicz W.J., Keller H.U., Thomas N., Titov D., Forget F. Optical properties of the Martian aerosols in the visible spectral range // Adv. Space Res. 2002. V. 29. Iss. 2. P. 175–181. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(01)00567-1
  20. Martin L.J. The Major Martian Dust Storms of 1971 and 1973 // Icarus. 1974. V. 23. P. 108–115. https://doi.org/10.1016/0019-1035(74)90108-0
  21. Montabone L., Forget F., Millour E., Wilson R.J., Lewis S.R., Cantor B., Kass D., Kleinböhl A., Lemmon M.T., Smith M.D., Wolff M.J. Eight-year climatology of dust optical depth on Mars // Icarus. 2015. V. 251. P. 65–95. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.12.034
  22. 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 (30 p.). https://doi.org/10.1029/2019JE006111.
  23. Montmessin F., Rannou P., Cabane M. New insights into Martian dust distribution and water-ice cloud microphysics // J. Geophys. Res.: Planets. 2002. V. 107. Iss. E6. P. 4.1–4.14. https://doi.org/10.1029/ 2001JE001520.
  24. Smith P.H., Tomasko M.G., Britt D., Crowe D.G., Reid R., Keller H.U., Thomas N., Gliem F., Rueffer P., Sullivan R., Greeley R., Knudsen J.M., Madsen M.B., Gunnlaugsson H.P., Hviid S.F., Goetz W., Soderblom L.A., Gaddis L., Kirk R. et al. The imager for Mars Pathfinder experiment // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. № E2. P. 4003–4025. https://doi.org/10.1029/96JE03568
  25. Smith M.D. THEMIS observations of Mars aerosol optical depth from 2002–2008 // Icarus. 2009. V. 202. P. 444–452. https://doi.org/10.1016/J.ICARUS.2009.03.027
  26. Toledo D. Preparation and validation of the cloud and dust opacity sensor ODS for ExoMars 2018 mission // Candidate’s thesis, Reims. 2015. 182 p.
  27. Toledo D., Rannou P., Pommereau J.-P., Foujols T. The optical depth sensor (ODS) for column dust opacity measurements and cloud detection on Martian atmosphere // Exp. Astron. 2016a. V. 42. P. 61–83. https://doi.org/10.1007/s10686-016-9500-7
  28. Toledo D., Rannou P., Pommereau J.-P., Sarkissian A., Foujols T. Measurement of aerosol optical depth and sub-visual cloud detection using the optical depth sensor (ODS) // Atmos. Meas. Tech. 2016b. V. 9. P. 455–467. https://doi.org/10.5194/amt-9-455-2016
  29. Toledo D., Arruego I., Apéstigue V., Jiménez J.J., Gómez L., Yela M., Rannou P., Pommereau J.-P. Measurement of dust optical depth using the solar irradiance sensor (SIS) onboard the ExoMars 2016 EDM // Planet. and Space Sci. 2017. V. 138. P. 33–43. https://doi.org/10.1016/j.pss.2017.01.015
  30. Tran T.T., Pommereau J.-P., Rannou P., Maria J.-L. Technical aspect of the optical depth sensor // Adv. Space Res. 2005. V. 36. P. 2182–2186. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.07.079
  31. Vincendon M., Audouard J., Altieri F., Ody A. Mars express measurements of surface albedo changes over 2004–2010 // Icarus. 2015. V. 251. P. 145–163. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.10.029
  32. Zelenyi L.M., Korablev O.I., Rodionov D.S., Novikov B.S., Marchenkov K.I., Andreev O.N., Larionov E.V. Scientific Objectives of the Scientific Equipment of the Landing Platform of the ExoMars-2018 Mission // Sol. Syst. Res. 2015. V. 49. № 7. P. 509–517.
  33. Zurek R.W. Martian great dust storms: An update // Icarus. 1982. V. 50. Iss. 2–3. P. 288–310. https://doi.org/10.1016/0019-1035(82)90127-0

Дополнительные файлы


© В.С. Хоркин, А.А. Федорова, Ю.С. Доброленский, О.И. Кораблев, Н.А. Вязоветский, И.А. Дзюбан, А.Г. Сапгир, А.Ю. Титов, Д. Толедо, Ж.-П. Помро, П. Ранну, 2023