Наблюдения ночного свечения молекулярного кислорода в полярной

атмосфере Марса

ПГИ, Апатиты, 16-18 апреля 2013

Федорова А.А., Лефевр Ф., Берто Ж.-Л., Гуслякова С.А., Кораблев О.И., Монтмессан Ф., Гонде Б.

Дезактивация свечение:

1) Высвечивания на высотах >20-25 km

O2(a1Dg) O2(X3Sg) + hn (t ~ 4566 сек )

2) Дезактивация в столкновения с CO2 (<20 км)

O2(a1Dg) + CO2 O2(X3Sg)+ CO2

(k ~ 10-20 см3 сек-1)

O3 + hn O(1D) + O2(a1Dg) 220 нм < l < 320 нм

Свечение O2 в полосе 1.27 мкм на МарсеДневная сторона

Свечение O2 в полосе 1.27 мкм является продуктом фотодиссоциации озона,

Дневное свечение было предсказано после открытия озона в атмосфере Марса в спектрах записанных УФ спектрометром на борту Маринер-7 (Barth, 1971). Впервые было детектировано Noxon et al. (1976) с наземных телескопов. Максимальная интенсивность порядка 30 MR в надир наблюдается в высоких широтах.

Сезонное распределение с января 2004 (Ls=330o) по май 2006 (Ls=50o)

Свечение O2 в полосе 1.27 мкм на МарсеНочная сторона

Свечение O2 в полосе происходит в результате рекомбинации атомарного кислорода, максимальная интенсивность в надир оценивалась как 50 kR

O + O +CO2 O2(a1Dg)+CO2 Единственное наблюдение с длиннощелевого 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

O2(a1Dg) O2(X3Sg) + hn (t ~ 4566 сек )

2) Дезактивация в столкновения с CO2 (<20 км)O2(a1Dg) + CO2 O2(X3Sg)+ CO2 (k ~ 10-20 см3 сек-1)

Скорость реакции (1) зависит от температуры 1.1х10-27/T2 см6сек-1 (Sanger et al., 2006, Campbell and Gray, 1973). Для температуры 200К она соответствует 2.5x10-32 см6сек-1.

Ночного свечения О2 (а1Δg) 1.27 мкм на Венере

0 3.7 MR

Φ=15-20°N

Φ=20-25°N

Φ=35-40°N

Φ=40-45°N

Φ=30-35°N

MR

H,k

m

Примеры профилей интенсивности свечения О2 на лимбе. Пик свечения находится на высоте 97±1 км

Свечение О2 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 СО2 и СО и переносятся на ночную сторону глобальной циркуляцией в верхней мезосфере и термосфере Венеры, вызывающей движение газа от подсолнечной к антисолнечной точке.

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 improvementsincluding 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

Марс-Экспресс

2003 -2014?

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

Марс-Экспресс: OMEGAObservatoire pur la Mineralogie, l’Eau, les Glaces et l’Activite

Открытие свечения кислорода на Марсе в

2010 году в эксперименте ОМЕГА на КА Марс-

Экспресс

Orbit n° date Ls (°) Latitude

(°)Longitude(°)

Local Time (hr)

Peak altitude (km)

Peak Intensity(MegaRayleigh)

1084 2004/11/22 120 76.5 S 13.5 E 16:00 42 12

1619 2005/04/21 197 70 N 164 E 22:00 43.5 9.3

2623 2006/01/27 3 85 S 120 E 03:20 49 17

Всего три детектирования

свечения на лимбе планеты на южном и северном полюсах.

Открытие свечения кислорода на Марсе в

2010 году в эксперименте ОМЕГА на КА Марс-

Экспресс

Вертикальная интенсивность свечения равно 0.24 и 0.95 MегаРелэй (MR) соответственно для данных и модели. Наблюдаемая толщина слоя свечения O2 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.

Первые наблюдения• Свечение O2(1Δg) - это эффективный индикатор нисходящих потоков воздуха с

высот, где происходит фотодиссоциация CO2 (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 2009- 2011 с шагом Ls=30° (Clancy et al., 2012)

• Новая кампания наблюдений ночного полярного свечения спектрометром СПИКАМ на Марс-Экспресс началась с июля 2010 года.

Mars Reconnaissance Orbiter : CRISMCompact Reconnaissance Imaging spectrometer for Mars

(2006-?)

Key Performance Characteristics

Field of view 2.12 degrees (37 milliradians)

Spectral range

VNIR: 362-1053 nmIR: 1002-3920 nm

Swath width 9.4 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)

Instantaneous FOV (pixel angular size)

0.0035 degree(61.5 microradians)

Спектрометр во многом похож на экперимент ОМЕГА:Плохое спектральное разрешение, но хорошее пространственное разрешение

Наблюдение свечения кислорода на Марсе в 2009-2011 году в эксперименте CRISM на КА MRO

Широкое покрытие по сезонам

Наблюдение свечения кислорода на Марсе в 2009-2011 году в эксперименте CRISM на КА MRO

Больше свечения чем предсказывает модель

Сильное расхождение интенсивности свечения равно 0.7-0.8 и 0.4-0.5 MегаРелэй (MR) соответственно для данных и модели.

Марс-Экспресс: СПИКАМ

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 1260-1280 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.

*

*

ОрбитаКА

Звезда

МарсНочная сто

рона

Звезда

Надир

Солнце

Лимб

O21Dg

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/m2/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

высо

та, к

м

Первые наблюдения, MY30, Ls 150-160, 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 O2 на луче зрения изменяется от 37 до 47 км

Вертикальное распределение интенсивности свечения O2 (a1Δg) в MR/km получен из свечения на луче зрения.

dzRozzzndllnRN

oROOoO

22222 )(2)()(

1. Регуляризация Тихонова2. Алгоритм Richardson-Lucy

чтобы выполнить обратную свертку поля зрения

3. Восстановление интенсивности свечения O2 в MR/nm с учетом и без учета свертки по полю зрения

Сравнение ночного свечения O2 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?

Вертикальное распределение атомарного кислорода

21

221

2

])[1()]([][

COk

COkOO

t

D

O + O +CO2 O2(a1Dg)+CO2 (1) Важная задача:

Фотохимия кислорода контролирует бюджет энергии на высотах 85-100 км. Атомный кислород в верхней атмосфере оказывает влияние на охлаждение атмосферы через полосу CO2 15-μm. Недооценка содержания O возможно дает завышенные температуры на высотах около 100 км при GCM моделировании.

2g1

22g1

221

12 (aO(aO1]][][[

)]([COkCOOOk

dtaOd g )D )DD

t

0~)]([ 1

2

dtaOd gD

2g

1

22g

1

221 (aO(aO1~]][][[ COkCOOOk )D )Dt

фотохимическое равновесие:

Итоговая формула для атомарного кислорода:

k1 коэффициент скорости реакции (1), β эффективный квантовый выход; k2 скорость дезактивации; τ время жизни возбужденного состояния

Предполагаем, что O2(a1Δg) контролируется фотохимией. Используя соответствующие реакции, уравнение для O2(a1Δg) может быть записано как:

Профили кислорода и сравнение с GCM

21

221

2

])[1()]([][

COk

COkOO

t

D

As the basic values we have taken:1) the kinetics rate of reaction k1(T) = 9.46 × 10−34 exp(485/T)cm6 molecule-1 seс-1 (NIST dataset) ,2) the effective yield β =0.753) deactivation rate k2=10-20 cm3 molecule-1 seс-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: observationsDashed lines: LMD GCM modeling

The estimated density of oxygen atoms at altitudes from 50 to 65 km varies from 1.5 1011 to 2.5 1011 cm-3

Наблюдения ночного свечения O2 (2011-2012)

• 64 observations (from orbit 8302 to 10642) with the O2 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 O2 day-side afterglow.

Вертикальные профили свечения O2

• Emission peak at 35-42 km for the North Pole and 45-50 km for the South Pole • The emission is more intense for the North Pole

Картина сезонного распределения O2 для Южного и Северного полюсов на лето 2012 года

Comparison with the GCM O2-O MR

The vertically integrated emission rate is totally lower than in the model but the South Pole emission shows more discrepanciesThe maximum of emission is shifted for the season compared to the GCM model

Южный полюс Ls 115-160

Северный полюс Ls 265-275

Плотность CO2 и температура из звездных затмений в UV Одновременные наблюдения

• Warming of the middle atmosphere 40-70 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

Температурные профили MCS/MRO

Две модели: стандартная и модель с радиационно-активными облаками

данные

модель

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 1.5 1011 до 2.5 1011 см -3.

Циркуляция полярной ночной атмосферы, которая характеризуется здесь свечением кислорода и адиабатическим нагревом, один из самых чувствительных явлений в модели общей циркуляции.