2.3. Фундаментальные и прикладные научные исследования планет и малых тел Солнечной системы

Тема ПЛАНЕТА. Исследование атмосфер и поверхностей планет. Научный руководитель д.ф.-м.н. В.И. Мороз.

    1. Венера

По температурным профилям, измеренным при помощи ИК спектрометра КА Венера 15, определены характеристики солнечно-связанных волн в средней атмосфере Венеры.

Показано, что суточные вариации температуры на разных уровнях в атмосфере описываются суперпозицией приливных, солнечно-связанных волн с периодом 1, ½, 1/3, ¼ суток.

Рис. 1.1.1. Амплитуда волны с периодом 1 сутки, T1 , (b) Амплитуда волны с периодом 1/2 сут. T2, (c) Амплитуда волны с периодом 1/3 сут., T3. (d) Амплитуда волны с периодом 1/4 сут., T4 . Пpиблизительные значения высоты дана справа по оси y.

Области заметной активности всех 4 гармоник термического прилива расположены в низких широтах выше 80 км и в верхнем облачный слое (там, на высотах 58-70 км, усваивается около 50% всей солнечной энергии, поглощенной Венерой), а на высоких широтах это– холодный воротник.

К.ф.-м.н. Л.В.Засова, 333-34-66, zasova@irn.iki.rssi.ru (Лаб. 531)

L. V. Zasova , V.I. Moroz, V. Formisano, N.I. Ignatiev , and I.V. Khatuntsev. Infrared spectrometry of Venus: IR Fourier spectrometry experiment on VENERA 15 as a precursor of PFS for Venus Express. Advances in Space Research, представлено в печать.

1.2.Марс.

1.2.1. Проведена интерпретация изображений, полученных с орбитального аппарата Mars Global Surveyor, имеющих разрешение до единиц метров. Показано, что природа некоторых темных образований на склонах кратеров и возвышенностей, вероятно, связана с современными потоками жидкой воды на Марсе.

Появляются доказательства тому, что природа протяженных темных образований на склонах кратеров и возвышенностей Марса связана с ныне существующими источниками жидкой воды, расположенными на склонах, и ограниченными ее потоками, а не с перемещением больших масс сухого песка (пыли) или с камнепадами. Полученные с орбитального аппарата Mars Global Surveyor изображения, с разрешением до единиц метров, позволяют выделить такие объекты. Наличие больших запасов подпочвенного льда на Марсе и условий для его локального перехода в жидкую фазу является общепризнанным. Хотя присутствие жидкой воды на поверхности Марса обычно считается невозможным из-за низких давления и температуры, но на планете достаточно низменностей, где давление превышает величину, критическую для существования жидкой воды. Структура протяженных склоновых узких оврагов с притоками, образованных, как предполагается, потоками воды, имеет необычный вид, обратный виду горных рек Земли: они широки в верху склона, сужаются, заканчиваются тонким ручьем и исчезают на дне долины или кратера (рисунок). Притоки и основное русло кажутся направленными вверх по склону. В статье приводится простое объяснение этому кажущемуся парадоксу. В условиях низкой температуры переход в фазу льда следует рассматривать в динамике: выбрасываемая источником вода соприкасается с холодным грунтом, частично впитывается и замерзает, образуя ледяное ложе, по которому поток распространяется дальше, где продолжается его дальнейшее взаимодействие с грунтом. Расстояние от источника, на котором воды не останется, зависит от начальной температуры потока, его обильности и температуры грунта. Кажущийся парадокс объясняется именно взаимодействием остывающего потока с холодным грунтом; что же касается боковых структур – то это не притоки, а ответвления, которые быстро замерзают. В работе показано также, что случае высокого дебета источника и/или достаточно высокой температуры окружающей среды, на дне долины возникает небольшой резервуар, собирающий потоки, со стенками из пропитанного водой замороженного грунта и льда. Объекты, которые могут быть небольшими водохранилищами, обнаружены на нескольких новых снимках. Полезным указанием на расположение мест, перспективных для поиска следов жизни на Марсе, может быть высокая концентрация источников грунтовых вод в двух экваториальных его районах.

Д.ф.-м.н. Л.В.Ксанфомалити, 333 2322, E-mail: ksanf@iki.rssi.ru (Лаб.535)

Публикации:

Л.В.Ксанфомалити. Потоки воды и бассейны на Марсе. Астрономический Вестник, 2003, т. 37, № 5.

L.V. Ksanfomality. Paradox of flows on Mars, Доклад на 25-й Ген. Ассамблее МАС. Публикация IAU02429.

Л.В.Ксанфомалити. Влажный Марс. В мире Науки, 2003, № 5, с.76-79.

1.2.2. Завершен новый анализ данных эксперимента MAWD миссии Viking по измерению количества водяного пара в атмосфере Марса, показана роль планетарных волн в переносе воды на Марсе.

Новый анализ проводился с целью устранения противоречий ранее опубликованных результатов этого эксперимента с последующими наблюдениями (напр. КА Mars Global Surveyor ) и численными моделями. Показано, что вблизи перигелия, когда количество пыли в атмосфере Марса максимально, спектры MAWD могли быть сильно искажены влиянием рассеяния на аэрозоле. Разработанная методика восстановления водяного пара с учетом рассеяния на пыли позволила получить значения, согласующиеся с другими экспериментами и устранить указанное противоречие. Обнаруженные в глобальном распределении водяного пара волновые структуры свидетельствуют о вкладе стационарных планетарных волн в перенос воды в атмосфере Марса. С учетом опыта обработки данных экспермента MAWD разработаны алгоритмы восстановления содержания водяного пара по данным зондирования в полосе 1,38 мкм ИК-каналом эксперимента СПИКАМ проекта “Марс-Экспресс”, ожидаемым в 2004г.

А.А.Федорова, 333-34-66, fedorova@irn.iki.rssi.ru (Лаб.531)

А.В. Родин, 333-40-67, rodin@irn.iki.rssi.ru (Лаб. 536)

A.A. Fedorova, I.V. Baklanova, A.V. Rodin. Mars atmospheric water vapor in the Southern hemisphere: MAWD observations revisited. Advances of Space Research, в печати

A. A. Fedorova, A.V. Rodin, I. V. Baklanova. MAWD observations revisited: seasonal behavior of water vapor in the Martian atmosphere. Icarus, представлено в печать

1.2.3. Проведено исследование теплового режима в области Hellas, во время затухания глобальной пылевой бури 1971-1972.

Была продолжена работа с данными IRIS Mariner 9. Кроме того, что эти данные представляют научный интерес (до сих пор они детально не изучены), спектральный интервал и спектральное разрешение интерферометра IRIS практически совпадает с этими параметрами Планетного Фурье спектромерта (ПФС ), который установлен на борту Марс Экспресс, который достигнет Марса в конце декабря 2003 года. В результате эксперимента IRIS были получены высококачественные спектры, которые дают возможность восстанавливать температурные профили в атмосфере Марса до 55 км с точностью несколько Кельвин и вертикальным разрешением несколько километров.Было проведено исследование теплового режима в области Hellas, во время затухания глобальной пылевой бури 1971-1972. На рисунке показано изменение температурного профиля в атмосфере с уменьшением оптической толщины пыли (от 1.5 при Ls=293° до 0.3 при Ls = 350°). При τ 9μ = 1-1.5 разность температур между LT = 15:20 (2) и 6:30 (3) составляет 30К на высоте 20 км и приблизительно равна разности температур у поверхности – пыль поглощает солнечное излучение днем и излучает ночью, что и приводит к нагреванию днем и охлаждению ночью. При Ls=330° разность температур между LT = 12:30 (7) и 6:50 (8) на высоте 20 км меньше 10 К, тогда как температура поверхности отличается на 60 К (τ < 0.5). Температурный профиль (9) при Ls=350°, LT = 10:40, τ = 0.3 показывает, что при fH2O = 20 ppm конденсационные облака могут наблюдаться на высотах 20-40 км. При Ls= 44 и 55°, LT = 8:00 и 4:50 (10,11) при fH2O = 10 ppm конденсационные облака могут наблюдаться на высотах 40 - 50 км. В случае Ls= 55°, LT = 4:50 (11) температура поверхности достаточно низкая для конденсации CO2.

Рис.1.2.3. Примеры температурных профилей, вычисленных по ИК спектрам, измеренным в эксперимента IRIS: область Hellas в период затухания глобальной пылевой бури: (1) Ls= 293°, LT = 18:20; (2) Ls= 297.0 °, LT = 15:20; (3) Ls= 302 °, LT = 6:30; (4) Ls= 309 °, LT = 13:15; (5) Ls= 310 °, LT = 10:00; (6) Ls= 312 °, LT = 6:50; (7) Ls= 330 °, LT = 12:30; (8) Ls= 332 °, LT = 6:50; (9) Ls= 350 °, LT = 10:40; (10) Ls= 44 °, LT = 8:00; (11) Ls= 55 °, LT = 4:50. Прерывистая линия слева – температура конденсации СO2. Точечно-прерывистые линии – температуры конденсации H2O, соответствующие отношению смеси 1, 10, 100 и 400 ppm.

К.ф.-м. н. Л.В.Засова, 333-34-66, zasova@irn.iki.rssi.ru (Лаб.531)

Zasova L.V.; Formisano V.; Grassi D.; Ignatiev N.I.; Moroz, V.I.Thermal structure of the Martian atmosphere retrieved from the IR-spectrometry in the 15 mkm CO2 band. Advances in Space Research, представлено в печать.

1.2.4.* Обнаружены специфические свойства верхней атмосферы и ионосферы Марса в области мини-магнетосфер, образованных магнитными аномалиями.

Сопоставление карт распределения магнитных полей, измеренных на аппарате Mars Global Surveyor на высотах 400 км и 170 – 200 км, со средними значениями динамического давления солнечного ветра на орбите Марса позволяет выделить области формирования мини- магнитосфер и области существования “каспов” - воронок в структуре магнитных полей, разделяющих магнитные аномалии с противоположно ориентированными полями. Далее карты с локализованными мини-магнитосферами были сопоставлены с данными о высотных распределениях электронной концентрации и данными о плотности и температуре нейтральной атмосферы, полученными во время наблюдений радиозатмений на аппарате Mars Global Surveyor и в эксперименте с акселерометром на аппарате Odyssey.

Оказалось, что в южном полушарии Марса существует множество крупномасштабных мини-магнитосфер, которые останавливают солнечный ветер на высотах выше 400 км, то есть за пределами ионосферы, в то время как в северном полушарии имеется только одна мини-магнитосфера подобного масштаба. В крупно-масштабных мини-магнитосферах магнитные силовые линии замкнуты и образующиеся при фото-ионизации электроны захвачены. Поэтому в них происходит возрастание электронной плотности. Нейтральная атмосфера защищена от воздействия солнечного ветра и имеет умеренную температуру. В то же время в мелко-масштабных мини-магнитосферах солнечный ветер проникает до высот 200 км и ниже, может происходить пересоединение магнитных полей солнечного ветра и магнитной аномалии, силовые линии магнитного поля оказываются разомкнутыми и фотоэлектроны не захвачены. Нейтральная атмосфера подвергается воздействию солнечного ветра и испытывает нагрев. А в области каспов солнечный ветер проникает в глубокие слои нижней нейтральной атмосферы и вызывает ее нагрев. В результате проведенного анализа удалось показать, что пик электронной плотности и соответствующий ему минимум нейтральной шкалы высот (температуры) в долготных распределениях этих параметров в северном полушарии Марса можно объяснить только существованием в соответствующей широтно-долготной области крупно-масштабной мини-магнитосферы. Обнаруженные ранее в других работах стационарные крупно-масштабные приливные волны не распространяются вверх в термосферу и не играют определяющей роли в формировании наблюдавшихся экстремумов в долготных распределениях нейтральной температуры и электронной концентрации.

Кфмн Бреус Т.К., 333 21 44, breus@iki.rssi.ru. (Лаб. 533)

Работа выполнена в соавторстве с коллегами из Ростовского Университета и Католического Университета в Вашингтоне (США).

Krymskii A.M., T.K.Breus, N.F.Ness, D.Hinson, D.I.Bojkov, The effect of crustal magnetic fields on the near terminator ionosphere at Mars: Comparison of in situ magnetic field measurements with the data of radio science experiments onboard Mars Global Surveyor. J.Geophys.Res. Accepted on 16 August 2003.

1.2.5. Усовершенствован моментный метод численного моделирования микрофизики аэрозолей в атмосферах планет. Использование независимых наборов моментов для нескольких перекрывающихся категорий размеров частиц и критерия минимума производства энтропии позволило добиться высокой точности при значительном динамическим диапазоне расчетов. Использование метода при моделировании аэрозолей в модели общей циркуляции атмосферы Марса позволило согласовать теоретические поля температур с наблюдениями. Показано, что инжекция пыли в атмосферу Марса в полярной области летнего полушария приводит к снижению интенсивности циркуляции ячейки Хэдли и снижению амплитуды суточного прилива.

К.ф.м.н. А.В. Родин, rodin@irn.iki.rssi.ru, 333-40-67 (Лаб. 536)

А.В.Родин. О моментном методе моделирования микрофизики облаков в разреженных турбулентных атмосферах. Ч. II. Стохастическая коагуляция. Астрон. Вестник, т.37(2), с. 101-111. 2003.

1.2.6. Показано, что оценки свойств пылевого аэрозоля Марса, полученные на основе поляриметрических наблюдений Марса в периоды высокой прозрачности его атмосферы, в значительной степени подвержены влиянию как ледяных облаков, так и поверхности планеты.

Проведенный повторный анализ фазовых кривых поляризации Марса, измеренных в периоды высокой прозрачности его атмосферы показал, что оценки физических свойств аэрозоля (в первую очередь вывод о его пылевой природе), полученные ранее с использованием измерений в УФ и синем спектральном диапазоне в предположении, что угол инверсии равен 25.4°, не являются единственными. Согласие между результатами и модельными расчетами в этом предположении имеет место для оптически тонкого облачного слоя, содержащего частицы малого радиуса (менее 0.1 мкм), природу которых определить из поляриметрических измерений не представляется возможным вследствие слабой зависимости степени линейной поляризации от показателя преломления для столь мелких частиц.

Предположение об уменьшении угла инверсии поляризации с длиной волны (что характерно для реголитоподобных поверхностей) дает лучшее согласие моделей и измерений для частиц ледяного состава с радиусом порядка 1 мкм. Однако для однозначных выводов необходима достоверная информация об отражательных характеристиках поверхности планеты. Принятая форма аэрозольных частиц становится важной для результатов моделирования, если размер частиц больше длины волны (также в зависимости от показателя преломления). У частиц несферической формы (например, сильно сплюснутых сфероидов) угловая зависимость поляризации не имеет характерных для сферических частиц деталей и сглажена, что делает невозможным конкретную оценку оптической толщины слоя таких частиц по фазовой кривой поляризации, как это делалось ранее.

Проведенные расчеты также подтвердили, что рассеяние на частицах ледяных облаков и дымок может внести существенную неопределенность в оценки свойств пылевого аэрозоля. Кроме того, присутствие в верхнем слое атмосферы мелких частиц (как ледяных, так и силикатных) может в значительной степени маскировать слой более крупных частиц внизу, который становится невиден при дистанционных измерениях. Все рассмотренные выше факторы могут судить причиной столь долго существовавшего разногласия между оценками характеристик марсианского пылевого аэрозоля, которые были получены из интегральных поляриметрических измерений в периоды высокой прозрачности атмосферы, с одной стороны, и с помощью других методов с другой стороны. Только последовательные (одновременно поляриметрические и фотометрические) наблюдения одних и тех же областей в различных условиях под разными фазовыми углами в широком спектральном диапазоне помогут разделить вклад в измеряемое излечение поверхности, пылевого и ледяного аэрозоля.

К.ф.-м.н. Петрова Е.В., 333-23-55, epetrova@iki.rssi.ru (Лаб.535)

Длугач Ж.М., Петрова Е.В. Поляриметрия Марса в периоды высокой прозрачности атмосферы: насколько достоверны оценки оптических свойств аэрозоля? // Астрономический вестник, 37, 2, 99-114, 2003

1.2.7. Создан прототип реляционной базы данных для доступа к результатам эксперимента TES миссии “Марс Глобал Сервейер”, позволяющей осуществлять выборки и усреднения спектров по сложным критериям. Отработанные методы построения базы данных используются для создания систем обработки данных миссии “Марс-Экспресс”.

К.ф.-м.н. А.В. Родин,333-40-67, rodin@irn.iki.rssi.ru (Лаб.536)

 

1.3.Меркурий.

1.3.1.* Путем обработки материалов астрономических наблюдений, проведенных автором, синтезировано изображении ранее неизвестной стороны Меркурия.

С целью получения изображений неизвестной части поверхности планеты были продолжены ранее начатые серии наблюдений Меркурия методом коротких экспозиций. В горной астрофизической обсерватории Скинакас Ираклионского университета (о. Крит, 35о 13’E, 24о 54’N) 1-2 мая 2002 г. удалось получить несколько тысяч электронных снимков планеты в вечерней элонгации, при хороших метеоусловиях. Угол фазы Меркурия был 95 - 99o, область наблюдаемых долгот 210-285oW. Наблюдения выполнялись на телескопе системы Риччи-Кретьена (D = 1.29 м, F = 9.857 м), с отрезающим фильтром КС 19, коротковолновая граница у 700 нм. Диск планеты был виден в среднем под углом 7.75 с дуги. Масштаб изображений был 47.8 мкм/угл. с. Использовалась ПЗС-камера с размером пиксела 7.4х7.4 мкм, с короткими экспозициями. Путем обработки большого массива снимков удалось получить достаточно четкое синтезированное изображение неизвестной части поверхности Меркурия. Наиболее заметное образование здесь -- большое кратерное “море”, с центром примерно 8оN, 280оW, с рабочим названием – “Море Скинакас” (по названию обсерватории). По размерам его внутренняя часть превышает крупнейшее лунное Море Дождей. В отличие от Моря Дождей, Море Скинакас имеет, по-видимому, ударное происхождение. Его рельеф подобен, по-видимому, рельефу Равнины Жары. Но по размерам Море Скинакас значительно больше. На синтезированных изображениях выделяется также ряд менее крупных образований. Предельное полученное разрешение соответствует дифракционному разрешению инструмента, около 100 км на поверхности Меркурия. В работе рассмотрены также опубликованные теоретические оценки возможного выигрыша при использовании метода коротких экспозиций. Приводятся некоторые результаты, полученные другими авторами.

Д.ф.-м.н. Л.В.Ксанфомалити, тел. 333-23-22, E-mail: ksanf@iki.rssi.ru (Лаб.535) Л.В.Ксанфомалити. Меркурий: изображение планеты в интервале долгот 210-285oW, полученное методом коротких экспозиций, Астрономический Вестник, 2003, т. 37, № 6.

Л.В.Ксанфомалити. Новые исследования Меркурия. Современные проблемы механики и физики космоса/Ред. Авдуевский В.С., Колесниченко А.В. М.: Наука, 2003 (выходит в 2003г).

L. Ksanfomality. Formations in unknown part of Mercury (210-285W), Доклад на 25-й Ген. Ассамблее МАС. Публикация IAU00331.

Работу предлагается отметить среди важнейших научных результатов Института за 2003 г.

 

1.4.Титан.

1.4.1. Разработана одномерная микрофизическая модель фотохимической дымки Титана. Рассчитанные на основе модели оптические характеристики атмосферы позволяют интерпретировать данные спектровотометрического зондирования атмосферы Титана, ожидаемые в 2004 году со спускаемого аппарата “Гюйгенс”. Создан прототип трехмерной модели общей циркуляции атмосферы Титана, которая позволит связать микрофизические процессы в аэрозоле с другими характеристиками атмосферы спутника. К.ф.-м.н. А.В. Родин,333-40-67, rodin@irn.iki.rssi.ru (Лаб.536)
Grieger, B., A.V.Rodin, S. Salinas, and H.U.Keller, Simultaneous retrieval of optical depth and phase function in Titan's atmosphere from Huygens/DISR data. Planet. Space Sci., в печати

1.5. Оптические свойства реголита.

1.5.1. Исследованы механизмы рассеяния света на агрегатных частицах и показано, что наряду с интерференцией большое влияние на формирование характеристик рассеяния плотными средами оказывают эффекты ближнего поля.

Проведено подробное исследование рассеивающих характеристик плотно упакованных ансамблей частиц (агрегатов) в зависимости от их структуры, плотности упаковки, а также числа, размеров и состава частиц. Проанализированы различные механизмы, которые вносят свой вклад в процесс рассеяния, в особенности интерференция волн между различными порядками рассеяния и неоднородность волн вблизи рассеивающих частиц (эффекты ближнего поля). Показано, что при расстояниях между частицами порядка длины волны эффекты ближнего поля играют важную роль в формировании рассеивающих характеристик агрегата как целого. Во внешнем слое агрегатной частицы эти эффекты приводят к сильной неоднородности волнового фронта, достигающего внутренних частиц. Это, в свою очередь, приводит к тому, что положение частиц внутри довольно плотного кластера и их свойства оказывают слабое воздействие на характеристики рассеяния кластера в целом. Однако структура внешнего слоя кластера, так же как и степень плотности упаковки, оказывает существенное влияние на поляризацию рассеянного света. Разреженные агрегатные частицы демонстрируют при рассеянии в стороны более высокий максимум поляризации, в то время как в обратном рассеянии отрицательная ветвь поляризации и увеличение яркости у них слабее, чем у компактных структур. При увеличении числа частиц рост яркости в обратном рассеянии и отрицательная ветвь поляризации, так называемые эффекты оппозиции, становятся более выраженными. Однако, если размер агрегата становится больше длины волны, отрицательная ветвь становится стабильной; хотя возможно некоторое перемещение минимума поляризации в сторону оппозиции, что говорит об увеличении вклада когерентного обратного рассеяния. Таким образом, можно говорить о том, что эффекты оппозиции регулируются взаимодействием рассеивателей в масштабах одной или нескольких (в зависимости от показателя преломления) длин световых волн. Причем возникновение этих эффектов в яркости и в поляризации может идти независимо друг от друга, так как основные регулирующие механизмы - когерентное обратное рассеяние и взаимодействие в ближнем поле - работают в разных областях агрегата и по-разному влияют на каждый из этих эффектов. Так, условия для когерентного усиления возникают преимущественно при рассеянии на частицах внешнего слоя агрегата, и эта интерференция вызывает как увеличение яркости в обратном рассеянии, так и отрицательную поляризацию в этой области фазовых углов. Эффекты ближнего поля проявляют себя за внешним слоем частиц, слагающих агрегат, и приводят к уменьшению яркости и появлению дополнительной отрицательной поляризации. Исследование влияния размеров сферических частиц, составляющих агрегат (мономеров), показывает, что оппозиционные эффекты возникают, если параметр размера мономеров несколько больше 1 (в зависимости от показателя преломления). Однако при дальнейшем увеличении параметра размера резонансные детали, присущие сферическим частицам, отчетливо проявляют себя в поведении фазовых кривых агрегата в целом. Попытки рассмотрения полидисперсных структур дают более гладкие угловые зависимости, но не могут полностью устранить упомянутые резонансные детали, если крупные составляющие частицы присутствуют во внешнем слое агрегата. Избежать этого эффекта и получить согласие с данными измерений (в том числе и наблюдаемую спектральную зависимость характеристик пылевых частиц кометной комы и реголита) можно только при условии учета неправильной формы частиц, слагающих агрегат. Разработка методов, позволяющих расчет характеристик рассеяния плотноупакованных ансамблей несферических частиц, является задачей предстоящих исследований. Особое внимание в работе уделено условиям возникновения эффектов оппозиции, широко наблюдаемым у различных тел Солнечной системы (от спутников планет и астероидов до комет), рассеивающие частицы которых предположительно имеют агрегатную структуру.

К.ф.-м.н. Петрова Е.В., 333-23-55, epetrova@iki.rssi.ru (Лаб. 535)

Tishkovets V.P., Petrova E.V., and Jockers K. Optical properties of aggregate

particles comparable to the wavelength in size. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer.

2003, accepted.

 

 

1.6. Ранняя эволюция планетных тел.

1.6.1. Получены экспериментальные данные, подтверждающие преимущественный переход сидерофильных элементов в паровую фазу при ударно-испарительных процессах.

Данные о концентрации сидерофильных элементов и их агрегатном состоянии в импактитах обычно являются критическими для оценки типа ударника и степени его смешения с веществом мишени. При этом предполагается, что смешение ударника и мишени происходит без какой-либо существенной потери сидерофилов. В частности, наличие Fe-Ni металлических частиц среди импактитов рассматривается как свидетельство удара железного метеорита. При этом систематических экспериментальных исследований поведения сидерофилов при ударных процессах не проводилось. В выполненном исследовании моделировалось ударное испарение силикатного вещества и исследовалось поведение Fe и Ni. Показано, что в условиях высоких температур (4000-5000 К) идет интенсивное выделение этих элементов в самостоятельную металлическую фазу. В процессе кипения расплава идет интенсивный выброс этих металлических частиц в паровую фазу, сопровождающийся значительным обеднением расплава Fe и Ni. Выявленное поведение Fe и Ni важно для оценки взаимодействия ударник-мишень в земных астроблемах и для понимания происхождения агглютинатных стекол и рассеянного металлического железа на Луне. Пример поведения Ni в модельном ударно-испарительном процессе показан на Рис. 1. Отчетливо видно, что по сравнению с исходным образцом вещество сконденсированного парового облака имеет заметно возросшую концентрацию Ni, а капли разбрызганного высокотемпературного расплава значительно его теряют.

Выявленный механизм имеет важное значение для понимания степени мобильности сидерофильных элементов в высокотемпературных силикатных расплавах, образующихся при ударных процессах. Выявленный механизм также позволяет понять механизм обогащения труднолетучими сидерофильными элементами слоев отложений паро-газового облака от крупных ударных событий в земной истории.

Работа выполнялась в кооперации с ИГЕМ РАН и Институтом химии общества им. М.Планка (ФРГ).

К.ф.м.н. Герасимов М.В. тел. 333-11-55, mgerasim@mx.iki.rssi.ru (Лаб. 532)

M.V.Gerasimov, Yu.P.Dikov, O.I.Yakovlev, F.Wlotzka, and J.Huth. The behavior of Fe, Ni, and Pt in silicate melts during impact-simulated high temperature heating. Meteoritics and Planetary Science, vol. 38, Supplement, p. A91, 2003.

Yu.P.Dikov, M.V.Gerasimov, O.I.Yakovlev, F.Wlotzka, and J.Huth The behavior of Ni in silicate melts during impact-simulated high temperature heating. In: Lunar and Planetary Science XXXIV, Abstract #1574, Lunar and Planet. Inst., Houston, Texas, (CD-ROM), 2003.

1.6.2. Экспериментально установлена возможность синтеза сложных органических соединений при высокоскоростном соударении силикатов.

Продолжались исследования по проблеме синтеза сложных органических соединений в условиях ударно-испарительных процессов. Идея экспериментов состоит в том, чтобы изготовить образцы, не содержащие органики, но содержащие заметное количество необходимых для органических соединений элементов (С и Н) в неорганической форме, а затем смоделировать ударно-испарительный процесс и исследовать полученные продукты на содержание органики. Неорганические углерод и водород задавались либо в форме солей (например MgCO3·Mg(OH)2), либо испарение чистых по органике силикатов проводилось в атмосфере, содержащей СО2 и Н2О. Было установлено эффективное формирование органических соединений в модельных экспериментах по высокотемпературному испарению силикатных мишеней, содержащих изначально неорганический углерод и водород. Так при испарении перидотита в атмосфере, содержащей СО2 и Н2О заметное количество органики наблюдалось только в случае, когда атмосфера одновременно содержала СО22О, но практически отсутствовало при испарении образцов в средах, содержащих СО2 и Н2О по отдельности. Полученные результаты свидетельствуют об эффективном синтезе органического вещества в условиях, когда в системе присутствуют оба необходимых для образования органики элемента (углерод и водород), по сравнению с условиями, когда один из них отсутствует. При испарении образцов, содержащих неорганический углерод и водород в форме солевой добавки, также отмечался эффективный синтез достаточно сложных углеводородов (см. Рис. 2) со степенью полимеризации С1020. Выполненные эксперименты указывают на роль гетерогенного катализа на поверхности силикатных конденсированных наночастиц по механизму Фишера-Тропша. Работа демонстрирует принципиальную возможность синтеза заметных количеств органического вещества в окислительных условиях при ударно-испарительных процессах.

К.ф.-м.н. Герасимов М.В., 333-11-55, mgerasim@mx.iki.rssi.ru (Лаб.532)

M.V.Gerasimov, E. N. Safonova, and E. A. Paskonova Synthesis of complex organic molecules during an impact. In: Lunar and Planetary Science XXXIV, Abstract #1580, Lunar and Planet. Inst., Houston, Texas, (CD-ROM), 2003.

Синтез органических молекул в лазерной плазме, подобной возникающей в процессах сверхскоростного столкновения вещества на ранней стадии эволюции Земли и в межзвездных облаках

Впервые проведены лабораторные эксперименты, в которых с помощью лазерного воздействия моделируются плазменные процессы, сопутствующие сверхскоростному удару микрометеорита о поверхность мишени. В результате экспериментов с помощью лазерного времяпролетного масс-анализатора были синтезированы и зарегистрированы ионы органических молекул, полимеров, а также многократно ионизированные углеводороды. Сверхскоростной удар микрометеоритов, движущихся со скоростями - 80 км/с, о мишень, состоящую из неорганического вещества, моделировался с помощью лазера, работающего в режиме импульсной добротности. Лазер обеспечивал плотность мощности 109 - 1011 Вт/см2 в пятне с диаметром воздействия 30÷150 мкм при длительности импульса излучения 7-10 нc и электронную температуру лазерной плазмы 105 - 106 °К. Показано, что синтез ионов органических соединений преимущественно происходит в процессе свободного разлета высокотемпературной лазерной плазмы на стадии ее остывания и рекомбинации, при условии, что на начальном этапе плазма была полностью атомизирована и ионизирована. Молекулярные ионы имеют высокий выход только для углеродной мишени. Полученные результаты указывают на возможность абиогенного синтеза органических или других полиатомных соединений в интенсивных метеоритных сверхскоростных ударных воздействиях на поверхность Земли, на ранней стадии ее формирования в период “метеоритных дождей” и в сверхскоростных столкновениях пылевых частиц в межзвездных молекулярных облаках.

На рисунке представлены массовые спектры для мишеней, представляющих смесь углеродного порошка с различными солями и окислами, указанными на спектрах. Массовые пики обнаруженных экспериментально в спектрах полиатомных ионов и их интерпретация приведены в таблице:

 

Масса

Ион

Молекула на основе

Название

С

N

О

12

С

-

     

13

С

CH

     

14

N

CH2

     

15

-

CH3

NH

   

16

O

CH4

NH2

 

метан

17

-

-

NH3

OH

аммиак

18

-

-

NH4

H2O

 

19

F

-

 

H3O

 

24

Mg

C2

     

25

Mg

C2H

     

26

Mg

C2H2

CN?

 

ацетилен

27

Al

C2H3

HCN?

   

28

Si

-

N2

   

29

Si

-

CH2NH

 

карбамид

30

Si

CH2O

 

NO

формальдегид

34

S

-

-

H2O2

 

36

 

C3

     

37

Cl

C3H

     

38

-

C3H2

     

39

K

C3H4

     

40

Ca

C3H4

C2H2N?

 

аллен

41

K

-

C2H3N

   

42

-

   

C2H2O

кетен

43

-

 

HNCO

   

44

Ca

C2H4O

HNCHO

 

ацетальдегид

46

Ti

C2H6O

NO2

CH2O2

этанол/ муравьиная кислота

48

Ti

C4

     

49

Ti

C4H

     

50

V

C4H2

     

51

V

C4H3

     
           

60

 

C5

   

обнаружены

72

 

C6

   

также

84

 

C7

   

СnHm

96

 

C8

   

n до 10

108

 

C9

   

m до 14

120

 

C10

     

 

(Д.ф.-м.н., профессор Г.Г. Манагадзе 333-42-02, managadze@space.ru)

Г.Г. Манагадзе. Синтез органических молекул в лазерной плазме, подобной возникающей в процессах сверхскоростного столкновения вещества на ранней стадии эволюции Земли и в межзвездных облаках. ЖЭТФ, т. 124, № 1,стр. 55-69, 2003.

Managadze G. G., Brinckerhoff W.B., Chumikov A.E. Molecular synthesis in hypervelocity impact plasmas on the primitive Earth and in interstellar clouds, Geoph. Res. Lett., v.30, No. 5, 2003, pp. 1247-1251.

Г. Г. Манагадзе, Определение органических соединений в твердой и газовой фазах с помощью компактных осесимметричных времяпролетных масс-рефлектронов, Журн.

аналит. химии, Т. 57, № 6, стр.645-652, 2002.

Тема ТЕОРИЯ. Физика многомасштабных нелинейных процессов в атмосферах планет солнечной системы. Научный руководитель к.ф.-м.н. А.С.Петросян

1. Разработана теория пограничного слоя планетных атмосфер на неровной поверхности при наличии твердых примесей (пыль в условиях Марса).

Теория пограничного слоя на сглаженной границе при наличии примесей основана на двух ключевых идеях. Наличие твердых примесей в марсианских условиях описывается полными уравнениями гидродинамики с переменными уравнениями состояния, описывающим перенос примесей. Наличие градиентов ветра вблизи сглаженной границы обеспечивается схемной вязкостью численного алгоритма, используемого для решения этих уравнений. В модели присутствует оба механизма диссипации энергии в многофазном пограничном слое, а именно, за счет градиентов концентрации примеси и за счет формы рельефа поверхности. Необходимая диссипация энергии в пограничном слое обеспечивается использованием разрывных решений при расчетах гидродинамических потоков в интегральных законах сохранения массы, импульса и энергии.

K. V. Karelsky, and A. S. Petrosyan “PARTICULATE PLUMES OBSTACLES” Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, 09696, 2003 ©European Geophysical Society 2003

K. V. Karelsky, and A. S. Petrosyan “EFFECTIVE MODEL FOR MULTIPHASE ATMOSPHERIC FLOWS” Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, 09759, 2003 © European Geophysical Society 2003

Петросян А.С., 333-54-78, apetrosy@iki.rssi.ru

2. Разработана аналитическая теория нелинейных течений планетной атмосферы на осциллирующей границе в приближении “мелкой воды”

Получены приближенные уравнения “мелкой воды” для описания течений планетных атмосфер на осциллирующей границе. Методом укрупнения по вертикальной координате получены уравнения Сан-Венана с зависящим от времени углом наклона плоскости. Найдены условия применимости предложенных уравнений. Показано, что полученные уравнения могут быть преобразованы в классические уравнения “мелкой воды на ровной границе. Найдены все частные решения типа простых волн для уравнений планетной атмосферы на осциллирующей равной границе

K . V. Karelsky and A. S. Petrosyan. “Shallow water flows on time variable slope” proceedings of the conference of “Shallow water flows”. Delft 2003, 8 page

K . V. Karelsky and A. S. Petrosyan “Simple waves in Saint-Venant equations with time variable slope” submitted in “Physics letters”.

Петросян А.С., 333-54-78, apetrosy@iki.rssi.ru

3. Найдены решения типа простых волн и задачи Римана для модифицированных уравнений “мелкой воды”.

Классическая теория “мелкой воды”, описывающая планетные атмосферные течения, обобщена на случай, когда начальные условия неоднородны по вертикальной координате. Предложена простейшая параметризация адвективного слагаемого, допускающая полный теоретический анализ решений типа простых волн и задачи Римана для модернизированных уравнений мелкой воды. Найденные частные решения типа простых волн позволили найти безразмерный параметр, ограничивающий пределы применимости классических уравнений мелкой воды и пренебрежения адвективным переносом импульса. Найдено решение задачи о распаде "произвольного разрыва" для модифицированных уравнений "мелкой воды".

К. В. Карельский, А. С. Петросян “ЧАСТНЫЕ РЕШЕНИЯ И ЗАДАЧА РИМАНА ДЛЯ МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ УРАВНЕНИЙ МЕЛКОЙ ВОДЫ” Препринт, Москва 2003г

Петросян А.С., 333-54-78, apetrosy@iki.rssi.ru

Тема БЕПИ-КОЛОМБО-МГС. Разработка, изготовление и испытания блока детекторов прибора МГС для проекта “Бепи-Коломбо”. Научный руководитель к.ф.-м.н. А.М. Черненко

Разработка прибора МГС (Меркурианский Гамма-Спектрометр)

Разработан блок детекторов спектрометра гамма-излучения МГС для определения элементного состава поверхности Меркурия посредством анализа спектра гамма-излучения поверхности в диапазоне 100 кэВ – 10 МэВ.

Создаваемый в рамках международного проекта БепиКоломбо специалистами Центра изучения космического излучений (Франция), Института Макса Планка (Германия), лаборатории Резерфорда (Великобритания) и Лос Аламосской лаборатории (США) и ИКИ спектрометр гамма-излучения МГС предназначен для определения элементного состава поверхности Меркурия посредством анализа спектра гамма-излучения в диапазоне 100 кэВ – 10 МэВ, излучаемого планетой.

Для обеспечения теплового режима в ИКИ РАН в сотрудничестве с НПО "Луч", НПО "Орион" и ЦНИИ СМ разработана система охлаждения блока детектора на основе особо чистого германия с использованием миниатюрной холодильной машины, криогенных диодных тепловых труб и теплоизоляционных материалов со сверхвысоким термическим сопротивлением.

Результаты представлены в виде препринта ИКИ.

к.ф.-м.н. А.М. Черненко. anton@cgrsmx.iki.rssi.ru

 

Тема. МАРСЕС. Электромагнитное зондирование криолитозоны МАРСА. Научный руководитель. к.ф.-м.н. Ю.Р. Озорович

Основной задачей данной программы – разработка комплекса аппаратуры для возможных исследований подповерхности планет земной группы. Для Марса основной задачей представляется определение структы мерзлоты и возможных запасов в подповерхностных горизонтов.

Однако полное отсутствие финансирование данной темы не позволило развить дальнейшую разработку аппаратуры и заставило сосредоточиться на развитие методики измерений на основе уже существующих прототипов приборов и эскпериментальной апробации методики измерений в различных полевых условиях.

Были выполнены полевые программы на Сицилии,Италия и острове Шелтер, США совместно с МАГАТЭ и Океанографической Комиссией ЮНЕСКО по выявлению возможностей измерения взаимодействия соленой и пресной воды в береговой зоне.

Результы эспедиционых программ опубликованы в печати и на вебсайте МАГАТЭ- www.iaea.org/monaco/sgd .

На основе данных полевых результатов разработана и представлена концепция мониторинга природных сред в береговой зоне: одновременные измерения пространственных и временных вариаций структуры подповерхностных горизонтов

при измерении раличными полевыми приборами и методами для адекватного отображения процессов в подповерхностных горизонтах при длительном мониторинге.

Рис 1. Структура организации мониторинга природных экосистем в береговой зоне.

 

Примеры результатов измерения подповерхностной структуры и структуры водоносных горизонтов береговой зоны на Сицилии, район Донналуката:

 

На рисунке представлены примеры результатов э/м зондирования в области

сброса подповерхностных вод в районе Донналуката, Сицилия. Голубой цвет

определяет структуру основного сброса воды.

 

 

 

Та же структура без верхней части геоэлектрического разреза.

 

 

Нижняя часть представленного геоэлектрического разреза.

 

 

На рисунке представлен пример реальной кривой зондирования на полигоне измерений. В правой части рисунка представлены результаты решения обратной задачи для данного геоэлектрического разреза, которые позволяют определить структуру разреза – два водоносных горизонта: от 5 до 15 метров,и второй слой от 50 до 70 м, и степень минерализации каждого слоя ( его соленость) порядка 2000- 2500 мг/Л.

Публикации по данной теме:

  1. Ozorovich Yu., et al,“ Operational system for groundwater and pollution determination and monitoring” , “ A New Hydrology For the A Thirsty Planet”, Proceedings of IAHS Scientific Assembly, Maastricht, The Netherlands, 18-27 July 2001, Workshops 7.
  2. Ozorovich Yu. R., et al, “ Operational system for groundwater and pollution determination and monitoring into the coastal zones”, Proceedings of the SWIM17 - 17th Salt Water Intrusion Meeting, Delft May,2002.
  3. Ozorovich Yu. R., et al, “Operational System for Groundwater, SaltWater Intrusion and Subsurface Pollution Determination and Monitoring into Coastal Zone “, Proc. Interntl. Conf. On Soil and Groundwater Contamination & Clean-up in Arid Countries. Muscat, January 20-23, 2003. Part II, pp.35-36. Al-Nahda Press.
  4. Lobkovsky L.I., Kontar E.A., Garagash I.A. and Ozorovich Y.R. (2003). Monitors and Methods for Investigation of Submarine Landslides, Seawater Intrusion and Contaminated Groundwater Discharge as Coastal Hazards. Kluwer Publishers., Volume NATO "Risk Science and Sustainability: Science for Reduction of Risk and Sustainable Development of Society" edited by T. Beer and A. Ismail-Zadeh, pp. 191-207.
  5. Kontar, E.A., Yu.R. Ozorovich, A. Salokhiddinov, and Ye.B. Azhigaliyev (2002). Study of Groundwater-Seawater Interactions in the Aral Sea Basin. Proceedings of the International Conference on Low-lying Coastal Areas – Hydrology and Integrated Coastal Zone Management, 9-12 September 2002, Bremerhaven, Germany, 225-230.
  6. Ozorovich Yu.,Kontar E., Babkin F., Lukomsky A., GEOPHYSICAL SURVEY SPATIAL AND TEMPORAL VARIATIONS OF THE SALTWATER INTERFACE,VADOSE ZONE FLOW ROCESSES INTO THE COASTAL ZONE, Proceedings of IUGG 2003, Sapporo, Japan, June 30-July 11,2003.