Martian Atmosphere Waves

Спектрометрический комплекс ACS на борту аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» был разработан для изучения малых газовых составляющих атмосферы Марса, а также исследования ее температурной структуры. Прибор работает в режиме солнечного просвечивания, измеряя с орбиты спектры излучения Солнца на восходе и заходе, прошедшие через разные слои атмосферы. Анализ этих спектров в интервалах, где сильно поглощает молекула СО₂ (основная компонента марсианской атмосферы), позволяет получить плотность и температуру в широком диапазоне высот, от 10 до 180 км относительно поверхности. Такие вертикальные профили ACS регистрирует очень детально по высоте, с разрешением в 1 км, что и позволяет выявлять наличие волн.

На основе этих данных Екатерина Стариченко, младший научный сотрудник отдела физики планет ИКИ РАН, и её коллеги из ИКИ и других организаций оценили параметры гравитационных волн на высотах от 10 до 160 км, то есть внутри тропосферы, мезосферы и термосферы Марса. Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy&Astrophysics.

В работе использовались данные ближнего и среднего инфракрасного каналов комплекса ACS, спектральные интервалы около 1,58 и 2,7 микрометров. По измеренным профилям температуры исследователям предстояло определить параметры гравитационных волн. Важной задачей являлось выделить из каждого профиля периодические колебания температуры. Для этого был разработан специальный алгоритм сглаживания профиля — так называемый «метод скользящих полиномов». Далее, на фоне полученной сглаженной кривой выявлялись волны по всему вертикальному профилю атмосферы. На выходе были получены оценки распределения с высотой амплитуды, потенциальной энергии и других параметров ВГВ, такие как частота Брента-Вяйсяля, характеризующая резонансную частоту колебаний, и ускорение, которое передается атмосфере при разрушении волны.

Таким образом, исследователи смогли не только получить «моментальную картину» происходящего на Марсе, но и проследить, как меняются параметры гравитационных волн в зависимости от сезона, времени суток и широты. Было обработано несколько тысяч атмосферных профилей за время наблюдений, включающее два марсианских года: с середины 34-го (MY34) до середины MY36. В нашем календаре это соответствует периоду с мая 2018 до февраля 2022 г.

Исследование подтвердило, что гравитационные волны в атмосфере Марса являются повсеместным явлением, как и на Земле, вне зависимости от времени суток и сезона. Их амплитуда растет вплоть до высот 100–120 км — области мезопаузы, самого холодного слоя марсианской атмосферы. Здесь, в основном, происходит насыщение и разрушение волны, а ее импульс и энергия передаются окружающей атмосфере. Удалось оценить их величины, они соответствуют результатам существующих глобальных климатических моделей марсианской атмосферы.

Другой вывод — во время марсианских равноденствий (период весны и осени для полушарий) активность волн распределена симметрично относительно экватора. В это время оба полушария планеты получают одинаковый поток солнечного излучения. А вот во время солнцестояний, когда одно из полушарий больше прогревается Солнцем, чем другое, волновая активность смещается в зимнее полушарие. В эти сезоны мы наблюдаем, как волны «успокаиваются» летом и усиливаются зимой.

ACS также проводил измерения с орбиты и во время последней глобальной пылевой бури на Марсе, с июня по август 2018 года (34 марсианский год). В этот период в районе Северного полюса активность гравитационных волн уменьшалась в нижней атмосфере и возрастала в верхней, по сравнению с «непылевыми» сезонами. Интересно, что в регионе Южного полюса повышенная пылевая активность волн наблюдалась, наоборот, в нижней атмосфере. Это стало открытием для ученых, поскольку существующие модели циркуляции не могут предсказать такое поведение в атмосфере ниже 80 км.