17 лет наблюдений «Марса-Экспресс» показали, что происходит с пылью и облаками на Марсе
Ученые Института космических исследований РАН и лаборатории LATMOS CNRS (Франция) изучили, как распределены пыль и облака водяного льда по высоте в атмосфере Марса в течение девяти марсианских лет. Исследование опубликовано в журнале Journal of Geophysical Research: Planets.
«Мы получили один из самых продолжительных рядов наблюдений вертикального распределения аэрозоля и размеров частиц в атмосфере Марса. Эти данные помогут улучшить модели общей циркуляции атмосферы Марса и точнее описать процессы образования облаков», — Анна Фёдорова, заведующая лабораторией экспериментальной спектроскопии отдела физики планет ИКИ РАН.
Пыль и ледяные частицы постоянно присутствуют в атмосфере Марса. Они рассеивают и поглощают солнечное излучение, влияют на температуру атмосферы и во многом определяют марсианский климат. При этом они динамично меняются: поднимаются с ветром и оседают, «склеиваются» друг с другом и конденсируются из атмосферных газов с изменениями температуры. Поэтому, чтобы повысить точность климатических моделей Марса, важно учитывать, как эти частицы распределены в пространстве и меняются в зависимости от сезона.
В новой работе ученые впервые проанализировали почти полный набор данных наблюдений инфракрасного канала спектрометра SPICAM на борту европейского орбитального аппарата «Марс-Экспресс» (ESA, запуск 2003 года). Прибор разработан при участии российских специалистов. Это позволило получить наиболее полную картину вертикального распределения пыли и облаков водяного льда в атмосфере Марса.
Исследование охватывает девять марсианских лет (с марсианского года MY 28 до MY 36), что соответствует почти семнадцати земным (август 2006 – октябрь 2022), — это, фактически, один из самых продолжительных наборов данных об атмосфере планеты. За это время прибор выполнил около 1900 наблюдений методом солнечных просвечиваний. Когда Солнце скрывается за диском Марса, его свет проходит через атмосферу планеты. Из-за этого регистрируемый солнечный спектр меняется в зависимости от состава атмосферы, количества различных аэрозолей и размеров их частиц.
Главное ограничение SPICAM заключается в том, что прибор не может напрямую отличить минеральную пыль от частиц водяного льда. Чтобы решить эту задачу, ученые разработали новый алгоритм классификации, который объединяет данные прибора Mars Climate Sounder на аппарате Mars Reconnaissance Orbiter (NASA), измерения водяного пара самим прибором SPICAM и расчеты модели общей циркуляции атмосферы Марса. Результаты сравнили с независимыми данными российского прибора Atmospheric Chemistry Suite (ACS) на аппарате TGO (миссия «ЭкзоМарс-2016»). Период его наблюдений короче (он работает с весны 2018 г.), но по его данным можно непосредственно различать частицы пыли и водяного льда.
Во время афелия, когда Марс находится дальше от Солнца, пыль и облака водяного льда обычно сосредоточены ниже 40 километров. По мере приближения планеты к Солнцу они поднимаются примерно до 80 км.
Размер частиц пыли в среднем составляет от 0,3 до 1 микрон. Причем даже на большой высоте они остаются почти такими же, лишь немного уменьшаясь в размерах. Это говорит о том, что пыль не просто медленно оседает под действием гравитации, а постоянно подхватывается мощными воздушными потоками, которые поднимают ее высоко в атмосферу и переносят на большие расстояния не только во время пылевых бурь. Иначе говоря, за распределение частиц по высоте отвечают в первую очередь общая динамика атмосферы и горизонтальные течения.
Водяной лед был обнаружен в 82% наблюдений SPICAM, и его распределение очень сильно зависит от времени года и широты.
Так, например, летом ближе к экватору и на средних широтах облака формируются на высотах 25–35 км в северном и 40–80 км в южном полушариях.
Во время пылевых бурь 2007 и 2018 гг., а также во время ежегодной региональной бури были зарегистрированы мезосферные, или высотные, облака (70–80 км). Появление этих облаков связано с усиленным переносом водяного пара в верхние слои атмосферы во время пылевых бурь, что было показано раньше по данным и СПИКАМ, и экспериментов ACS и NOMAD на аппарате TGO.
Северные и южные полярные облака формируются каждый год при очень холодных температурных условиях на малых высотах в регионах, близких к области полярной ночи. При этом на юге они расположены в среднем ниже (на 10 км), чем на севере (20 км).
«Мы сравнили наши наблюдения с современными моделями циркуляции атмосферы Марса и увидели, что во время ежегодной региональной пылевой бури модели заметно недооценивают количество пыли в верхних слоях атмосферы. Это показывает, что мы пока не до конца понимаем, как пыль поднимается и переносится на большие высоты. Новые данные помогут уточнить эти процессы и сделать модели циркуляции атмосферы Марса точнее», — Анна Фёдорова, заведующая лабораторией экспериментальной спектроскопии отдела физики планет ИКИ РАН.
Эксперимент SPICAM (Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars) состоит из инфракрасного и ультрафиолетового спектрометров для исследования атмосферы Марса.
Прибор разработан международным коллективом ученых с участием Института космических исследований РАН. Он входит в состав научной аппаратуры межпланетной станции «Марс-Экспресс» (ESA), которая была запущена 2 июня 2003 г. С тех пор миссия неоднократно продлевалась. В июне 2026 г. ESA продлило работу миссии до конца 2028 г.
Дополнительная информация
- Anna Fedorova et al. Multi-Annual Monitoring of the Water Vapor Vertical Distribution on Mars by SPICAM on Mars Express. Journal of Geophysical Research: Planets
- 22.03.2021 Бури и смена времен года уносят марсианскую воду / Новости ИКИ РАН
- 14.05.2014 Пыльное небо Марса / Новости пресс-службы ИКИ РАН
- Сайт проекта «Марс-Экспресс» Европейского космического агентства