Наблюдения ночного свечения молекулярного кислорода в полярной атмосфере Марса

1. Наблюдения ночного свечения молекулярного кислорода в полярной атмосфере Марса Федорова А.А., ЛефеврФ., БертоЖ.-Л., Гуслякова С.А., Кораблев О.И., Монтмессан Ф., ГондеБ. ПГИ, Апатиты, 16-18 апреля 2013

2. Свечение O2в полосе1.27 мкм на Марсе Дневная сторона Свечение O2в полосе 1.27 мкм является продуктом фотодиссоциации озона, O3 + hn O(1D) + O2(a1Dg) 220 нм < l < 320 нм Дневное свечение было предсказано после открытия озона в атмосфере Марса в спектрах записанных УФ спектрометром на борту Маринер-7(Barth, 1971). Впервые было детектировано Noxonet al. (1976) с наземных телескопов. Максимальная интенсивность порядка 30 MR в надир наблюдается в высоких широтах. 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 ~ 10-20см3сек-1) Сезонное распределениес января2004 (Ls=330o) по май2006 (Ls=50o)

3. Свечение O2в полосе1.27 мкм на Марсе Ночная сторона СвечениеO2в полосе происходит в результате рекомбинации атомарного кислорода, максимальная интенсивность в надир оценивалась как 50 kR O + O +CO2 O2(a1Dg)+CO2 Единственное наблюдение с длиннощелевогоэшелле-спектрографа CSHELL на ИК телескопе IRTF в 2003 году. Марсианский спектр наблюдался на 0.6arcsec выше ночного лимба на 70◦ S. Интегральная вертикальная интенсивность свечения2.2 MR Скорость реакции(1) зависит от температуры 1.1х10-27/T2см6сек-1(Sanger et al., 2006, Campbell and Gray, 1973). Для температуры 200Кона соответствует 2.5x10-32см6сек-1. 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 ~ 10-20см3сек-1) (Krasnopolsky, Icarus, 2004)

4. Ночного свечения О2 (а1Δg) 1.27 мкм на Венере 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. Свечение О2 на диске Венеры Примеры профилей интенсивности свечения О2 на лимбе. Пик свечения находится на высоте 97±1 км

5. The Martian general circulation model by LMD • (LMDGCM, 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 improvements • including 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

6. Марс-Экспресс 2003 -2014? PFS: Планетный Фурье-спектрометр SPICAM: УФ и ИК атмосферный спектрометр Приборы, выполненные с участием России: OMEGA: Картирующий спектрометр ASPERA: анализатор энергетических нейтральных атомов HRSC: стерео камера высокого разрешение

7. Марс-Экспресс: OMEGAObservatoirepur la Mineralogie, l’Eau, les Glaces et l’Activite

8. Открытие свечения кислорода на Марсе в 2010 году в эксперименте ОМЕГА на КА Марс-Экспресс Всего три детектирования свечения на лимбе планеты на южном и северном полюсах.

9. Открытие свечения кислорода на Марсе в 2010 году в эксперименте ОМЕГА на КА Марс-Экспресс Вертикальная интенсивность свечения равно 0.24 и0.95 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 от40.5 до49 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.

10. Первые наблюдения • Свечение O2(1Δg) - это эффективный индикатор нисходящих потоков воздуха с высот, где происходит фотодиссоциацияCO2 (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.

11. Mars Reconnaissance Orbiter : CRISMCompact Reconnaissance Imaging spectrometer for Mars(2006-?) Спектрометр во многом похож на экперимент ОМЕГА: Плохое спектральное разрешение, но хорошее пространственное разрешение

12. Наблюдение свечения кислорода на Марсе в 2009-2011 году в эксперименте CRISMна КА MRO Широкое покрытие по сезонам

13. Наблюдение свечения кислорода на Марсе в 2009-2011 году в эксперименте CRISMна КА MRO Сильное расхождение интенсивности свечения равно 0.7-0.8 и0.4-0.5MегаРелэй(MR)соответственно для данных и модели. Больше свечения чем предсказывает модель

14. Марс-Экспресс: СПИКАМ

15. O21Dg 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.

16. 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 ~1.1W/m2/µm/ster, 0.9MR/nm • Random error > 2MR • Абсолютные калибровки были корректированы с экспериментом ОМЕГА на Марс-Экспресс (точность лучше- 15%) 1268 нм высота, км Длина волны, нм

17. Первые наблюдения, MY30, Ls 150-160, южный полюс Вертикальное распределение интенсивности свечения O2 (a1Δg) в MR/km получен из свечения на луче зрения. Регуляризация Тихонова Алгоритм Richardson-Lucy чтобы выполнить обратную свертку поля зрения Восстановление интенсивности свечения O2вMR/nm с учетом и без учета свертки по полю зрения • Первые результаты для Южного полюса: • Вертикальное разрешение для наблюдений изменяется от 20 до 35 км. Учет поля зрения необходим. • Высоты пика свечения O2 на луче зрения изменяется от 37 до 47 км

18. Сравнение ночного свечения O2с LMD GCM • (Lefevreet 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?

19. Вертикальное распределение атомарного кислорода 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. Предполагаем, что O2(a1Δg) контролируется фотохимией. Используя соответствующие реакции, уравнение дляO2(a1Δg) может быть записано как: k1коэффициент скорости реакции (1), βэффективный квантовый выход; k2скорость дезактивации; τвремя жизни возбужденного состояния • фотохимическое равновесие: Итоговая формула для атомарного кислорода:

20. Профили кислорода и сравнение с GCM Solid lines: observations Dashed 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 1011cm-3 As the basic values we have taken: 1) the kinetics rate of reaction k1(T) = 9.46 × 10−34exp(485/T)cm6 molecule-1 seс-1(NIST dataset) , 2) the effective yield β =0.75 3) deactivation rate k2=10-20 cm3 molecule-1 seс-1 4) radiativelifetime of the excited state τ =4470 sec. 5) Temperature and atmospheric density vertical profiles were are taken from the LMD general circulation model.

21. 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.

22. Вертикальные профилисвечения 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

23. 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 discrepancies The maximum of emission is shifted for the season compared to the GCM model

24. Плотность CO2и температура из звездных затмений в UV The South Pole Одновременные наблюдения Южный полюс Ls 115-160 • 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 The North Pole Северный полюс Ls 265-275 • Good agreement for density • Warming in the middle atmosphere is well reproduced • Possible cold layer at 120 km

25. Температурные профили MCS/MRO модель данные Две модели: стандартная и модель с радиационно-активными облаками

26. 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 1011до2.5 1011см-3. • Циркуляция полярной ночной атмосферы, которая характеризуется здесь свечением кислорода и адиабатическим нагревом, один из самых чувствительных явлений в модели общей циркуляции.