Разное\статьи лекц и докл\статья про аост,1



жүктеу 277.2 Kb.
Дата12.06.2018
өлшемі277.2 Kb.




УДК 520.84,523.43-852,523.43-87

АОСТ: фурье-спектрометр для исследования Марса и Фобоса

© 2010 г. О. И. Кораблёв1, А. В. Григорьев1, Б. Е. Мошкин1, Л. В. Засова1, Ф. Монмесан2, А. Б. Гвоздев1, В. Н. Шашкин1, Д. В. Пацаев1, В. С. Макаров1, С. В. Максименко1, Н. И. Игнатьев1, А. А. Фёдорова1, Г. Арнольд3, А. В. Шакун1, А. И. Терентьев1, А. В. Жарков1, Б. С. Майоров1, Ю. В. Никольский1, И. В. Хатунцев1, Ж. Беллуччи4, М. Джуранна4, Р. О. Кузьмин5,1, А. В. Родин6,1

1 Институт космических исследований РАН, Москва.

2 Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales, CNRS, Сан-Квентан эн Эвлин, Франция.

3 Institut fuer Planetologie, WWU, Мюнстер, Германия.

4 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario INAF, Рим, Италия.

5 Институт Геохимии и Аналитической Химии им. В. И. Вернадского РАН, Москва.

6 Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный.

Поступила в редакцию ??.07.2010 г.


Фурье-спектрометр АОСТ проекта «Фобос-Грунт» предназначен для исследования Марса и Фобоса путём измерения инфракрасных спектров излучения атмосферы и поверхности Марса, поверхности Фобоса, а также спектра солнечного излучения, прошедшего через атмосферу Марса на его лимбе. Основные научные задачи прибора на Марсе – измерение содержания метана, поиск малых составляющих, исследование суточного цикла температуры и аэрозоля в атмосфере. Прибор также будет исследовать поверхность Марса и Фобос, дистанционно и после посадки. Спектральный диапазон прибора – 2.5÷25 мкм, наилучшее спектральное разрешение (без аподизации) – 0.6 см-1, мгновенное поля зрения – 2.5°. Время записи одного спектра равно 5 с при наблюдениях Солнца и 50 с при наблюдениях Марса и Фобоса. Прибор имеет собственные системы термостабилизации и двухосевого наведения, а также встроенный источник излучения для калибровки в полете. Масса прибора – 4 кг, энергопотребление – до 13 Вт. В статье обсуждаются научные задачи, режимы измерения и – кратко – техническая реализация эксперимента.
PACS: 07.57.Ty,96.30.Gc,96.30.Hf

Введение


Инфракрасные (ИК) фурье-спектрометры (КА) многократно использовались для исследования Марса, как на борту орбитальных космических аппаратов [Hаnel et al., 1972; Christensen et al., 1998; Formisano et al., 2005], так и на поверхности [Christensen et al., 2004]. Инфракрасные спектры в широком диапазоне содержат информацию как о поверхности, так и об атмосфере Марса. Интерферометр IRIS-M на борту КА Mariner-9 в 1971-72 гг. позволил впервые исследовать термическую структуру атмосферы во время затухания пылевой бури [Conrath et al., 1973; Conrath, 1975]. Прибор TES на КА Mars Global Surveyor [Christensen et al., 1998] проработал с 1997 по 2004г. Его задачи были ориентированы на определение состава поверхности, также, полученные им результаты составляют основу климатологии Марса по таким параметрам как сезонные циклы температуры атмосферы, пыли и водяного пара [напр., Smith et al., 2004]. Mini-TES [Christensen et al., 2003a] на марсоходах Spirit и Oppurtunity использовался для дистанционного определения состава пород [Christensen et al., 2004] и свойств приповерхностного слоя атмосферы [Smith et al., 2006]. Фурье-спектрометр PFS на КА Mars Express успешно работает на орбите у Марса с 2003 г. [Formisano et al., 2005].

Многочисленные преимущества фурье спектрометрии перевешивают не менее многочисленные трудности создания летных фурье спектрометров, и последние не раз применялись в исследовании не только Марса, но и других планет солнечной системы [Эртель и др., 1985; Persky, 1995; Горбунов и Мошкин, 2000; Hanel et al., 2003].

Объектами исследования в эксперименте АОСТ [Григорьев и др., 2009] проекта «Фобос-Грунт» [Зелёный и др., 2010] являются атмосфера Марса, поверхность Марса и поверхность Фобоса. Это единственный спектрометр «оптического» диапазона на борту КА. Прибор создан в ИКИ РАН с использованием опыта, накопленного при создании фурье-спектрометров для проектов Марс-96 и Mars Express. Международная кооперация эксперимента включает французскую лабораторию LATMOS и Университет г. Мюнстер (Германия), которые поставили ряд компонентов прибора, а также Институт физики межпланетного пространства (IFSI) в Италии, предоставивший возможности для калибровок. Основные параметры прибора АОСТ приведены в Таблице 1.
Научные задачи и планируемые наблюдения

Основные этапы и возможности наблюдений экспедиции Фобос-Грунт обсуждаются в статье [Аким и др., 2010]. При оптимальной дате запуска 11 ноября 2011г выход на орбиту вокруг Марса должен состояться в начале сентября 2012г. После этого в течение 20 дней КА будет находиться на переходных орбитах с периодом 3 суток, высотой перицентра 780 км и апоцентра – 75000 км. После подъема перицентра до 6500 км период увеличится до 3.5 суток. Планируемое время пребывания на этой орбите 9 дней, затем КА будет переведен на круговую «орбиту наблюдения» (на 370 км выше орбиты Фобоса; период 8.3 часа) на срок более 3-х месяцев, до середины января 2013г. Далее должен произойти переход на «квазисинхронную орбиту (КСО)»; 50-70 км от Фобоса. После месяца наблюдений запланирована посадка на Фобос. Период работы КА «Фобос-Грунт» в окрестности Марса приходится на сезон перигелия (лето в Южном полушарии, Ls=170–264°), когда не исключено развитие глобальной пылевой бури.

В эксперименте АОСТ планируется проводить наблюдения Марса с переходных орбит, с «орбиты наблюдения» и наблюдения Фобоса с КСО и с поверхности после посадки. Прибор может работать в трех основных режимах (см. Табл. 1): «Солнечные затмения», «Атмосфера» и «Поверхность». В этих режимах различаются спектральное разрешение и чувствительность прибора. Теоретические значения отношения сигнал/шум (С/Ш) рассчитанные для этих режимов наблюдения приведены на рис. 1. , см. текст к рис.

В режиме «солнечного затмения» наблюдается диск солнца, просвечивающего атмосферу планеты. Основная научная задача, решаемая экспериментом в этом режиме, состоит в детектировании и измерении содержания метана в атмосфере Марса (ожидаемый предел обнаружения метана ~1 ppb, частей на миллиард), а также других малых составляющих по спектрам их поглощения. Также, наблюдения в этом режиме позволят оценить вертикальные профили водяного пара, D/H, аэрозолей. На любой орбите, близкой к орбите Фобоса солнечные затмения для космического аппарата происходят три раза за марсианский день, независимо от сезона. Координаты затмений соответствуют экваториальной области Марса. Перед посадкой на Фобос существует возможность провести более 300 наблюдений на заходе и столько же на восходе.

В режиме, условно называемом «Атмосфера» наблюдаются атмосфера и поверхность Марса. Благодаря сканеру, наблюдать можно как в направлении надира так и под углов к местной вертикали, что позволит исследовать широтный интервал от экватора до средних широт. С «орбиты наблюдения» поле зрения АОСТ при наведении в надир соответствует на поверхности Марса кругу диаметром 290 км. Сдвиг поля зрения за время экспозиции 50 с (размазывание) будет не более 25 км. Предполагается исследовать суточные и (в пределах сценария миссии) сезонные вариации следующих параметров атмосферы:


  • вертикальный профиль температуры до высоты около 60 км;

  • содержание водяного пара и других малых составляющих;

  • содержание аэрозолей (пылевые и конденсационные облака).

Также, такие наблюдения позволят исследовать суточные и, частично, сезонные вариации поверхностных инеев, дополнить ведущиеся при помощи картирующих спектрометров исследования химически связанной и адсорбированной воды в грунте, распространения как породообразуюших минералов, так и сульфатов, гематита и филлосиликатов. Эксперимент позволит исследовать поверхность в глобальном масштабе в двух дополняющих друг друга спектральных интервалах, в области теплового излучения и, при более низком С/Ш, в диапазоне отраженной солнечной радиации 2.5-6 мкм.

Режим «Поверхность» предназначен для наблюдений Фобоса. На поверхности Фобоса с расстояния 50-70 км (с КСО) поле зрения составит 2.2-3 км, а «смаз» пренебрежимо мал. Основной задачей эксперимента на Фобосе является глобальное исследование минералогического состава его поверхности, а также мониторинг температуры, тепловой инерции и оценка шероховатости поверхности. Учитывая низкое альбедо Фобоса, ожидаемый сигнал слабее, чем при наблюдениях атмосферы Марса, и для режима «Поверхность» выбрано самое низкое спектральное разрешение, 7 см-1. Для увеличения отношения С/Ш, особенно в коротковолновом участке спектра, этот режим планируется использовать и для исследования поверхности Марса. На Фобосе прибор решает задачи глобального картирования минералогического состава поверхности и теплофизических параметров реголита, и исследования поверхности в месте посадки с пространственным разрешением до нескольких сантиметров.

Рассмотрим подробнее основные наблюдения.
Исследования атмосферы Марса в режиме «Солнечного затмения»

При наблюдениях Солнца, просвечивающего атмосферу Марса, спектральное разрешение АОСТ с учетом аподизации составит 0.9 см-1, а длительность измерения одной интерферограммы – 5 с. Процесс прохода линии визирования через атмосферу на лимбе планеты длится около 100 с; за это время будет измерено около 20 спектров. Оценка отношения С/Ш в районе 3 мкм по одной интерферограмме более 500.

Метод солнечных затмений является самокалиброванным, т.к. перед каждым затмением регистрируется ряд спектров Солнца при расстоянии от линии визирования до лимба планеты порядка 200 км, где вклад атмосферы отсутствует. По этим измерениям вычисляется спектр сравнения. За время затмения (~100 с) параметры прибора остаются неизменными. Также не меняется глубина полос самого солнечного спектра по мере погружения линии визирования в атмосферу; изменяют свою глубину только полосы атмосферных газов. Спектры поглощения атмосферы вычисляются как частное измеряемых спектров и спектра сравнения.

Одной из основных научных задач эксперимента АОСТ в этом режиме является измерение содержания метана в атмосфере Марса. Сообщения об открытии метана на Марсе, поступившие в 2004 г от трех независимых групп исследователей вызвали большой резонанс. Поглощение CH4 в полосе 3.3 мкм обнаружено в спектрах прибора PFS [Formisano et al., 2004], и по независимым наземным наблюдениям [Krasnopolsky et al., 2004; Mumma et al., 2009]. По совокупности данных содержание метана в атмосфере Марса составляет около 10 ppb, и меняется от 0 до 30 ppb в зависимости от времени и географического положения. Время жизни метана в атмосфере Марса составляет 300–400 лет. Это, с одной стороны, достаточно мало, и предполагает необходимость постоянно действующего источника. С другой стороны, за это время метан должен быть равномерно перемешан в атмосфере, и наличие локализованных источников не может объяснить его переменность. Одна из широко обсуждаемых гипотез – биологическое происхождение метана. Даже очень скудная биосфера могла бы легко произвести необходимые количества метана [Krasnopolsky et al., 2004; Atreya et al., 2006]. Также, источником может служить ископаемый метан (газогидраты), просачивающийся через поры грунта, что не снимает вопроса о его первичном происхождении. Вопрос о метане в атмосфере Марса вызывает много споров: все наблюдательные данные недалеки от предела обнаружения, а предлагаемые механизмы его возникновения и причины изменчивости имеют характер гипотез. Для выяснения вопроса необходимы, прежде всего, надежные и локализованные измерения.

Задача детектирования осложняется тем, что на полосу метана 3.3 мкм накладывается полоса поглощения воды. Однако, наиболее сильная группа линий метана (Q-ветвь фундаментальной полосы), лежащая в области (3017 – 3019) см-1, свободна от поглощения парами воды (рис. 2). Как видно, на высоте 10 км содержание метана на уровне 10 ppb дает, согласно расчетам, глубину полосы около 4%. Хотя эффективная измеряемая глубина полосы будет меньше за счет вклада верхних слоев атмосферы, захватываемых полем зрения, a на высотах 10-20 км сигнал будет существенно ослаблен атмосферным аэрозолем, мы рассчитываем, что накопление сигнала в течение нескольких сеансов позволит достигнуть порога обнаружения метана порядка 1 ppb. Выбранное спектральное разрешение 0.9 см-1 является оптимальным, дальнейшее его улучшение не дает выигрыша из-за увеличения шума, а ухудшение приводит к слиянию полос водяного пара и метана.

Другой важной задачей, которую позволят решить солнечные затмения в диапазоне 2.5-6 мкм будет измерение содержания дейтерированной воды и отношения D/H в водяном паре, что позволит улучшить понимание процессов диссипации воды с Марса. На Марсе среднее значение D/H в 5.5 ± 2 раза превышает земное отношение [Owen et al., 1988; Krasnopolsky et al.; 1997]. Это свидетельствует о диссипации воды с планеты на протяжении длительного времени, что привело к накоплению более тяжелого изотопа. Количественные оценки процессов диссипации требуют хорошего знания значения D/H и его вертикального профиля [Montmessin et al., 2005]. Несмотря на ряд специальных астрономических наблюдений и данные PFS, погрешность измерения D/H остается значительной, так как до сих пор линии обычной и дейтерированной воды не удавалось измерить одновременно и с необходимой точностью. В эксперименте АОСТ водяной пар может измеряться по нескольким полосам в области от 3000 до 3900 см-1. Содержание HDO будет измеряться по полосе 3.7 мкм (2700-2720 см-1). Проводя одновременные измерения H2O и HDO в режиме солнечных затмений, АОСТ позволит получить эталонное значение отношения D/H для современного климата Марса.

Дополнительно, по данным АОСТ можно будет измерить экстинкцию атмосферного аэрозоля в широком спектральном диапазоне. Атмосферный аэрозоль на Марсе – важнейший фактор формирования теплового баланса и климата планеты, а его оптические характеристики необходимы для моделей общей циркуляции атмосферы. Такие измерения в широком спектральном диапазоне никогда не проводились одновременно [Forget 1998; Korablev et al., 2005].
Исследования атмосферы Марса в режиме «Атмосфера»

Другим режимом работы АОСТ являются надирные наблюдения Марса («Атмосфера» в Табл. 1). Учитывая, что сигнал от Марса намного слабее, чем от Солнца, для наблюдения Марса используется спектральное разрешение 2 см-1, а длительность измерения одной интерферограммы составит 50 с. На рис. 3, 4 приведены синтетические спектры Марса с разрешением 2 см-1. На рис. 3 показан спектр собственного излучения планеты для чистой атмосферы и в присутствии пыли. Отмечены спектральные интервалы, где поглощает углекислый газ и водяной пар, а также показана стрелкой основная полоса поглощения пыли 1075 см-1. Самая заметная деталь в спектрах - полоса ν2 СО2 и прилегающие более слабые полосы в районе 15 мкм, которая используется для восстановления температурного профиля в атмосфере. Также присутствуют горячие полосы СО2 960.8 и 1063.6 см-1 и изотопические полосы С12О16О18 1259 и 1366 см-1. Полосы водяного пара представлены колебательно-вращательной полосой 6.3 мкм (около 1900 см-1) и коротковолновой частью вращательной полосы 40 мкм на длинноволновом краю диапазона. На рис. 4 показан спектр в области отраженного солнечного излучения (хотя вклад теплового излучения в длинноволновой части ν < 2500 см-1 может быть существенным). Отмечены области поглощения углекислого газа, водяного пара, а также фундаментальная полоса СО. Синтетические спектры Марса взяты из базы спектров Марса для разных условий на планете, рассчитанных для эксперимента PFS [Ignatiev et al., 2005]. См. текст к рис. 4.

Измерения методом ИК фурье-спектрометрии составляют в настоящее время экспериментальную основу изучения климата Марса. Задача термического зондирование атмосферы успешно решается в углекислотной атмосфере благодаря полосе поглощения CO2 в районе 15 мкм. Решение обратной задачи позволяет восстановить температурный профиль атмосферы от поверхности до 40–60 км, в зависимости от спектрального разрешения.

Спектрометры с близким (около 2 см-1) спектральным разрешением – интерферометр IRIS-M и фурье-спектрометр PFS (см. выше) уже использовались для наблюдений Марса и показали исключительно высокую информативность. При более низком спектральном разрешении, как у прибора TES [Smith et al., 2004] (6.25 или 12.5 см-1), точность восстановления температурного профиля падает, так как при низком давлении в атмосфере Марса полоса CO2 оказывается достаточно узкой. Результаты восстановления вертикальных температурных профилей в атмосфере Марса по экспериментам IRIS-M и PFS можно найти в работах [Santee and Crisp, 1993; Zasova et al., 2001, 2002; Grassi et al., 2005; Zasova et al., 2005a, b; Засова и др., 2006]. Температурный профиль и оптическая толщина аэрозоля определяются самосогласованным образом из одного и того же спектра: температурный профиль находится по полосе 15 мкм СО2, а оптическая толщина по аэрозольным полосам поглощения. Температура поверхности определяется, используя яркостную температуру в области 1300 см-1, где излучательная способность поверхности близка к 1 и отсутствует газовое поглощение. На рис. 5 приведены синтетические спектры излучения экваториальной области Марса, для чистой и запыленной атмосферы в полдень и в полночь. Звездочками показаны оценки шума прибора для единичного спектра. Отношение С/Ш зависит от интенсивности: для полудня оно составляет 80 - 100 на 500 см-1, около 10 в центре полосы 15 мкм СО2 (680 см-1) , 70 - 80 на 800 см-1 и около 20 на 1300 см-1. Для полуночи эти значения соответственно 40 - 50, 10, 20 и 2.

Знание термического строения атмосферы, сезонных и суточных вариации важно для понимания климата Марса. В настоящее время модели общей циркуляции атмосферы Марса получили существенное развитие, что накладывает дополнительные требования на детальность экспериментальных данных. Как показала обработка данных IRIS-M и PFS, температурные профили восстанавливаются локально из каждого спектра. Мы рассчитываем достичь таких же результатов при мониторинге термического строения атмосферы Марса при помощи спектрометра АОСТ.

Особенностью исследований с КА Фобос-Грунт является возможность изучения суточных циклов в атмосфере Марса. Несмотря на то, что в проводящемся более трех марсианских лет эксперименте PFS получено более миллиона спектров для разных сезонов и местного времени, выделить суточные вариации в этом массиве данных очень трудно. Измерения, относящиеся к одной области планеты и к одному местному времени либо сильно разнесены во времени, либо попадают на разные сезоны, т.е. суточные вариации невозможно отделить от изменчивости сезонного и другого характера. Наблюдения, проводимые американскими КА на «картирующих» полярных орбитах, таких как Mars Global Surveyor и Mars Reconnaissance Orbiter жестко привязаны к 2 часам дня и ночи.

Орбита Фобоса, около трех раз за марсианские сутки обращающегося вокруг Марса, предоставляет уникальную возможность для исследования суточных и других кратковременных атмосферных вариаций в низких, а при использовании возможностей сканера АОСТ и в средних широтах Марса. Наблюдения Марса планируется проводить при каждой возможности; при этом будет получена информация о термической структуре и составе атмосферы, содержании водяного пара и конденсационных облаках, их суточных вариациях.

Прибор АОСТ исследует Марс с «орбиты наблюдения» и КСО. Возможности радиолинии КА – Земля ограничивают объем данных АОСТ величиной примерно 4 Мб в сутки, что позволяет получить примерно 500 спектров. На КСО за 3 орбиты (период 7.65 часа) любую точку поверхности Марса можно исследовать дважды; последовательные измерения будут разнесены по местному времени на 10.77 часа. На дневной стороне ожидаемой величины С/Ш будет достаточно для восстановления температурного профиля с точностью 3 – 5 К. На ночной стороне потребуется усреднение данных. Исходя из ограничений на передачу данных, запланированы несколько режимов измерений.

1) При наблюдении в надир с КСО мгновенное поле зрения соответствует на поверхности пятну диаметром около 290 км. За время записи одного спектра поле зрения смещается незначительно. На величину диаметра (можно допустить, что при этом наблюдается все та же область планеты) поле зрения перемещается за 6 минут, за которые может быть получено 7 спектров, что даст увеличение С/Ш в 2.5 раза. Выигрыш в 5 раз можно получить за 20 минут накопления (590 км на поверхности). Суточную квоту в 500 спектров можно разбить на 14 сетов наблюдений для местного времени 0 - 24 часа, получив суточное покрытие примерно через 4 часа местного времени. Эти данные будут соответствовать различным областям планеты.

2) На поверхности можно выделить 7 областей (за 3 орбиты каждая область наблдается дважды со сдвигом 10.8 марсианских часа). Простой расчет показывает, что за 27 орбит вокруг Марса (8.4 марсианских суток), для всех 7 областей будут произведены измерения один раз в каждый час местного времени (от 0 до 24 часов), т.е. впервые будут получены детальные суточные циклы с дискретностью в 1 час местного времени.

3) Поворачивая сканер после съема каждого измерения, можно практически исключить смещение поля зрения. Заданную область планеты может находится в пределах видимости до трех часов, что даст возможность исследовать быстрые изменения условий в этой области, или, если необходимо, увеличить усреднение.
Исследования поверхности Марса

Наблюдения поверхности Марса, проводимые в режимах «Атмосфера» или «Поверхность» позволят исследовать минералогический состав поверхности, ее шероховатость, а также регистрировать зависимости от времени суток и сезона переменных параметров, например, поверхностных инеев, запыленности. АОСТ сможет внести свой вклад в постоянно пополняющуюся базу данных, созданную предыдущими экспериментами. Поверхность Марса исследовалась в экспериментах ИСМ/Фобос-2 [Bibring et al., 1989], OMEGA/Mars Express [Bibring et al., 2005], CRISM /Mars Reconnaissance Orbiter [Murchie et al., 2008] в видимом и ближнем ИК-диапазонах, уже упоминавшимися фурье-спектрометрами среднего и теплового ИК-диапазона IRIS-M, PFS и TES, а также системой высокого пространственного разрешения THEMIS/Mars Odyssey [Christensen et al., 2003b].

Как обсуждалось выше, АОСТ будет исследовать планету в глобальном масштабе с разрешением на поверхности ~300 км преимущественно в экваториальных районах. Там отождествлены важные геологические и композиционные единицы поверхности, такие как крупные ударные кратеры, равнины, щитовые вулканы, Долины Маринера, следы ветровой и жидкостной эрозии. Поверхность необходимо исследовать на дневной стороне. АОСТ позволит измерять спектры отражения в области от 2.5 до ~4 мкм и тепловую эмиссию поверхности в длинноволновой части спектра. В зависимости от температуры поверхности минимум спектрального излучения попадает в область между 3 и 4 мкм. В этом переходном участке спектра вклад отраженного солнечного и теплового излучения приблизительно одинаков, и анализ состава поверхности затруднен. За пределами этого участка широкий спектральный диапазон АОСТ позволит получить данные о глобальном и временном распределении породообразуюших и вторичных минералов, если обеспечить отношение С/Ш > 100. В коротковолновом диапазоне (см. рис. 1) для этого потребуется накопление данных.

Содержание химически связанной и адсорбированной воды в грунте будет исследоваться по фундаментальным колебательным полосам на 6.1 и 6.3 мкм, соответственно. В тепловом диапазоне, положение эмиссионного максимума в пределах 8-13 мкм, расположенного рядом с фундаментальной колебательной полосой силикатов, свидетельствует о типе породообразуюших минералов. Положение максимума зависит от количества кремнезема, что может использоваться для грубого распознавания калиевого полевого шпата, плагиоклаза, высоко- и низко-кальциевых пироксенов, и, возможно, оливина, если количество материала будет достаточно в области, перекрываемой полем зрения спектрометра.

Вторичные минералы, такие как соли, оксиды и глины также имеют характерные полосы в спектральном диапазоне АОСТ. Это продукты выветривания, сульфаты, [Bibring et al., 2005], гематит [Christensen et al., 2001] и филлосиликаты [Poulet et al., 2005], обнаруженные в некоторых областях планеты. Сульфаты имеют полосы поглощения в диапазонах 2.8 и 12 мкм [Cloutis et al., 2006], гематиты – сильные полосы между 16.2 и 21 мкм [Lane et al., 2002], а филлосиликаты определяются по полосам остаточного излучения силикатов (reststrahlen bands) и полосам в районе 3 и 6 мкм [Bishop et al, 1993]. Кроме того, в окнах между атмосферными полосами можно исследовать вариации температуры поверхности. С КА «Фобос-Грунт», такие измерения в выбранных областях можно впервые связать с суточным циклом (см. выше). Подобные исследования степени гидратации поверхности помогут ограничить набор солей, по-разному реагирующих на суточный ход относительной влажности. По величине среднего теплового излучения в области спектра 7.15–7.4 мкм, где велико влияние размера силикатных частиц на форму спектра [Ruff and Christensen, 2002], можно определить вариации степени запыленности марсианской поверхности. Дополнительно, эти данные можно использовать и для оценки шероховатости и тепловой инерции поверхностного материала [Salisbury, Walter, 1989; Arnold, 1991; Salisbury, 1993; Hapke, 1993].
Наблюдения Фобоса

Проблема происхождения спутников Марса привлекает внимание давно, и оценки минералогического состава поверхности могут помочь сделать выбор между существующими теориями их формирования. Фобос неоднократно исследовался спектрометрическими методами. Его спектры не соответствуют ни одному из классов метеоритных хондритов, и, как правило, глубина полос поглощения видимого и ближнего ИК-диапазона недостаточна для уверенной интерпретации минерального состава [напр., Bibring et al., 1992; Ksanfomality, Moroz, 1995]. Недавно проведенный анализ наблюдений в «тепловом» ИК-диапазоне PFS и TES/MGS [Giuranna et al., 2010] указывает на возможное наличие филлосиликатов, в частности, в северо-восточной области кратера Стикни. Потенциальное обнаружение филлосиликатов на Фобосе вызывает много вопросов. В случае подтверждения, оно может свидетельствовать о захвате переработанного материала, например с Марса, в момент формирования или о метаморфическом образовании этого материала на Фобосе. Однако при наблюдениях Фобоса в ближнем ИК-диапазоне картирующими спектрометрами OMEGA и CRISM гидратированные минералы обнаружены не были [Murchie et al., 2008; Gondet et al., 2009]. В то же время, соответствующие им полосы уверенно регистрируются теми же приборами на Марсе [Bibring et al., 2005; Mustard et al., 2008]. Эти противоречия говорят о необходимости продолжения исследований. Систематические наблюдения АОСТ с КСО позволят решить задачу глобального минералогического картирования Фобоса в широком ИК-диапазоне. В частности, наблюдения района кратера Стикни позволят определить минералогический состав различных цветовых единиц поверхности (по классификации Murchie et al., 1999), что поможет в выборе гипотез происхождения Фобоса. Более определенный ответ о формировании Фобоса, несомненно, будет получен на основе контактных измерений состава поверхности и возврата грунта.


Техническая реализация

Фурье-спектрометр АОСТ представляет собой моноблок, состоящий из двух модулей: базового и оптического (рис. 7). Базовый модуль крепится к КА с помощью виброизолирующих ножек, они же обеспечивают терморазвязку: температура конструкций КА в точках крепления, по данным разработчика КА НПО им. С. А. Лавочкина, может меняться от –150 до +150°C. К базовому модулю присоединяются кабели питания и информационной связи КА. Оптический модуль, содержащий интерферометр и обслуживающие его системы, может поворачиваться относительно базового модуля на 183° вокруг «вертикальной» оси. Перед оптическим входом интерферометра установлена головка наведения с плоским зеркалом, наклоненным на 45° к оптической оси, см. рис. 6. Она может вращаться на 360° вокруг «горизонтальной» оси. Таким образом, оптическая ось прибора может быть наведена в любую точку сферы, в том числе на калибровочное «абсолютно черное тело», установленное на базовом модуле. Вращение оптического модуля используется не только для наведения, но и для регулировки мощности, излучаемой радиатором прибора (в перерывах между измерениями). Прибор АОСТ имеет собственную экранно-вакуумную теплоизоляцию (ЭВТИ) и собственную систему стабилизации температуры.

Ключевым узлом прибора АОСТ является интерферометр типа «двойной маятник» с полыми зеркальными триэдрами (уголковыми отражателями) апертура которых составляет 25 мм, см. рис. 6. Материал светоделителя интерферометра – бромид калия, длинноволновая граница его пропускания определяет максимальную рабочую длину волны прибора. Прибор регистрирует двусторонние интерферограммы (оптическая разность хода меняется в обе стороны относительно нулевого положения). Преобразование Фурье и вычисление измерительных и калибровочных спектров будет осуществляться на Земле.

В качестве приемника излучения используется специальный пироэлектрический детектор на основе танталата лития, работающий при комнатной температуре и имеющий рекордную обнаружительную способность (квази-D* ≈ 2·109 Вт-1см·Гц½ на частоте 60 Гц). Диаметр чувствительной области детектора – 1.4 мм, перед ним установлена линза Фабри из KRS-5 и фильтр из CdSb. Последний полностью поглощает излучение с длиной волны менее 2.5 мкм, это определяет минимальную рабочую длину волны прибора и исключает переналожение частот (элайзинг). В опорном интерференционном канале, обеспечивающем привязку по длине волны, применен одномодовый лазерный диод DFB-типа с длиной волны 1.27 мкм. Опрос интерферограммы происходит один раз за период опорного синусоидального сигнала.

В основе управляющей электроники используются два процессора «Leon-3», один в базовом модуле, второй – в оптическом, реализованных в радиационно-стойких ПЛИС «Actel AX-2000».
Заключение

В проекте Фобос-Грунт эксперимент АОСТ посвящен решению научных задач самого высокого приоритета, в числе которых измерения метана в атмосфере Марса с низким пределом обнаружения. Совокупность параметров прибора АОСТ уникальна – до настоящего времени не было космических ИК спектрометров, которые при массе 4 кг имели бы одновременно спектральный диапазон 2.5– 25 мкм, спектральное разрешение до 0.9 см-1 и собственные системы двухосевого наведения и терморегулирования. Это стало возможным благодаря применению современных технических решений, и мы уверены в перспективности этой разработки.


Список литературы
Аким Э.Л., Заславский Г.С., Морской И.М., Рузский Е.Г., Степаньянц В.А., Тучин А.Г. Доставка на землю реликтового вещества с Фобоса – проект Фобос-Грунт: баллистика, навигация и управление полетом // Астрон. Вестник 2010. Т. 44. № 1. С. 29-40.

Горбунов Г.Г., Мошкин Б.Е. Фурье-спектрометры для исследования планетных атмосфер // Оптич. журн. 2000. Т. 67. № 5. С. 69-75.

Григорьев А.В., Мошкин Б.Е., Кораблёв О.И. и др. Миниатюрный фурье-спектрометр “АОСТ” для космических исследований // Оптич. журн. 2009. Т. 76. № 2. С. 28-35.

Засова Л.В., Формизано В., Мороз В.И. и др. Результаты измерений ПФС на Марс Экспресс: облака и пыль в конце южного лета. Сравнение с изображениями ОМЕГА // Космич. исслед. 2006. Т. 44. № 4. С. 319-331.



Зелёный Л.М., Захаров А.В., Полищук Г.М., Мартынов М.Б. Проект экспедиции к Фобосу // Астрон. вестн. 2010. Т. 44. № 1. С. 17-28.

Эртель Д., Мороз В.И., Нопираковский И.B. и др. Инфракрасный эксперимент на АМС "Венера-15" и "Венера-16". 1. Методика и первые результаты // Космич. исслед. 1985. Т. 23. С. 191-205.

Arnold G. Measurements of the spectroscopic emittance of particulate minerals and remote sensing implications // Vibrational Spectroscopy 1991. V.2, P.245-251.

Bibring J.P., Ksanfomality L.V., Langevin Y., Moroz V.I., Combes M., et al. Composite KRFM-ISM spectrum of Phobos (0.315–3.1 μm) // Advances in Space Research. 1992. V.12. P. 13-16.

Bibring J.P., Combes M. Langevin Y., et al. Results from the ISM experiment // Nature. 1989. V.341, P. 591-593.

Bibring J.-P., Langevin Y., Gendrin A., et al. Mars surface diversity as revealed by the OMEGA/Mars Express observations // Science 2005. V.307, P. 1576-1581.

Bishop J.L., Pieters C.M., Burns R.G. Reflectance and Mössbauer spectroscopy of ferrihydrite-montmorillonite assemblages as Mars soil analog materials, Geochim. Cosmochim. Acta 1993. V.57, P.4583-4595.

Christensen P.R, Anderson D.L., Chase S.C. et al. Results from the Mars Global Serveyor Thermal Emission // Science. 1998. V. 279. N 5357. P. 1692.

Christensen P.R., Morris V.R., Lane M.D., Bandfield J.L., Malin M.C. Global mapping of Martian hematite mineral deposits: remnants of water-driven processes in the earl Mars // J. Geophys. Res. 2001. V.106, P.23873-23885.

Christensen P.R, Mehall G.L., Silverman S.H. et al. Miniature Thermal Emission Spectrometer for the Mars Exploration Rovers // J. Geophys. Res. 2003a. V. 108. N E12. P. ROV 5-1.

Christensen P.R., Bandfield J.L., Bell III J.F., et al. Morphology and Composition of the Surface of Mars: Mars Odyssey THEMIS Results // Science 2003b. V.300, P.2056-2061.

Christensen P.R, Ruff S.W., Fergason R.L. et al. Initial Results from the Mini-TES experiment in Gusev Crater from the Spirit Rover // Science. 2004. V. 305. N 5685. P. 837-842.

Cloutis E.A., Hawthotrne F.C., Merzman S.A., et al. Detection and discrimination of sulfate minerals using relectance spectroscopy // Icarus. 2006. V.184, P. 121-157.

Conrath B., Curran R., Hanel R., Kunde V., Magnire W., Perl J., Pirraglia J. and Walker J. Atmospheric and surface properties of Mars obtained by infrared spectroscopy on Mariner // J. Geophys. Res. 1973. V. 78. P. 4267-4278.

Conrath B. Thermal structure of the Martian atmosphere during the dissipation of the dust storm of 1971 // Icarus. 1975. V. 24. P. 36-46.

Erard S., Calvin W. New Composite Spectra of Mars, 0.4-5.7 µm // Icarus. 1997. V. 130. P. 449-460.

Forget F. Improved optical properties of the Martian atmospheric dust for radiative transfer calculations in the infrared // Geophys. Res. Lett. 1998. V.25, P.1105–1108.

Formisano V., Atreya S.K., Encrenaz T., Ignatiev N., Giuranna M. Detection of methane in the atmosphere of Mars // Science. 2004. V.306. P.1758-1761.

Formisano V., Angrilli F., Arnold G. et al. The Planetary Fourier Spectrometer (PFS) onboard the European Mars Express Mission // Planet. and Space Sci. 2005. V. 53. P. 963-974.

Grassi D., Fiorenza C., Zasova L.V., Ignatiev N.I., Maturilli A., Formisano V., Giuranna M. The Martian atmosphere above Great Volcanoes: early Planetary Fourier Spectrometer observations // Planet. and Space Sci. 2005. V. 53. P. 1053-1064.

Giuranna M., Roush T.L., Duxbury T., Hogan R.C., Carli C., Geminale A., Formisano V. Compositional interpretation of PFS/MEx and TES/MGS thermal infrared spectra of Phobos, Planet. Space Sci. 2010, submitted.

Gondet B., Bibring J.-P., Langevin Y., Poulet F. Phobos observations by the OMEGA/Mars Express hyperspectral imager // Paper presented at European Planetary Science Congress 2009. 14-18 September, Potsdam, Germany. P.773–+.

Hanel R., Conrath B., Hovis W., et al. Investigation of the Martian environment by infrared spectroscopy on Mariner 9 // Icarus. 1972. V. 17. P. 423-442.

Hanel R.A., Conrath B.J., Jennings D.E., Samuelson R.E. Exploration of the Solar system by infrared remote sensing. 2nd edition // Cambridge Univ. Press. 2003. Cambridge, UK. 458 pp.

Hapke B. W. Theory of reflectance and emittance spectroscopy, eds. Arvidson R.E., Rycroft M.J. // Cambridge Univ. Press. 1993. Cambridge, UK. 455 pp.

Ignatiev N.I., Grassi D., Zasova L.V. Planetary Fourier Spectrometer data analysis: Fast radiative transfer models // Planet. and Space Sci. 2005. V. 53. P. 1035-1042.

Korablev O., Moroz V.I., Petrova E.V., Rodin A.V. Optical properties of dust and the opacity of the Martian atmosphere // Advances in Space Research 2005. V.35, P.21-30.

Krasnopolsky V.A. Photochemical mapping of Mars // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 13313–13320.

Krasnopolsky V. A., Maillard J. P., Owen T. C. Detection of methane in the martian atmosphere: evidence for life? // Icarus. 2004. V.172. P.537-547.

Ksanfomality L.V., Moroz V.I. Spectral reflectivity of Phobos' regolith within the range 315-600 nm // Icarus. 1995. V. 117. P. 383-401.

Montmessin F., Fouchet T., and Forget F. Modeling the annual cycle of HDO in the Martian atmosphere // Journal of Geophysical Research 2005. V. 110(E9). P. 3006–+.

Mumma M. J., Villanueva G.L., Novak R.E., Hewagama T., Bonev B.P., et al. Strong release of methane on Mars in Northern summer 2003 // Science. 2009. V.323. P.1041-1045.

Murchie S.L., Choo T., Humm D., Rivkin A.S., Bibring J.-P., et al. MRO/CRISM observations of Phobos and Deimos // Paper presented at 39th Lunar and Planetary Science Conference, 2008. March 10-14, League City, Texas. LPI Contribution N. 1391., P.1434–+

Murchie S., Thomas N., Britt D., Herkenhoff K., Bell III J.F. Mars pathfinder spectral measurements of Phobos and Deimos: Comparison with previous data // J. Geophys. Res. 1999. V.104, P.9069-9079.

Murchie S.L., Seelos F. P., Hash C.D., Hum D.C., Malaret E., et al. Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars investigation and data set from the Mars Reconnaissance Orbiter’s primary science phase // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. P. E00D07–+, doi:10.1029/2009JE003344.

Mustard J.F., Murchie S.L., Pelkey S.M., Ehlmann B.L.; Milliken R.E., et al. Hydrated silicate minerals on Mars observed by the Mars Reconnaissance Orbiter CRISM instrument // Nature. 2008. V. 454, P. 305–309.

Owen T., Maillard J.P., de Bergh C., Lutz B.L. Deuterium on Mars: the Abundance of HDO and the Value of D/H // Science. 1988. V.240, P. 1767–1770.

Persky M.J. A review of space borne infrared Fourier transform spectrometers for remote sensing // Rew. Sci. Instrum. 1995. V. 66. P. 4763-4797.

Poulet F., Bibring J.-P., Mustard, J.F., et al. Phyllosilicates on Mars and implications for early martian climate // Nature. 2005. V. 438, P.623-627.

Ruff S.W., Christensen P.R. Bright and dark regions on Mars: Particle size and mineralogical characteristics based on Thermal Emission Spectrometer data // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N. E12, 5127, doi:10.1029/2001JE001580.

Salisbury J.W., Walter L.W. Thermal infrared (2.5-13.5 µm) spectroscopic remote sensing of igneous rock types on particulate planetary surfaces // J. Geophys. Res. 1989. V.94, P. 9192-9202.

Salisbury J. W. Mid- infrared spectroscopy: Laboratory data, In: Pieters C.M., Englert P.A.J. (eds.), Remote geochemical analysis: Elemental and mineralogical composition, Cambridge University Press. 1993. P. 79-98.

Santee M. and Crisp D. Thermal structure and dust loading of the Martian atmosphere during late southern summer: Mariner 9 revisited // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 3261-3279.

Smith M.D. Interannual variability in TES atmospheric observations of Mars during 1999–2003 // Icarus. 2004. V. 167. P. 148–165.

Smith, M.D., Wolff, M.J., Spanovich, N., Ghosh, A., Banfield, D., Christensen, P.R., Landis, G.A., Squyres, S.W. One Martian year of atmospheric observations using MER Mini-TES// J. Geophys. Res. 2006. V. 111, E12, CiteID E12S13.

Zasova L.V., Grassi D., Formisano V., Maturilli A. The Martian atmosphere in the region of the great volcanoes: Mariner 9 IRIS data revisited // Planet. and Space Sci. 2001. V. 49. N 9. P. 977-992.

Zasova L.V., Formisano V., Grassi D. et al. Martian winter atmosphere at north high latitudes: Mariner 9 IRIS data revisited // Adv. Space Res. 2002. V. 29. N 2. P. 151–156.

Zasova L.V., Formisano V., Grassi D. et al. Thermal structure of the Martian atmosphere retrieved from the IR spectrometry in the 15 μm CO2 band: input to MIRA // Adv. Space Res. 2005a. V. 35. N 1. P. 8-13.

Zasova L.V., Formisano V., Moroz V.I. et al. Water clouds and dust aerosols observations with PFS MEX at Mars // Planet. and Space Sci. 2005b. V. 53. N 10. P. 1065-1077.

Таблица 1 Режимы работы и основные параметры прибора АОСТ



Режим измерений

Солнечные затмения

Атмосфера

Поверхность

Рабочая область спектра, мкм

2.5÷20

6÷25

2.5÷25

Угол поля зрения

2.5°

Геометрический фактор, м2ср

4.4∙10-7

Размер наблюдаемой области

Диск солнца

0.35°


на Марсе

(в надир)

290 км


на Фобосе

(в надир)

2.2 км


Максимальная оптическая разность хода от среднего положения, см

1.1

0.55

0.14

Спектральное разрешение, см-1

0.9

2

7

Длительность измерения, с

5

50

50

Сигнал/шум

100÷500

10÷500

10÷500

Число точек в интерферограмме

16384

8192

2048

Информативность, кбайт

18

9

2.2

Масса, кг

4.1

Энергопотребление, Вт,

не более дежурный режим

режим измерения

3

10





Рис. 1. Оценки значения отношения С/Ш, полученные для различных режимов наблюдений в зависимости от длины волны, принимая во внимание излучение объекта и характеристики спектрометра в соответствии с Табл.1. Фобос и Марс – наблюдения Фобоса и Марса, соответственно, в режиме «Поверхность»; Атмосфера – наблюдения Марса в режиме «Атмосфера». Альбедо Фобоса принято равным 0.05; альбедо Марса – по данным Erard, Clavin (1997) и Ruff, Christensen (2002), среднее между темными и светлыми областями. Для режима «Солнечные затмения» яркость источника оценивается излучением черного тела с температурой 5700 K. Атмосфера Марса не учитывалась. Мы принимаем, что на участках спектра, для которых расчетный С/Ш превосходит 500, будет доминировать какая-либо другая помеха.




Рис. 2. Синтетические спектры солнечного излучения, прошедшего сквозь атмосферу Марса при расстоянии от линии визирования центра Солнца до поверхности планеты (минимальная высота линии визирования) 10 км и спектральном разрешении 0.9 см-1. Пунктирная кривая – пары воды H2O (300 ppm), сплошная – метан CH4 (10 ppb).



Рис. 3. Яркостная температура Марса в области собственного излучения, рассчитанная с разрешением 2 см-1 на экваторе в полдень: 1 – при отсутствии пыли в атмосфере, долгота Солнца Ls=15°; 2 – оптическая толщина пыли равна 0.5 на волновом числе 1075 см-1, Ls=285°. Пыль меняет форму спектра в областях 400 см-1, 1075 см-1, 1650 cм-1. Показано положение полос поглощения СО2 и Н2О.


Рис. 4. Интенсивность солнечного излучения отраженного от Марса, рассчитанная при тех же предположениях как на рис. 2: 1 – местное время (МВ) = 12 ч и 2 – МВ = 0 ч, и в присутствии пыли с τ = 0.5: 3 – МВ = 12 ч и 4 – МВ = 0 ч. Показаны основные полосы поглощения СО2 (глубокие провалы в районе 2300, 3600 и 3700 см-1), СО и Н2О.

Рис. 5. Интенсивность собственного излучения Марса, рассчитанная для чистой атмосферы: 1 – местное время LT = 12 h и 2 – LT = 0 h, и в присутствии пыли с τ = 0.5: 3 – LT = 12 h и 4 – LT = 0 h. Звездочками показаны теоретические значения шума прибора для единичного спектра.




Рис. 6. Общий вид прибора АОСТ, обшитого ЭВТИ. 1 – базовый модуль, 2 – оптический модуль, 3 – головка наведения, 4 – АЧТ (калибровочный источник), 5 - радиатор, 6 - экран радиатора.


Рис. 7. Оптический модуль АОСТ с установленными узлом интерферометра и головкой наведения. 1 – интерферометр, 2 – лазерный диод, 3 – механизм вращения головки, 4 – механизм вращения оптического модуля, 5 – радиометр (телескоп Кассегрена с пиродетектором).
Список для перевода на английский язык

АОСТ

AOST

Сан-Квентан эн Эвлин

Saint-Quentin en Yvelines

Мюнстер

Muenster

Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный

Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Dolgoprudny

двойной маятник

double pendulum

интерферограмма

interferogram

линия визирования

boresight

линза Фабри

field lens

отношение сигнал/шум

signal to noise ratio

головка наведения

головка


aiming head

полоса поглощения

полоса


absorption band

полый зеркальный триэдр (уголковый отражатель)

hollow retroreflector

предел обнаружения

порог обнаружения



detection threshold

светоделитель

beam splitter

танталат лития

Lithium tantalate

Фобос-Грунт

Phobos Sample Return

ПЛИС

PLD

Марс-96

Mars 96

элайзинг

aliasing

фурье-спектрометр

Fourier transform spectrometer

экранно-вакуумная теплоизоляция

ЭВТИ


multilayer insulation

MLI


АЧТ

blackbody source

Список фамилий для перевода

О. И. Кораблёв

O. I. Korablev

А. В. Григорьев

A. V. Grigoriev

Б. Е. Мошкин

B. E. Moshkin

Л. В. Засова

L. V. Zasova

А. А. Фёдорова

A. A. Fedorova

Ф. Монмесан

Franck Montmessin

Ж. Беллуччи

Giancarlo Bellucci

M. Джуранна

Marco Giuranna

А. Б. Гвоздев

A. B. Gvozdev

В. Н. Шашкин

V. N. Shashkin

Д. В.Пацаев

D. V. Patsaev

В. С. Макаров

V. S. Makarov

С. В. Максименко

S. V. Maksimenko

Г. Арнольд

Gabriele Arnold

А. В. Шакун

A. V. Shakun

Н. И. Игнатьев

N. I. Ignatiev

И. В. Хатунцев

I. V. Khatuntsev

А. И. Терентьев

A. I. Terentiev

А. В. Жарков

A.V. Zharkov

Б. С. Майоров

B. S. Mayorov

Ю. В. Никольский

Y. V. Nikolsky

Р. О. Кузьмин

R. O. Kuzmin

А. В. Родин

A. V. Rodin

Каталог: upload -> medialibrary
medialibrary -> Государственное учреждение здравоохранения «ульяновская областная детская клиническая больница имени политического и общественного деятеля ю. Ф. Горячева» прика з
medialibrary -> Государственное учреждение здравоохранения «ульяновская областная детская клиническая больница имени политического и общественного деятеля ю. Ф. Горячева» прика з
medialibrary -> «Отечеству полезным быть!»: страницы истории Царскосельского Императорского лицея (1811)


Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет