Тема: ПЕРЕНОС ИЗЛУЧЕНИЯ В 4,3 МКМ ПОЛОСЕ МОЛЕКУЛ CO2 В ДНЕВНОЙ АТМОСФЕРЕ МАРСА

Марс, четвертая планета земной группы, является самой изучаемой на сегодняшний день планетой Солнечной системы (после Земли). По современным представлениям, эволюция климата на Марсе происходила более ускоренно, чем на Земле. Перспектива применения знаний, накопленных в процессе изучения изменений климата Марса и вызвавших их причин, при прогнозировании будущего нашей планеты делает актуальными разносторонние исследования Марса.
С 1960 гг. к Марсу направлялись первые межпланетные станции, и были получены данные сначала с пролётных траекторий, а затем с орбит планеты. Марсианские миссии позволили значительно расширить наши знания о структуре и эволюции этой планеты, в том числе её атмосферы.
Современные исследования включают в себя обширную систему наблюдений с помощью наземных телескопов, радиотелескопов и космических аппаратов (КА) и характеризуются широким спектральным диапазоном регистрируемых электромагнитных волн и высокой точностью.
В настоящее время наблюдения ведут шесть КА на орбитах Марса и два марсохода на поверхности. Подробно исследуется атмосфера и её параметры (измерения интенсивности излучения в различных областях спектра, радиолокация, исследования химического состава и т.д.), химический состав поверхности и её физические свойства (минералогия, химия, термическая инерция и плотность).
В силу сложности задачи доставки и обеспечения функционирования приборов в ходе космических миссий к другим планетам, а также потребностью в получении максимально большого объёма полезной научной информации, к приборам, размещаемым на КА, предъявляются очень серьёзные требования. Такие приборы должны сочетать следующие качества: компактность, лёгкость, высокие спектральное разрешение и чувствительность. Хотя современные приборы, исследующие атмосферу Земли, имеют спектральное разрешение0,03 – 0,1 см-1, величины спектрального разрешения 2 – 5 см-1, которые достигнуты для приборов, изучающих Марс, считаются высокими по причине жёстких ограничений при транспортировке.
С начала ⅩⅪ века одной из наиболее успешных миссий к Марсу был полёт КА «Марс-Экспресс», разработанного Европейским космическим агентством при участии российских ученых из Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) [1].В частности, в коротковолновом канале планетарного фурье-спектрометра (PFS), находящегося на борту КА «Марс-Экспресс» в числе шести научных приборов, с высоким разрешением (порядка 1,3 см-1) были зарегистрированы спектры инфракрасного (ИК) излучения на лимбе (касательная геометрия измерений) дневной атмосферы Марса в диапазоне 4,3 мкм полосы молекулы CO2.
Для изучения средних и верхних слоев атмосферы Марса (60 – 130 км) лимбовые измерения интенсивности излучения в полосе 4,3 мкм молекул CO2 представляют особый интерес, поскольку являются источником информации о плотности и тепловой структуре соответствующих слоев. Другими словами, мы имеем дело с важной обратной задачей атмосферной оптики по извлечению из измеренных спектров информации о термодинамических свойствах исследуемой среды.
Сильная дневная эмиссия в полосе 4,3 мкм, измеренная PFS, формируется в условиях нарушения локального термодинамического равновесия (ЛТР). Поэтому спектры этого излучения на трассах с прицельными высотами, большими 90 км, не могут быть интерпретированы без привлечения моделей, учитывающих отклонение от ЛТР. В такие модели наряду с радиационными процессами должны включаться также разнообразные столкновительные процессы обмена энергией возбуждения по внутренним степеням свободы молекулы CO2: колебательно-колебательный обмен (V-V), колебательно-поступательный (V-T), вращательно-поступательный (R-T) и т.д.[2, 3].
В работах [2, 3] учитывалась возможность нарушения ЛТР только по колебательным степеням свободы молекул CO2 (колебательное не-ЛТР). Начиная с 1980 гг. было опубликовано несколько работ, посвященных проблеме учёта отклонения от ЛТР так же и по вращательным степеням свободы (вращательное не-ЛТР). Сейчас, с появлением спутниковых данных, которые позволяют наблюдать отдельные линии (или их группы) на спектрах, эта задача вновь стала актуальной. В недавней работе [4] показано, что для более адекватной интерпретации спектров лимбового излучения дневной атмосферы Марса нужно учитывать вращательное не-ЛТР.
Моделирование вращательного не-ЛТР является сложной задачей, которая, в частности, требует привлечения моделей для учётаR-Tпроцессов. Поэтому анализ предыдущих моделейR-T процессов и сравнение их с более новыми– необходимое и важное исследование для решения проблемы учёта вращательного не-ЛТР. Задача настоящей работы состоит в реализации трёх различных моделей R-T процессов и исследовании рассчитанных по этим моделям констант скоростей столкновительных процессов с целью их сравнения и анализа.

Купить

Данную работу можно рассматривать как важный этап в исследованиях проблемы учёта вращательного не-ЛТР при моделировании переноса излучения в полосах молекул CO2в верхней атмосфере Марса.
Были получены следующие основные результаты.
Проведён анализ предыдущих и современных исследований по проблеме учёта не-ЛТР (колебательного и вращательного) в моделях ПИ в атмосфере Марса. Сделан вывод об особой важности адекватного моделирования вращательной структуры констант скоростей R-Tпроцессов.
Проведён сбор сведений об имеющихся в научной литературе трёх моделях для констант скоростей k_(jj^' ) и выполнена их программная реализация.
Проведены серии расчётов величинk_(jj^' ) для температур, характерных для верхней атмосферы Марса, и выполнен анализ чувствительности этих величин от различных входных и внутренних параметров.
Проведено сравнение величин k_(jj^' ) для трёх моделей и выполнен анализ с точки зрения их пригодности для задачи ПИ в полосах молекулы CO2в атмосфере Марса при учёте вращательного не-ЛТР (наряду с колебательным не-ЛТР). Сделаны выводы о наличии физической противоречивости в модели KHM, ранее уже использовавшейся для решения этой задачи.

Купить