Перенос излучения в 4.3 мкм полосе молекул CO2 в дневной атмосфере Марса
Проведён анализ предыдущих и современных исследований по проблеме учёта нарушения ЛТР (по колебательным и по вращательным степеням свободы молекулы СО2) в моделях переноса излучения в атмосфере Марса. Реализованы три различные модели для столкновительных R-T процессов и исследованы рассчитанные по этим моделям константы скоростей процессов. Проведено сравнение этих констант и анализ их возможного влияния на оценки величин неравновесных населенностей колебательно-вращательных уровней молекул CO2 в задаче переноса излучения в 4,3 мкм полосе в атмосфере Марса. Серии расчётов величин констант скоростей R-T процессов проведены для температур, характерных для верхней атмосферы Марса. Выполнен анализ чувствительности этих величин от различных входных и внутренних параметров.
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 разрешение 0,03 – 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 учёта R-T процессов. Поэтому анализ предыдущих моделей R-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.
Данную работу можно рассматривать как важный этап в исследованиях проблемы учёта вращательного не-ЛТР при моделировании переноса излучения в полосах молекул CO2 в 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-T процессов.
Проведён сбор сведений об имеющихся в научной литературе трёх моделях для констант скоростей и выполнена их программная реализация.
Проведены серии расчётов величин для температур, характерных для верхней атмосферы Марса, и выполнен анализ чувствительности этих величин от различных входных и внутренних параметров.
Проведено сравнение величин для трёх моделей и выполнен анализ с точки зрения их пригодности для задачи ПИ в полосах молекулы CO2 в 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.
1Formisano, V., Angrilli, F., Arnold, G., Atreya, S., Bianchini, G., Biondi, D., Blanco, A., Blecka, M. I., Coradini, A., Colangeli, L., Ekonomov, A., Esposito, F., Fonti, S., Giuranna, M., Grassi, D., Gnedykh, V., Grigoriev, A., Hansen, G., Hirsh, H., Khatuntsev, I., Kiselev, A., Ignatiev, N., Jurewicz, A., Lellouch, E., Lopez Moreno, J., Marten, A., Mattana, A., Maturilli, A., Mencarelli, E., Michalska, M., Moroz, V., Moshkin, B., Nespoli, F., Nikolsky, Y., Orfei, R., Orleanski, P., Orofino, V., Palomba, E., Patsaev, D., Piccioni, G., Rataj, M., Rodrigo, R., Rodriguez, J., Rossi, M., Saggin, B., Titov, D., and Zasova, L.: The Planetary Fourier Spectrometer (PFS) onboard the European Mars Express mission, Planet. Space Sci., 53, 963–974, doi:10.1016/j.pss.2004.12.006, 2005.
2López-Valverde, M. A., López-Puertas, M., Funke, B., Gilli, G., Garcia Comas, M., Drossart, P., Piccioni, G., and Formisano, V.: Modeling the atmospheric limb emission of CO 2 at 4.3 μm in the terrestrial planets, Planet. Space Sci., 59, 988–998, doi:10.1016/j.pss.2010.02.001, 2011.
3López-Valverde, M. A., Sonnabend, G., Sornig, M., and Kroetz, P.: Modelling the atmospheric CO2 10-μm non-thermal emission in Mars and Venus at high spectral resolution, Planet. Space Sci., 59, 99–1009, doi:10.1016/j.pss.2010.11.011, 2011.
4Kutepov A. A., L. Rezac, and A. G. Feofilov, “Evidence of a significant rotational non-LTE effect in the CO2 4.3 um PFS-MEX limb spectra”, Atmos. Meas. Techn. 10, 265-271, doi: 10.5194/amt-2016-188, (2017)
5 Швед Г.М. Перенос излучения в колебательно-вращательных полосах линейных молекул при нарушении локального термодинамического равновесия. Астрономический Журнал, 51, № 4, с.841, 1974
6 Kutepov, A. A., Hummer, D. G., and Moore, C. B.: Rotational relaxation of the 0001 level of CO2 including radiative transfer in the 4.3µm 5 band of planetary atmospheres, J. Quant. Spectrosc. Rad. Transfer, 34, 101–114, 1985.
7 Ogibalov, V.P., Kutepov, A.A. Radiative transfer in the CO2 λ 4.3-µm band in the Atmospheres of Venus and Mars with violation of vibrational and rotational LTE (1989) Kinematika Fiz. Nebesnykh Tel, 5 (4), pp. 27-37.
8 Огибалов В.П., Кутепов А.А. Перенос излучения в полосе С02 А 4.3 мкм в атмосферах Венеры и Марса при нарушении колебательного и вращательного ЛТР// Кинемат. и физика небесн. тел. 1989. Т. 5. № 4. С. 27-37.
9 Степанова Г. И., Швед Г. М. Перенос излучения в полосах 4,3 мкм CO2 и 4,7мкм СО в атмосферах Венеры и Марса при нарушении ЛТР. Населённости колебательных состояний// Астрономич. журн. 1985. Т. 62, Вып. 4. С. 719–730.
10 A.A. Kutepov, O.A.Gusev, V.P.Ogibalov Solution of the non-LTE problem for molecular gas in planetary atmospheres: superiority of accelerated lambda iteration// J. Quant. Spectrosc. Rad. Transfer V. 60, I. 2, P. 199-220, 1998.
11 Огибалов, В. П., Швед, Г. М. Усовершенствованная модель переноса излучения при нарушении ЛТР в БИК-полосах молекул СО2 и СО в дневной атмосфере Марса. 1. Исходные данные и метод расчёта. // Астрон. вестн., 50(5), 336-348, 2016.
12 Швед, Г. М., Огибалов, В. П. Усовершенствованная модель переноса излучения при нарушении ЛТР в БИК-полосах молекул СО2 и СО в дневной атмосфере Марса. 2. Населённость колебательных состояний молекул. // Астрон. вестн., 51(5), 404-416, 2017.
13 Lavorel B., Millot G., Saint-Loup R., Berger H., Bonamy L., Bonamy J., Robert D. Study of collisional effects on band shapes of the ν1/2ν2 Fermi dyad in CO2 gas with simulated Raman spectroscopy. I. Rotational and vibrational relaxation in the 2ν2 band // J. Chem. Phys. 1990. V. 93. No. 4. P. 2176–2184.
14 Bonamy L., Bonamy J., Robert D., Lavorel B., Saint‐Loup R., Chaux R., Santos J., Berger H. Rotationally inelastic rates for N2–N2 system from a scaling theoretical analysis of the stimulated Raman Q branch // J. Chem. Phys. 1988. V. 89. No. 9. P. 5568–5577.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.7 (96 отзывов)
4 (15 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.8 (13 отзывов)
5 (154 отзыва)
4.9 (5 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
5 (1241 отзыв)
4.8 (211 отзывов)
