Высотные профили плотности СО2 и температуры атмосферы Марса: первые результаты солнечного просвечивания ACS с борта КА ExoMars/TGO

Комплекс российских инфракрасных спектрометров АЦС (ACS – Atmospheric Chemistry Suite) начал выполнение научной программы на орбите около Марса в апреле 2018 года с борта аппарата TGO (Trace Gas Orbiter) в рамках российско-европейской миссии ЭкзоМарс. Канал среднего ИК диапазона, ACS-MIR, представляет собой эшелле-спектрометр высокого разрешения со скрещенной дисперсией [1] и предназначен для эксперимента по солнечному просвечиванию атмосферы в области спектра от 2.3 до 4.3 мкм. Рекордная разрешающая способность λ/Δλ~50000 при соотношении сигнал/шум ~3000 обеспечивает беспрецедентно высокую чувствительность измерений содержания малых газовых составляющих в спектрах пропускания атмосферы Марса. С другой стороны, спектрометр позволяет зондировать крайне тонкие слои марсианской термосферы, вплоть до высот 200 км, в сильных полосах поглощения СО2 – 2.7 и 4.3 мкм. Это дает возможность детально изучать плотность, шкалу высот и температуру термосферы Марса.
В данной работе мы представляем первые результаты восстановления высотных профилей плотности СО2 и температуры атмосферы, полученные в режиме солнечного просвечивания спектрометром ACS-MIR. Статистика наблюдений насчитывает от одного до нескольких сеансов затмения в день, как восходов, так и заходов, в обоих полушариях планеты. Каждый сеанс просвечивания посвящен измерениям в одном из 10 положений вторичной дифракционной решетки, что соответствует спектральному интервалу 0.1-0.3 мкм. Например, в положении №4 спектрометр чувствителен в поглощению атмосферы в диапазоне длин волн от 2.65 до 2.77 мкм, и это позволяет одновременно восстановить высотные профили содержания для трех молекул: CO2, H2O и HDO. В зависимости от силы линий поглощения и их зависимости от температуры тот или иной спектральный диапазон служит для восстановления на разных высотах атмосферы. Так, порядок дифракции №141 в положении №9 попадает на сильную полосу СО2 4.3 мкм и соответствует восстановлению на высотах 80-200 км, порядок №190, положение №12 (более слабая полоса около 3.15 мкм) – на нижних высотах от 5 до 80 км. Следует отметить, что канал ACS-MIR помимо основного изотопа углекислого газа 16O12C16O, регистрирует поглощение других его изотопов (16O12C18O, 16O13C16O), что позволяет изучать изотопные соотношения кислорода 16O/18O и углерода 12C/13C на Марсе.
Плотность и температура атмосферы также восстанавливаются в аналогичных сеансах солнечного просвечивания другими спектрометрическими каналами прибора ACS: по полосам поглощения СО2 в ближнем ИК диапазоне спектра (спектрометр ACS-NIR, 0.65-1.7 мкм), и Фурье-спектрометром теплового ИК диапазона (ACS-TIRVIM, 2-17 мкм). Для анализа точности измерений проводится валидация результатов между всеми тремя каналами.