Пределы обнаружения малых газовых составляющих атмосферы Марса по данным TIRVIM-ACS/ExoMars

Фурье-спектрометр TIRVIM комплекса Atmospheric Chemistry Suite (ACS) на борту ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) осуществлял мониторинг поверхности и атмосферы Марса в инфракрасном спектральном диапазоне 1,7–17 мкм [1] с апреля 2018 г. по декабрь 2019 г. Этот период составил почти 1 марсианский год: солнечные долготы (LS) 142-360° 34-го марсианского года (МГ) и 0-115° 35-го года. Прибор наблюдал в надир и в режиме солнечного просвечивания со спектральным разрешением от 0,2 до 1,2 1/см [1]. Основными задачами прибора были исследование распределения температуры и мониторинг аэрозолей в зависимости от времени, сезона и географического положения, а также малых газовых составляющих [1]. Спектральный диапазон TIRVIM охватывает полосы молекулярного поглощения газов, наблюдение за которыми может быть ключом к пониманию прошлого или настоящего Марса, геологических или вероятных биогенных процессов, а также для оценки окислительных свойств атмосферы. Три представляющие интерес молекулы имеют сильные полосы поглощения в тепловом диапазоне: озон (O3), перекись водорода (H2O2) и метан (CH4). Озон – газ с ярко выраженными сезонными вариациями, которые определяются круговоротом водяного пара на Марсе. Реакции с продуктами фотолиза H2O – механизм распада газов Ox-группы, а озон является одним из индикаторов содержания HOx молекул в атмосфере Марса. Перекись водорода - сильный окислитель, содержание которого тоже зависит от сезона, что показали наземные наблюдения и модели общей циркуляции [2]. Максимальное содержание 45 ppbv наблюдалось для LS 150-220° в Северном полушарии планеты. Различия между наблюдениями содержания метана в атмосфере у поверхности в кратере Гейла [3, 4] и открытием его отсутствия (предел обнаружения 20 pptv) выше 5 км широко обсуждаются в последние годы [5, 6].
В данной работе мы рассматриваем возможности спектрометра TIRVIM для обнаружения O3, H2O2 и CH4 в тепловом диапазоне 600-1500 1/см. В этом спектральном интервале уменьшается поглощение пылевыми частицами, что позволяет нам исследовать малые газовые составляющие, имеющие фундаментальное значение для фотохимии, вплоть до поверхности. Более того, H2O2 может наблюдаться c TGO только каналом TIRVIM комплекса ACS на длине волны 7,7 мкм (1280 1/см). Полоса CH4 на 7,7 мкм (1305 1/см) и тепловая полоса O3 с центром на 9,7 мкм (1042 1/см) дают возможность изучать газы на основе миллионов полученных спектров. Пределы обнаружения также устанавливаются для усредненных спектров, поскольку можно предположить, что доминирующие ошибки являются случайными. Усреднение позволяет увеличить значение отношения сигнал/шум, таким образом уменьшить пределы обнаружения. Установленные пределы обнаружения O3, H2O2 и CH4 для наблюдений в надир составляют 70, 80 и 100 ppbv. Наблюдения в режиме солнечного просвечивания снижают эти значения в ~2.5 раза. Усреднение спектров позволяет также достигнуть отношение сигнал/шум достаточное для наблюдения озона как в надир, так и в режиме солнечного просвечивания.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда №20-42-09035.