Моделирование лимбового излучения в колебательно-вращательных полосах молекул СО2 и СО в ближнем инфракрасном диапазоне при колебательном НЛТР с учётом рассеяния излучения на аэрозолях в атмосфере Марса

Аэрозоли постоянно присутствуют в протяжённом слое марсианской атмосферы и имеют значительную оптическую толщину в видимом и ближнем инфракрасном (БИК) спектральном диапазоне. Причина интереса к проблеме аэрозолей состоит в том, что марсианские аэрозоли во многом определяют освещённость поверхности и тепловой режим на планете, что в свою очередь контролирует глобальную циркуляцию атмосферы Марса, а значит, участвует в формировании климата Марса. Поэтому поиск новых независимых методов диагностики оптических свойств марсианских аэрозолей является актуальной и важной проблемой.

При этом надо иметь ввиду, что атмосфера Марса, состоящая на 95% из СО2, имеет сравнительно низкую плотность. Поэтому редкость молекулярных столкновений, с одной стороны, и высокая скорость возбуждения колебательных состояний молекул СО2 и СО при поглощении солнечного излучения в БИК спектральном диапазоне, с другой стороны, приводят к нарушению больцмановского распределения населённостей по колебательным степеням свободы этих молекул, т.е. имеет место колебательное НЛТР. Оптическая толщина марсианской атмосферы для различных колебательно-вращательных (К-В) радиационных переходов, которые надо учитывать в НЛТР модели для расчёта интенсивности излучения в БИК полосах СО2, варьирует в очень широком диапазоне. Например, для основной изотопической разновидности молекулы СО2 оптическая толщина в центре самой сильной линии фундаментальных переходов полос около 4.3, 2.7, 2.0, 1.6, 1.4, 1.25, 1.2 и 1.05 мкм составляет соответственно 2.3x10^8, 2.5x10^6, 4.4x10^4, 4.9 x10^2, 1.5 x10^3, 87.7, 34.5 и 1.75. Что касается второстепенных изотопических разновидностей молекулы СО2 и субординатных полос, вкладывающих в указанные полосы, то оптическая толщина в центре самой сильной линии колебательных радиационных переходов значительно меньше единицы, т.е. сравнима с оптической толщиной постоянно присутствующих в марсианской атмосфере аэрозолей.

В данной работе впервые решена проблема переноса излучения (ПИ) в атмосфере Марса в К‑В полосах молекул СО2 (полосы около 4.3, 2.7, 2.0, 1.6, 1.4, 1.25, 1.2 и 1.05 мкм) и СО (полосы СО около 4.7, 2.3, 1.6 и 1.2 мкм) при НЛТР по колебательным состояниям этих молекул с учётом поглощения и рассеяния излучения на аэрозолях. В модель включены 545 К-В переходов в диапазоне 1.05‑15 мкм, образующиеся между 206 колебательными состояниями 7 изотопических разновидностей молекулы СО2, и 10 К-В переходов, образующиеся между 8 колебательными состояниями 2 изотопов молекулы СО. На основе техники ускоренных лямбда-итераций разработан метод решения задачи ПИ в молекулярных полосах при колебательном НЛТР в планетной атмосфере с учётом перекрывания по частотам спектральных линий во всех включённых в модель К‑В переходах в диапазоне 1.05‑15 мкм, а также с учётом отражения излучения подстилающей поверхностью планеты. Этот метод также позволяет учитывать аэрозольное рассеяние и поглощение излучения на частотах линий К‑В переходов СО2 и СО.

Впервые проведены расчёты неравновесных населённостей возбуждённых колебательных состояний молекул СО2 и СО в дневной атмосфере Марса с аэрозольными моделями для набора их параметров, охватывающего вероятные для атмосферы Марса диапазоны. Выполнены расчёты спектров лимбового излучения атмосферы Марса в К-В полосах молекул СО2 и СО в БИК спектральном диапазоне при учёте процессов аэрозольного поглощения и рассеяния и проведён анализ их чувствительности к изменению различных оптических параметров аэрозольных моделей.

Наибольшая вариабельность величин интенсивности обнаруживается у относительно оптически тонких К-В переходов, толщина которых сравнима с оптической толщиной аэрозолей и которые не имеют значительного перекрывания с другими К-В переходами. Поэтому для коротковолновой части БИК диапазона предпочтительнее выбирать фундаментальные переходы основного изотопа СО2, а для диапазона от 2 до 5 мкм предпочтительнее выбирать фундаментальные переходы второго по распространённости изотопа, а также молекулы СО. Кроме того, неравновесные населённости колебательных состояний, которые являются верхними для таких К-В переходов, вплоть до достаточно низких высот в атмосфере Марса практически полностью определяются потоком солнечного излучения (как прямо прошедшего, так и испытавшего однократное рассеяние на аэрозолях) и поэтому с хорошей точностью могут быть оценены без необходимости решать всю громоздкую задачу переноса излучения. Последнее обстоятельство может оказаться ценным с точки зрения возможного развития новых методов восстановления оптических параметров аэрозолей из наблюдений приборами с высоким спектральным разрешением.