Исследование термической структуры надоблачного слоя

ШКОЛА-СЕМИНАР «ПОЛЯРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В
АТМОСФЕРАХ ПЛАНЕТ»
Московский Физико-Технический Институт
(Государственный Университет) (1)
Лаборатория ИСПАВР
Институт космических исследований РАН (2)
Кафедра космической физики
Исследование термической структуры
верхних слоев атмосферы Венеры
Горинов Д.А., Засова Л.В., Игнатьев Н.И.
Апатиты 18.04.2013
Миссия «Венера-Экспресс»
Запущена: 2005 год
Околополярная
орбита:
Пери 250 km
Апо 66000 km
Период 24 h
VIRTIS: Изображающий спектрометр
3 канала:
VIRTIS-M Visible: 0.3 – 1 μm;
разрешение 1.9 nm
VIRTIS-M IR: 1 – 5 μm;
разрешение 16 nm;
Надирные и лимбовые
режимы
VIRTIS-H: 2 – 5 μm;
разрешение 0.6 nm
VIRTIS – гиперспектрометр, поэтому данные записываются и
представляются в виде 3D кубов, где 2 измерения – геометрические,
и 1 спектральное. Следовательно, каждый пиксель является
отдельным спектром.
Цели и задачи работы
Основная цель – исследование надоблачной части атмосферы
Венеры.
1) Исследование корреляции интенсивности свечения кислорода с
температурой в верхней мезосфере, используя данные надирных
наблюдений
2) Изучение надоблачной дымки (75-90 км), используя данные
лимбовых наблюдений
Атмосферная циркуляция и свечение кислорода
AS-SS циркуляция
O + O + CO2 --> O2* + CO2 + 5.17 eV - фотодиссоциация
a. O2* --> O2 + hv - de-excitation
b. O2* + M --> O2 + M - quenching
Вариации макс. интенсивности
свечения O2
66
108
82
φ ,S
40
50
60
RZS
Orbit 351
Распределение свечения кислорода,
усреднённые данные [Шакун и др., 2010]
Структура венерианской атмосферы
NO
airglow
airglow
1.27m
4.3
1e-005
Solar
thermal
reflected
radiation
radiation
15
10
25 m
0.3 - 4 m
Themosphere
4.3
120
1e-006
Planetary
NORTH
DAY
110
100
0.0001
2.3
80
Z, km
0.01
70
5
1.27
1.18
1 m
Main
cloud
deck
60
1
1.7
50
Tropopause
40
10
30
20
20
50
10
92
0
Troposphere
P, bar
Night emissions
90
0.001
0.1
Mesopause
Mesosphere
O2
0
200
400
T, K
Temperature,
K
600
800
Пример спектра ночной стороны
O2 + thermal
lower atm.
emission
Exposure time > 1 sec
4.3 μm / ~95 km
O2 + thermal
lower atm.
emission
Exposure time < 1 sec
4.3 μm / ~95 km
Корреляции кислорода и яркостной температуры
на примере 1 изображения
93_00-02
Thermal: ~4.29 μm
O2: 1.27 μm
Восстановленные данные [Grassi et. al.]
Comparison
max
Кислород [A. Shakun, 2011]
Newly-acquired thermal map
min
Глобальная карта яркостных температур
We used wavelength range 4.26 – 4.31 μm. Orbits 0 – 1100 (1270
images) have been calculated to create this map. Exposure time ~0.3
sec.
Глобальные вариации яркостных температур
Orbits 0-250
Orbits 500-1000
Термический прилив – объясняет ли он
данное явление?
T(p,f,Ls)= T0(p, f) + T1(p, f)cos(Ls +
φ1(p, f))+
+ T2(p,f)cos(2Ls + φ2(p, f)) +
+ T3(p,f)cos(3Ls + φ3(p, f)) +
+ T4(p,f)cos(4Ls + φ4(p, f))
[Засова Л.В., и др.,
данные аппарата
«Венера-15»]
Лимбовые наблюдения
76_18
2.3 μm
1.74 μm
4 μm
1.27 μm
При расстоянии до вертикали на лимбе, равном 15 000 км,
вертикальное разрешение в поле зрения VIRTIS cоставляет около 2.5 км.
Наблюдение надоблачной дымки
Haze
Характерная высота слоя колеблется
на высотах 77-85км над поверхностью.
FWHM ~ 3-4 км
Вертикальные профили (примеры),
показывающие наличие или отсутствие слоя
322
623
1.74
1.18
2.3
718
802
Надоблачная дымка и
моделирование (ARS(ML), VIRA)
«хороший» случай:
дымка не наблюдается,
модель почти
полностью
соответствует
измеренному профилю
(орб. 330)
Наличие слоя: модель
не соответствует
действительности на
высоте >75 км.
Необходимо вносить
изменения, изменяя
количество
аэрозольных частиц
(орб. 317)
Моделирование аэрозольных
частиц
Mode 2
Mode 1
Mode 2’
r1~0.1 um
Mode 3
r2~1 um
r2’~1.5 um
1.74 um
r3~4 um
extinction coeff.
Характер надоблачной дымки: мода 2?
Добавление
различных слоев
М2 (рис.1) при
моделировании
не дает искомое
локальное повышение
интенсивности (рис.2)
=> М2 не объясняет
данное явление
Характер надоблачной дымки: мода 1?
Однако при
добавлении частиц
М1 (рис.1) в
модельном профиле
сразу возникает
«слой» (рис.2)
 с помощью
фитирования
экспериментальных
профилей можно
определять кол-во
рассеивающих
частиц (также решая
обратную задачу)
Выводы
- Индивидуальные карты распределения кислорода показывают, что
максимум свечения может перемещаться в диапазоне локального времени
-4h - +4h. Сдвиг с антисолнечной точки к утренней стороне может быть
обусловлен суперпозицией SS-AS and RZS. Противоположный сдвиг и
симметричная картина пока не объяснены, возможно объяснение теорией
термических приливов.
- Тем не менее, карты O2 показывают сходство с картами яркостных
температур, со схожей картиной максимумов интенсивности
- А также минимумов интенсивности, что в целом указывает на
перемещение воздушных масс через терминаторы с дневной стороны.
- Имеют место глобальные вариации температуры с длительным течением
времени на высотах >90 км
- Слой надоблачной дымки на высоте ~80 км хорошо наблюдается на
большом количестве орбит, однако стандартная модель венерианской
атмосферы не согласуется с этими данными: необходимо вносить
изменения в параметры аэрозольных мод! (мода 1, а не 2; учёт широтной
зависимости
- Дальнейшая работа: 1) детальное изучение температурных вариаций,
выявление закономерностей;
2) Внесение изменений в текущую модель аэрозолей, «подгон» и расчёт
числа рассеивающих частиц
Спасибо за внимание!