КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-72-10144

НазваниеИсследование распределения содержания воды в приповерхностном грунте Марса по данным эксперимента ФРЕНД миссии ЭкзоМарс

РуководительМалахов Алексей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2019 - 06.2022

, продлен на 07.2022 - 06.2024. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-703 - Солнце и Солнечная система

Ключевые словаМарс, нейтрон, ядерная планетология, вода, водород, планетные исследования

Код ГРНТИ89.51.25

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Здесь и далее в тексте заявки ссылки на литературу см. Дополнительный материал №1. Первые карты эмиссии нейтронов с поверхности Марса были получены с использованием данных нейтронных детекторов HEND (от англ. High Energy Neutron Detector, см. например [1]) и MONS (от англ. Mars Odyssey Neutron Spectrometer, [2]), работающих на борту космического аппарата (КА) НАСА Mars Odyssey. Результаты нейтронного картографирования показали хорошее согласие данных этих двух независимых экспериментов. По общему мнению, водород в грунте Марса входит в молекулы воды. Поэтому на основании полученных результатов было обнаружено не ожидавшееся ранее высокое содержание воды в марсианском грунте: оно составляет около 10 весовых процентов в экваториальных районах Аrabia и Memnonia и увеличивается до десятков весовых процентов на широтах около 60° и выше (см. там же). Этот результат был также подтвержден данными гамма-спектрометра GRS, установленного на том же космическом аппарате [3]. Вода в марсианском грунте может быть либо химически связанной, в минералах реголита, она может быть в форме многомолекулярных слоёв на поверхности частичек грунта, или в виде чистого водяного льда в порах грунта. Однако, не удалось провести детальное сопоставление районов, богатых водой, с особенностями марсианского рельефа. Все приборы миссии Mars Odyssey были всенаправленными, а их пространственное разрешение для излучения нейтронов и гамма-излучения определялось высотой орбиты КА. Предполагается, что для высоты орбиты КА Mars Odyssey в 400 км пространственное разрешение на поверхности составляет около 600 км [4]. Это слишком много, чтобы сопоставить вариации нейтронного излучения и локальные особенности ландшафта. Например, в настоящее время марсоход Curiosity изучает дно экваториального кратера Гейла, а активный нейтронный спектрометр DAN на его борту (от англ. Dynamic Albedo of Neutrons) измеряет содержание воды в грунте (Mitrofanov et al., Dynamic Albedo of Neutrons (DAN) Experiment Onboard NASA's Mars Science Laboratory, SSR, 2012). Интересно, что наиболее вероятное содержание воды в грунте в этом кратере и его окрестностях составляет около 4–5 весовых процентов по данным орбитальных измерений прибора HEND (Mitrofanov et al., Soil Water Content on Mars as Estimated from Neutron Measurements by the HEND Instrument Onboard the 2001 Mars Odyssey Spacecraft, SSR, 2004; Maurice et al., Mars Odyssey neutron data: 1. Data processing and models of water‐equivalent‐hydrogen distribution, JGR, 2011) и около 2–3 весовых процентов по данным измерений прибора DAN на поверхности (напр. Litvak et al., Local variations of bulk hydrogen and chlorine-equivalent neutron absorption content measured at the contact between the Sheepbed and Gillespie Lake units in Yellowknife Bay, Gale Crater, using the DAN instrument onboard Curiosity, JGR, 2014). Причина такой разницы неизвестна, и основной проблемой, с которой приходится сталкиваться, является разное пространственное разрешение указанных экспериментов: около 600 км для орбитальных приборов типа HEND и около 20 км (полный пройденный путь марсоходом) для DAN. Диаметр кратера Гейла составляет около 154 км, поэтому для решения описанного выше несоответствия, необходимо картографировать нейтронное излучение с разрешением, намного лучшим, чем масштаб порядка нескольких сотен километров. Многие проблемы, стоящие перед учеными, изучающими современный Марс и его эволюцию, требуют информацию о распределении связанной воды и подповерхностного льда с разрешением в десятки километров и выше. Еще одной причиной, требующей повышения пространственного разрешения имеющихся в настоящее время результатов нейтронного и гамма-картографирования воды, является то, что указанное выше разрешение совершенно недостаточно для выбора мест посадки будущих марсианских экспедиций. В связи с этим, в рамках работ по предлагаемому Проекту, предлагается осуществить детальную научную обработку данных измерений прибора ФРЕНД (от англ. Fine Resolution Epithermal Neutron Detector, FREND), установленного на КА ТГО (от англ. Trace Gas Orbiter) и являющегося частью Российско-Европейской миссии ЭкзоМарс. Уникальной особенностью прибора ФРЕНД является то, что его устройство позволяет регистрировать поток нейтронов с высоким пространственным разрешением, которое для высоты орбиты 400 км соответствует области диаметром 60-200 км на поверхности [8]. Такая возможность обеспечивается модулем нейтронной коллимации прибора (описана в той же статье). Подобная техника нейтронной коллимации уже используется в конструкции нейтронного телескопа LEND, который успешно работает на борту Лунного разведывательного орбитального аппарата НАСА (LRO) с 2009 года [9]. Анализ данных прибора LEND подтвердил способность коллимационного прибора измерять пространственную переменность потока эпитепловых нейтронов с высоким разрешением, определять содержание воды в локальных районах и сопоставлять его с мелкомасштабными особенностями рельефа. Таким образом, по нашему мнению, основная задача, предложенная в рамках данного Проекта – построение карт с высоким пространственным разрешением для распространённости связанной воды и водяного льда в приповерхностном грунте глубиной до 1 м по данным эксперимента ФРЕНД и сопоставление полученных результатов с локальными особенностями рельефа Марса и данными измерений других приборов (оптические и ИК спектрометры, радары и т.д.) – является актуальной (прибор ФРЕНД начал научные измерения в мае 2018 года и должен проработать минимум 2 земных года), а планируемые результаты (карты водорода/воды с высоким пространственным разрешением) будут безусловно содержать научную новизну.

Ожидаемые результаты
Основными результатами работ по данному проекту (детальнее описано далее в тексте заявки) являются карты распространения водорода / воды в приповерхностном грунте Марса на глубине до 1 м с высоким пространственным разрешением, до 60 км в отдельных областях. В настоящее время карт распространенности воды на Марсе с таким пространственным разрешением не существует (максимально доступное разрешение – порядка 600 км), что говорит о соответствии результата мировому уровню исследований. Мелкомасштабные карты крайне сильно востребованы как научным сообществом, так и населением в целом. Учёные смогут использовать полученные данные для объяснения истории формирования Марса и его климата, пояснить ряд геоморфологических и геохимических особенностей на поверхности в локальном масштабе, для которых современные данные о воде в грунте недостаточно точны. С другой стороны, общество в целом, правительственные космические агентства и частные компании, планирующие миссии на Марс, смогут использовать полученные карты как достоверный источник о наличии воды в неглубоком грунте в том или ином месте посадки, что сейчас недостижимо, т.к. районы посадки имеют характерный размер в несколько десятков километров, а современные карты воды – масштаб на порядок больше. Учитывая, что водород / вода – значимый ресурс для любой космической миссии, такие данные могут стать крайне востребованными обществом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках работы по Проекту в первом году выполнены следующие РАБОТЫ: - Созданы и применены на практике алгоритмы, позволяющие получить полный нейтронный темп счёта нейтронов на орбите Марса из «сырых» исходных данных прибора. Для этого исходные данные очищены от эффектов переменности, имеющих как техническую (нарастание эффективности после включения), так и физическую природу для реальных условий проведения эксперимента (влияние уровня галактических космических лучей, ГКЛ). Получена дорожка данных, содержащая только темп счёта нейтронов на орбите Марса. - Проведено разделение темпа счета на нейтроны «сигнала» от поверхности Марса и отсчеты «шума», которые возникают при взаимодействии ГКЛ со структурой аппарата. Применены алгоритмы, основанные на анализе данных на высокоэллиптических орбитах, вдали от Марса, и данных, полученных на круговой орбите во время научной фазы миссии. В результате получена дорожка нейтронных данных, содержащая профиль пространственной переменности темпа счёта нейтронов от Марса на научной круговой орбите. - Построена глобальная карта переменности отсчетов для нейтронного излучения поверхности Марса. - Выполнено сквозное численное моделирование эксперимента ФРЕНД для получения зависимости содержания воды в приповерхностном грунте от нейтронного темпа счета прибором ФРЕНД на орбите. - Построена глобальная карта массовой доли воды в веществе приповерхностного слоя Марса. На основе анализа первого варианта глобальной карты проведен поиск локальных районов с пониженным темпом счёта нейтронов, свидетельствующем о повышенном содержании воды в грунте. Таким образом, в ходе работ первого года получены следующие основные РЕЗУЛЬТАТЫ: - Получена глобальная карта переменности темпа счёта нейтронного излучения Марса. - Получена кривая соответствия нейтронного темпа счёта прибора ФРЕНД содержанию воды в грунте в измеряемой области Марса. - Получена глобальная карта распространенности массовой доли воды в приповерхностном слое вещества Марса. В экваториальном поясе планеты обнаружены несколько локальных районов с очень высоким содержанием воды в грунте.

Публикации

1. И. Митрофанов, А. Малахов, М. Дьяскова, В. Головин, М. Литвак, М. Мокроусов, А. Санин, Х. Сведхем, Л. Зелёный The evidence for unusually high hydrogen abundances in the central part of Valles Marineris on Mars Icarus, Volume 374, 1 March 2022, 114805 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114805

2. Малахов А. В., Митрофанов И. Г., Литвак М. Л., Санин А. Б., Головин Д. В., Дьячкова М. В., Никифоров С. Н., Аникин А. А., Лисов Д. И., Лукьянов Н. В., Мокроусов М. И. «Оазисы» льдистой вечной мерзлоты вблизи экватора Марса: нейтронное картографирование планеты по данным прибора ФРЕНД на борту спутника TGO российско-европейского проекта «ЭкзоМарс» Письма в астрономический журнал, том 46, № 6, стр. 435-450 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.31857/S0320010820060078

3. Семоква Й., Колева Р., Бенгин В. В., Дачев Ц., Матвичук Ю., Томов Б., Крастев К., Мальчев С., Димитров П., Банков Н., Митрофанов И. Г., Малахов А. В., Головин, Д. В., Мокроусов М. И., Санин А. Б., Литвак М. Л., Козырев А. С., Никифоров С. Н., Лисов Д.и др Results from radiation environment measurements aboard ExoMars Trace Gas Orbiter in Mars science orbit in May 2018 - December 2019 Icarus, том 361, год 2021, стр. 114264 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.icarus.2020.114264

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В соответствии с планом работ по проекту, во Втором году исследования проводилось в рамках двух основных ЗАДАЧ: - Задача (1): КАРТОГРАФИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ ГРУНТЕ МАРСА - Задача (2): АНАЛИЗ КАРТ ТЕМПА СЧЁТА НЕЙТРОНОВ И СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ ГРУНТЕ В рамках работ по Первой Задаче было выполнено уточнение алгоритма картографирования, при помощи которого будет исключен вклад нейтронов, регистрируемых прибором извне своего поля зрения. Прибор ФРЕНД – нейтронный телескоп, состоящий из детекторов и нейтронного коллиматора, отсекающего частицы, пришедшие извне поля зрения. Это позволяет достигать высокого пространственного разрешения. Однако этот коллиматор неидеален: порядка 10-20% нейтронов проникают сквозь его стенки и регистрируются детекторами. Для исключения этой компоненты из полного измеренного нейтронного темпа счета детекторов ФРЕНД был оценён нейтронный поток, падающий на стенки коллиматора прибора. Этот поток зависит от содержания воды в приповерхностном грунте в направлениях вне поля зрения, а также от степени поглощения нейтронного потока коллиматором в данном направлении в соответствии с измеренной во время наземных калибровок угловой зависимостью темпа счёта. При этом такая оценка проводится в каждом пикселе карты и для всех пикселов, окружающих текущий до горизонта. В результате разработан алгоритм, позволяющий уточнить оценку содержания воды в пикселах, он был использован для построения карт содержания воды Второго года Проекта. При работе по Второй Задаче была выявлена существенная зависимость темпа счета в детекторах ФРЕНД от толщины атмосферы Марса в точке под прибором. Так как данный эффект в значительной мере влияет на любой анализ карт прибора ФРЕНД, план работ Второго года был скорректирован и проведена работа по исключению влияния данного эффекта на карты ФРЕНД. Для этого сквозная численная модель прибора, созданная за Первый год работ по Проекту, была доработана: в неё добавлен ещё один свободный параметр – толщина атмосферы Марса. В результате численная модель позволила оценить ожидаемое содержание воды в грунте в зависимости от темпа счета детекторов ФРЕНД и от толщины атмосферы под ним. Численная модель ФРЕНД создана при помощи прикладного пакета Geant4, реализующего код Монте-Карло, широко применяемого в ядерной физике. Он позволяет симулировать ядерно-физические процессы в заданных условиях, но при этом требует существенных вычислительных ресурсов, т.к. отслеживает «жизнь» каждой элементарной частицы отдельно. В результате для использования обновлённой численной модели также необходимо было создать трёхмерную дискретную численную функцию, связывающую свободные параметры модели: содержание воды, толщину атмосферы и темп счета детекторов. Создание такой функции занимает значительное вычислительное время, даже с использованием высокопроизводительного компьютерного кластера. К концу Второго года проекта выполнено порядка 80% требуемых расчетов, оставшиеся 20% позволят нам улучшить дискретизацию наиболее чувствительных областей численной функции. Таким образом главными результатами Второго года проекта являются алгоритм, позволяющий уточнить оценку содержания воды в пикселах, и трёхмерная численная функция ФРЕНД, позволяющая учесть вклад толщины атмосферы Марса в данных прибора. Используя эти результаты удастся создать карты содержания воды, наиболее точно оценивающие содержание воды в грунте: как с точки зрения эффекта толщины атмосферы, так и с точки зрения исключения вклада нейтронов извне поля зрения. Работы Второго года заложили основательный фундамент для работ в завершающем третьем году проекта по анализу полученных карт, каталогизации областей с повышенным/пониженным содержании воды в грунте, корреляции карт с данными других экспериментов о марсианской поверхности.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Прибор ФРЕНД – нейтронный телескоп, позволяющий построение карт распространения воды в приповерхностном грунте Марса с высоким пространственным разрешением, до 200 км на пиксел, благодаря своему коллимационному модулю, ограничивающему поле зрения детекторов узким пятном непосредственно под космическим аппаратом. Это пространственное разрешение в три раза превышает разрешение карт предыдущих экспериментов, доступных на сегодняшний день. Основными результатами работы в рамках Проекта за Третий год можно назвать получение и всесторонний анализ карты распространения воды в приповерхностном грунте Марса. Карта была получена за два марсианских года работы прибора на орбите, с учетом сезонной переменности приполярных областей (исключены «зимние» периоды, когда поверхность марса у полюсов покрывается «сухой» углекислотой). Текущее пространственное разрешение этой карты составляет 600 км на пиксел и определено при помощи оптимального соотношения статистической обеспеченности измерений в каждом пикселе и сглаживающего фильтра, применяемого для построения такой карты. Проведен корреляционный анализ с аналогичной картой прибора ХЕНД на борту КА «Марс Одиссей», имеющей такое же пространственное разрешение, который показал что даже после применения к карте ФРЕНД сглаживающего фильтра с размером 600 км, превышающим теоретическое пространственное разрешение прибора (200 км), карта прибора ФРЕНД всё равно содержит большее количество структур и особенностей, которые ранее не были выявлены неколимированным прибором ХЕНД. Это объясняется отличиями в диаграмме направленностей приборов: основная часть сигнала, регистрируемая ФРЕНД собирается коллиматором из поля зрения прибора, тогда как ХЕНД собирает основную часть своего сигнала из областей на горизонте планеты. Повышение пространственного разрешения карт возможно путём продолжения измерений на орбите и повышения статистической обеспеченности в каждом пикселе карты. По полученной карте проведен поиск областей с повышенным содержанием воды в экваториальных областях планеты и составлен их каталог. Для каждой из области сделана оценка содержания воды в грунте, проведен корреляционный анализ с данными о рельефе, содержании гидратированных минералов в грунте для интерпретации полученных данных. Так как содержание воды в размере более 20 весовых процентов (или wt%, от weight percent) в экваториальных районах Марса должно обеспечиваться специальными геоморфологическими условиями (обычно вода на поверхности испаряется при характерных для экватора значениях температуры и атмосферного давления), то обнаруженные «оазисы» представляют особенный научный интерес. Эти результаты опубликованы в статье «High Resolution Map of Water in the Martian Regolith Observed by FREND Neutron Telescope Onboard ExoMars TGO» в журнале JGR: Planets (https://doi.org/10.1029/2022je007258). Отдельно стоит отметить возможное обнаружение по данным прибора ФРЕНД ледника в самом центре каньона Долины Маринер (Valles Marineris), где оценка содержания воды оценивается в 40 wt%. Этому результату посвящена отдельная статья «The evidence for unusually high hydrogen abundances in the central part of Valles Marineris on Mars» в журнале Icarus (https://doi.org/10.1016/J.ICARUS.2021.114805), а также ряд пресс-релизов: - https://rscf.ru/news/presidential-program/na-dne-marsianskogo-kanona/ - https://www.roscosmos.ru/33624/ - https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/ExoMars_discovers_hidden_water_in_Mars_Grand_Canyon - https://iki.cosmos.ru/news/na-dne-marsianskogo-kanona-dolina-marinera-mozhet-raspolagatsya-gigantskiy-lednik Кроме того, в рамках Проекта была разработана и валидирована процедура обработки данных прибора ФРЕНД, необходимая для построения как карт эпитепловых нейтронов (описанная выше), так и карт быстрых нейтронов на основании данных сцинтилляционного детектора прибора. Эта карта служит дополнительным источником информации о содержании воды в грунте и позволит в будущем составлять двуслойные модели содержания воды в приповерхностном грунте Марса. На текущем этапе составлена карта потока быстрых нейтронов, преобразование её в карту воды планируется продолжить в случае продления Проекта. Текущие результаты опубликованы в статье «Нейтронный телескоп ФРЕНД на борту спутника Trace Gas Orbiter миссии ЭкзоМарс: Первичная обработка данных орбитального картографирования поверхности Марса» в журнале Астрономический вестник (статья принята в печать).

Публикации

1. Малахов А. В., Митрофанов И. Г., Головин Д. В., Литвак М. Л., Санин А. Б., Дьячкова М. В., Лукьянов Н. В. High Resolution Map of Water in the Martian Regolith Observed by FREND Neutron Telescope Onboard ExoMars TGO Journal of Geophysical Research: Planets, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1029/2022JE007258

2. Малахов А. В., Митрофанов И. Г., Мокроусов М. И., Литвак М. Л., Санин А. Б., Головин Д. В., Дьячкова М. В., Никифоров С. Ю., Лукьянов Н. В. Нейтронный телескоп ФРЕНД на борту спутника Trace Gas Orbiter миссии ЭкзоМарс: Первичная обработка данных орбитального картографирования поверхности Марса АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК. ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ, - (год публикации - 2022)

3. - На дне марсианского каньона Долина Маринера может располагаться гигантский ледник РНФ, - (год публикации - )

4. - ExoMars discovers hidden water in Mars’ Grand Canyon Европейское Космическое Агентство, - (год публикации - )

5. - На дне марсианского каньона Долина Маринера может располагаться гигантский ледник Роскосмос, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
По нашему мнению, результаты, полученные в рамках настоящего Проекта, закладывают прочный научный и технологический задел как в области исследования Марса, так и Солнечной Системы в целом. Основными результатами работы по Проекту стали карты распространения воды в приповерхностном грунте Марса с высоким пространственным разрешением. Такие данные – бесценный ресурс как для понимания современного марсианского климата и его эволюции, так и для планирования будущих автоматических и пилотируемых миссий на красную планету. Знание районов с повышенным содержанием водорода, особенно в экваториальных областях, наиболее интересных для освоения, может стать значимым преимуществом в развитии космической техники. Необходимо помнить, что вода, регистрируемая прибором ФРЕНД содержится на глубине до 1 метра, то есть легко доступна будущим исследователям и является ценным ресурсом при будущем освоении планеты. Кроме того, прибор ФРЕНД – второй в своём роде коллимированный нейтронный детектор, после аналогичного прибора ЛЕНД на орбите Луны. Такие приборы способны исследовать и другие тела Солнечной системы, а наработки в части алгоритмов и методов обработки данных, полученные в ходе работ по данному Проекту легко адаптировать для таких будущих миссий и таким образом являются технологическим заделом.