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

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 проекта 19-72-10144

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

Руководитель Малахов Алексей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

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

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 слова Марс, нейтрон, ядерная планетология, вода, водород, планетные исследования

Код ГРНТИ89.51.25

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.31857/S0320010820060078

2. 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)
10.1016/j.icarus.2021.114805

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)
10.1016/j.icarus.2020.114264

4. 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)

5. 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)
10.1029/2022JE007258

Публикации