Климатология вертикальной структуры верхней атмосферы Марса: от мезосферы до термосферы

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 25-22-00494

НазваниеКлиматология вертикальной структуры верхней атмосферы Марса: от мезосферы до термосферы

Руководитель Беляев Денис Анатольевич, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Марс, атмосфера, климат, тепловая структура, спектроскопия, дистанционное зондирование

Код ГРНТИ41.19.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
В процессе выполнения проекта будут получены вертикально-разрешенные ряды данных по плотности, температуре, коэффициентам турбулентной и молекулярной диффузии за несколько лет наблюдений, охватывая различные климатические зоны на Марсе, как по сезонам, так и по широтам. Данные будут особенно важны для современных моделей, описывающих вертикальный перенос частиц из нижней в верхнюю атмосферу. 1)Высотные профили коэффициентов молекулярной и турбулентной диффузии на высотах 70-140 км. Данные коэффициенты учитываются в уравнениях переноса вещества, описывая вертикальный транспорт частиц между нижней и верхней атмосферой. Особую значимость представляет учет этих коэффициентов в современном моделировании процесса диссипации воды с Марса: сезонный подъем водяного пара до высот мезопаузы, фотолиз молекулы на высотах 80-100 км с последующим уходом атомарного водорода в ионосферу. 2)Сезонные и широтные вариации высоты гомопаузы, а также ее плотности и давления. Распределения позволят проследить, как расширяется атмосфера в вертикальном направлении в зависимости от полушария и сезона. Такие данные имеют практическое применение, например, при планировании маневров спускаемых модулей в атмосфере, а также операции аэроторможения орбитальных аппаратов в верхних слоях. 3)Сезонные и широтные вариации высоты мезопаузы, а также ее температуры и плотности СО2 в данном слое. Климатология слоя мезопаузы предусматривает образование экстремально холодных зон, иногда с условиями для формирования ледяных облаков (конденсации СО2). Такие условия возникают нерегулярно, закономерность их возникновения до сих пор не учтена в современных моделях верхней атмосферы Марса. 4)Сезонные и широтные вариации высоты диссипации атмосферных волн, их взаимосвязь с высотами и температурами мезопаузы и гомопаузы. Согласно существующим моделям циркуляции, внутрення гравитационная волна может служить генератором образования «холодных ячеек» в зоне мезопаузы. Мы планируем провести корреляционный анализ между параметрами волн и мезопаузы, чтобы проверить модели на экспериментальных данных. Результаты исследований будут опубликованы в 4 статьях в ведущих журналах в том числе из списка WoS и Scopus, таких как Icarus, а также российских журналах, таких как Астрономический Вестник. Будут предприняты необходимые меры по широкому освещению и популяризации наиболее ярких результатов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект посвящен получению и анализу вертикально-разрешенных рядов данных по плотности, температуре, коэффициентам турбулентной и молекулярной диффузии, а также параметрам внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере Марса. Охватываются несколько лет наблюдений в различных климатических зонах планеты, по сезонам и по широтам, на основе данных осуществляемого российского затменного эксперимента ACS с борта орбитального аппарата TGO/ExoMars. По сезонам статистика обработанных данных покрывает Марсианские годы с середины 34-го по конец 37-го (наблюдения с апреля 2018г. по октябрь 2024г.). Ниже представлены основные результаты проделанной нами работы по трем темам проекта в 2025г. : 1) По спектрам атмосферного пропускания, измеренным в полосе поглощения 2.7 мкм, восстановлены вертикальные профили плотности СО2 и температуры в рекордно широком диапазоне высот, от 10 до 180 км, охватывая области тропосферы, мезосферы и термосферы Марса. По полученным массивам данных, охватывающим 3 Марсианских года, были продемонстрированы сезонные вариации различных слоев температуры и плотности атмосферы. Например, высота мезопаузы с минимальными температурами ниже 120 К варьируется от 80-90 км во время южной зимы (холодная атмосфера сжимается) до 120-130 км во время южного лета (теплая атмосфера расширяется). 2) Высотное разрешение каждого вертикального профиля (1-2 км) позволило выявить вертикальные гравитационные волны в атмосфере с характерной длиной около 25-35 км и амплитудой 5-10 градусов. Показано, что основная активность волн по максимуму амплитуды приходится на высоты ~75-125 км, а выше ВГВ разрушаются. Также заметна увеличенная активность волн в период пылевых бурь. Кроме того, именно в области мезопаузы наблюдается корреляция между амплитудой колебаний температуры и резонансной частотой колебаний (так называемой частотой Брента-Вяйсяля), и антикорреляция со средней температурой. Мы делаем вывод, что в мезопаузе разрушение ВГВ обусловлено механизмом конвективной неустойчивости. 3) С помощью высотных профилей температуры и плотности СО2 были также получены вертикальные распределения коэффициентов молекулярной (СО2) и турбулентной диффузии. При вычислении коэффициента турбулентной диффузии нами был применен принципиально новый подход, при котором турбулентное перемешивание рассматривалось с учетом атмосферных гравитационных волн как механизма вертикального транспорта вещества. Этот коэффициент был оценен для высот, где происходит насыщение волн, 80-140 км. Показано, что, в среднем, в этом же диапазоне высот турбулентная диффузия приравнивается к молекулярной. Это указывает на переходный слой - турбопаузу, по-другому, гомопаузу - слой диффузионного разделения атмосферы. По полученным рядам данных в 2026 году будут установлены вариации высоты турбопаузы, ее температуры и плотности атмосферы. По результатам проведенных работ в 2025 году (помимо многочисленных докладов на конференциях) была опубликована одна статья в журнале квартиля Q2 и одна статья подготовлена к отправке в журнал Q3.

Публикации

1. - Vertical damping of gravity waves evaluated from ACS-TGO solar occultation measurements on Mars Frontiers in Astronomy and Space Sciences, Т. 12, с. 1672283 (год публикации - 2025)
10.3389/fspas.2025.1672283

2. Коссова Д.А., Беляев Д.А., Стариченко Е.Д. Исследование режимов диффузии в верхней атмосфере Марса по данным затменного эксперимента ACS Фундаментальные и прикладные космические исследования, ИКИ РАН, Сборник трудов XXII Конференции молодых учёных «Фундаментальные и прикладные космические исследования», стр. 220-231 (год публикации - 2025)
10.21046/KMU‑2025-220-231

3. Беляев Д.А., Стариченко Е.Д., Коссова Д.А., Федорова А.А., Трохимовский А.Ю., Кораблев О.И. Вариации слоя мезопаузы в атмосфере Марса по многолетним наблюдениям с орбиты ИКИ РАН, Материалы 23-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». XXIII.P.391, C. 473 (год публикации - 2025)
10.21046/23DZZconf-2025a

4. - Structure of the upper Martian atmosphere from the homopause to the CO2 exobase as observed by ACS/TGO ИКИ РАН, Abstract book THE SIXTEENTH MOSCOW SOLAR SYSTEM SYMPOSIUM 2025, 16MS3-MS-PS-06, pp. 68-71 (год публикации - 2025)
10.21046/16MS3-2025

5. Стариченко Е.Д., Беляев Д.А., Медведев А., Федорова А.А., Кораблев О.И., Трохимовский А. Активность гравитационных волн в марсианской атмосфере по данным эксперимента по солнечному просвечиванию ACS с борта аппарата ExoMars/TGO Санкт-Петербургский государственный университет, Сборник тезисов "Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД-2025)", ISARD-2025-dynamic002, с. 121-122 (год публикации - 2025)

6. Беляев Д.А., Стариченко Е.Д., Федорова А.А., Трохимовский А.Ю., Монтмессан Ф., Кораблев О.И. Структура верхней атмосферы Марса по данным затменного эксперимента ACS миссии ExoMars/TGO Санкт-Петербургский государственный университет, Сборник тезисов "Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД-2025)", ISARD-2025-upper008, с. 151-152 (год публикации - 2025)

7. Стариченко Е.С., Беляев Д.А., Медведев А.С., Федорова А.А., Трохимовский А.Ю., Кораблев О.И., Монтмессан Ф. Внутренние гравитационные волны и их активность в атмосферах Марса и Сатурна по данным экспериментов ACS/TGO и UVIS/Cassini ИКИ РАН, Материалы 23-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». XXIII.P.252, C. 484 (год публикации - 2025)
DOI 10.21046/23DZZconf-2025a