Исследование мезосферы Венеры в эксперименте СПИКАВ/СУАР на борту КА Венера-Экспресс.

 

Цикл работ, вышедших в журналах Nature, JQSRT, Icarus, Planetary and Space Science и находящихся в печати в Journal Geophisical Research-Planets

 

Состав авторов - сотрудников ИКИ РАН:

Кораблев О.И., Федорова А.А., Беляев Д.А., Родин А.В., Виноградов И.И., Киселев А., Степанов А.

 

Аннотация

СПИКАВ/СУАР один из семи основных научных экспериментов на борту КА Венера-Экспресс, начавшего работу на орбите Венеры в апреле 2006 года. Аппаратура эксперимента состоит из трех независимых спектрометров: ультрафиолетового (118-320 нм, разрешение ~ 0.51 нм) СПИКАВ УФ и инфракрасного акусто-оптического (650-1700 нм, разрешение лучше 1 нм) СПИКАВ ИК и эшелле-спектрометра высокого разрешения СУАР с акусто-оптической фильтрацией света (R~20000). Основная идея СУАР принадлежала российской стороне, тогда как практическая реализация спектрометра полностью выполнена институтом аэрономии Бельгии и бельгийской промышленностью. Несмотря на это, Россия дала свой вклад не только в идею спектрометра, но и в получение результатов, обработку и интерпретацию данных, полученных спектрометром.

Все спектрометры комплекса СПИКАВ/СУАР имеют возможность работы в нескольких режимах, включая надирные наблюдения и солнечные затмения для вертикального зондирования надоблачной атмосферы Венеры.

Основные результаты, опубликованные за 2007-2008 годы, относятся к получению вертикальных профилей температуры и плотности атмосферы на высотах 70-120 км, вертикальных профилей малых составляющих мезосферы Венеры и детектированию с высоким разрешением новой полосы изотопа углекислого газа O16C12O18. Все эти результаты получены по данным СУАР в режиме солнечных затмений и СПИКАВ УФ в режиме звездных затмений.

Венера окутана плотным слоем облаков, состоящих из частиц серной кислоты (H2SO4) и расположенных на высотах от 40 до 60 км. Эксперимент СПИКАВ/СУАР, работающий в режиме солнечных и звездных просвечиваний, проводит вертикальное зондирование области атмосферы называемой мезосферой, расположенной над верхней границей облаков на высотах от 60 до 100 км. Мезосфера расположена между двумя областями общей циркуляции атмосферы: 4-дневной суперротацией, видимой на верхней границе облаков и солнечной-антисолнечной циркуляцией в термосфере (z>100 км), с восходящим потоком на солнечной стороне и транспортом к ночной стороне. В области 60-140 км атмосферный транспорт, химия, температура, аэрозоли, все это играет роль в концентрации водородосодержащих молекул на высотах, где они разрушаются под действием УФ излучения и освобождают атомы водорода, интенсивно диссипирующие из верхней атмосферы.

Результаты:

1) В эксперименте СПИКАВ впервые удалось обнаружить протяженный слой теплого воздуха (90-120 км) на ночной стороне, который был интерпретирован как результат адиабатического нагревания воздуха в нисходящем потоке, который должен компенсироваться восходящим потоком на дневной стороне, переносящим малые гидрогенизированные компоненты наверх.

 

2) В эксперименте также измерены концентрации HCl, HF и CO в мезосфере. По измерениям СПИКАВ/СУАР HCl оказался менее обилен с фактор ~4, чем было получено 40 лет назад. По данным СУАР относительное содержание HCl равно 0.1 - 0.2 ppm, HF 1-7 ppb и показывает переменность от орбиты к орбите. Определен верхний предел для таких важных для фотохимии Венеры малых составляющих как OCS и H2CO. Верхний предел на OCS ниже 90 км равен 1.6±2 ppb. Для H2CO на тех же высотах верхний предел 3±2 ppb.

 

3) Одновременные наблюдения линий водяного пара в области 2.61 мкм (3830 см-1) на высотах 70-110 км и линий HDO и 3.58 мкм (2715 см-1) на высотах 75-95 км дают возможность построить изотопное соотношение HDO/H2O. За полтора года с апреля 2006 по август 2007 было выполнено 54 измерения водяного пара и его изотопа с различной геометрией наблюдений от средних широт южного полушария до северного полюса планеты. В работе были рассмотрены 22 измерения около северного полюса Венеры, выполненные главным образом в перицентре орбиты. Было получено среднее значение водяного пара 1.16±0.24 ppm и HDO 0.086±0.020 ppm. Водяной пар в основном оказался хорошо перемешанным с почти однородным распределением на высотах >75 км. Небольшое уменьшение в относительной концентрации воды на высотах порядка 85 км может быть связано с температурной инверсией на высотах ~95 км. Значительных временных вариаций вертикальных профилей водяного пара обнаружено не было. Среднее изотопное соотношение HDO/H2O оказалось равным 240±25 раз земного соотношения, и выше в 1.5 раз, значения 157+/-30, полученного в предыдущих измерениях из наземных наблюдений и с КА Пионер-Венера. Повышенная концентрация дейтерированной воды может быть связана как с более низкой фотодиссоциацией HDO, так и с низкой скоростью диссипации атомов дейтерия по отношению к атомам водорода. Эти новые результаты должны послужить основой для динамических и химических моделей и для оценки современной скорости диссипации воды на Венере.

 

4) В спектрах высокого разрешения атмосферы Венеры, полученных спектрометром СУАР в области 2982 см-1, были обнаружены линии неизвестного поглотителя. Позднее оказалось, что они принадлежат изотопу CO2 (12C16O18O) и соответствуют полосе поглощения 01111-00001. В работе приведены расчеты сил линий, полученные по спектрам СУАР в мезосфере Венеры. Силы линий Q-ветви этой полосы, рассчитанные по спектрам СУАР, на два порядка превышают, а P и R-ветвей на два порядка ниже, теоретических расчетов, приведенных в спектроскопической базе данных колебательно-вращательных переходов молекул HITEMP.

 

 

Список публикаций:

 

1.      Jean-Loup Bertaux, D. Nevejans, O. Korablev, E. Villard, E. Quémerais, E. Neefs, F. Montmessin, F. Leblanc, J.P. Dubois, E. Dimarellis, A. Hauchecorne, F. Lefèvre, P. Rannou, J.Y. Chaufray, M. Cabane, G. Cernogora, G. Souchon, F. Semelin, A. Reberac, E. Van Ransbeek, S. Berkenbosch, R. Clairquin, C. Muller, F. Forget, F. Hourdin, O. Talagrand, A. Rodin, A. Fedorova, A. Stepanov, I. Vinogradov, A. Kiselev, Yu. Kalinnikov, Georges Durry, B. Sandel, A. Stern, J.C. Gérard SPICAV/SOIR on Venus Express: Three Spectrometers to Study the Global Structure and Composition of the Venus Atmosphere, Planet. Space Sci., V. 55, Issue 12, 1653-1672, 2007.

2.      Bertaux J.-L., A.-C. Vandaele, O. Korablev, E. Villard, A. Fedorova, D. Fussen, E. Quémerais, D. Beliaev, A. Mahieux, F. Montmessin, C. Müller, E. Neefs, D. Nevejans, V. Wilquet, J.P. Dubois, A. Hauchecorne, A. Stepanov, I. Vinogradov, A. Rodin "A warm layer in Venus' cryosphere and high altitude measurements of HF, HCl, H2O and HDO." Nature 450, pp 646-649, 29 November 2007, doi:10.1038/nature05974.

3.      Bertaux J.-L., Ann-Carine Vandaele, Valérie Wilquet, F. Montmessin, R.Dahoo, E. Villard, O. Korablev, A. Fedorova, First Observation of 628 CO2 isotope band at 3.3 mm in the atmosphere of Venus by solar occultation from Venus Express, Icarus, Volume 195, Issue 1, p. 28-33, 2008

4.      Wilquet, V.; Mahieux, A.; Vandaele, A.C.; Perevalov, V.I.; Tashkun, S.A.; Fedorova, A.; Korablev, O.; Montmessin, F.; Dahoo, R.; Bertaux, J.-L. Line parameters for the 01111–00001 band of 12C16O18O from SOIR measurements of the Venus atmosphere, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, v. 109, iss. 6, p. 895-905, 2008

5.      Fedorova, A., O. Korablev, A.C. Vandaele, J.-L. Bertaux, D. Belyaev, A. Mahieux, E. Neefs, V. Wilquet, R. Drummond, F. Montmessin, and E. Villard (2008), HDO and H2O vertical distributions and isotopic ratio in the Venus mesosphere by SOIR spectrometer on board Venus Express, J. Geophys. Res., doi:10.1029/2008JE003146, in press, 2008.

6.      A.C. Vandaele, M. De Mazière, R. Drummond, A. Mahieux, E. Neefs, V. Wilquet, O. Korablev, A. Fedorova, D. Belyaev, F. Montmessin, J.-L. Bertaux. Composition of the Venus mesosphere measured by SOIR on board Venus Express. J. Geophys. Res., doi:10.1029/2008JE003140, in press, 2008.