Новости

#ИКИ РАН#Главное#ExoMars-2016#Марс
27.07.2020 16:45

ExoMars обнаружил новые полосы поглощения углекислоты и озона

Российский спектрометрический комплекс АЦС на борту марсианского орбитального зонда Trace Gas Orbiter (российско-европейский проект ExoMars-2016) зарегистрировал линии поглощения углекислого газа и озона, которые не наблюдались раньше ни на Земле, ни в космосе. Благодаря высокой чувствительности АЦС выяснилось, что углекислота и озон могут проявлять себя именно в том диапазоне инфракрасного спектра, где ожидается обнаружить сигнал от молекул метана. Этот газ — один из возможных биомаркеров, поэтому открытие может заставить пересмотреть и предыдущие публикации на тему измерений метана на Марсе, и методы его поиска.

Спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suite, «Комплекс для изучения химии атмосферы» Марса) был создан в Институте космических исследований и предназначен для детального исследования атмосферы Марса с помощью трех инфракрасных спектрометров. Приборы были сконструированы для поиска в первую очередь малых составляющих атмосферы. Это означает очень высокую чувствительность: высокое отношение сигнала к шуму и хорошее спектральное разрешение.

В исследовании использовались данные спектрометра MIR (средний ИК-диапазон 2.3–4.2 микрометра) в составе АЦС, полученные за один марсианский год, то есть примерно с начала работы TGO на орбите вокруг Марса с весны 2018 года. В этом участке ИК-спектра ожидалось найти полосы поглощения метана, расположенные в районе 3,3 микрометра. Метан — один из основных биомаркеров, которые могут свидетельствовать о возможной жизни на Марсе. В этой же области длин волн находятся полосы поглощения молекул воды и углекислого газа, последний из которых составляет основную часть марсианской атмосферы.

Спектрометр MIR наблюдает в режиме солнечных затмений: прибор «смотрит» на край планеты, где сквозь атмосферу Марса просвечивают солнечные лучи. Различные вещества в атмосфере поглощают часть солнечного излучения, и тогда в спектре появляются «провалы» — так называемые линии поглощения. Каждое вещество поглощает излучение с определёнными длинами волн, оставляя свой неповторимый «отпечаток пальцев» на спектре. Кроме этого, вещество с одной и той же химической формулой может иметь несколько полос поглощения, что свидетельствует о различии в строении молекул или разном изотопном составе (в последнем случае говорят про молекулы-изотопологи).

Как рассказывает Александр Трохимовский, сотрудник отдела физики планет ИКИ РАН, всё началось с небольших уменьшений сигнала на отдельных длинах волн в спектрах, полученных прибором MIR. Некоторое время эти особенности не привлекали внимания, вернее, считались ошибкой, возникшей во время калибровки данных. Однако после более тщательной обработки эти «артефакты» не исчезли, напротив — обнаружилось около 30 слабых линий поглощения, положение которых не соответствовало ни одной из тех, что уже содержались в спектрометрических базах данных. Явление наблюдалось на малых (ниже 20 км) высотах над поверхностью Марса.

После теоретического анализа было высказано предположение, что речь идёт об открытии новой полосы поглощения основного изотополога углекислого газа (его молекула составлена из основных изотопов углерода и кислорода 12С и 16O), которая возникает в результате магнитно-дипольного перехода. До работы TGO эта полоса считалась запрещенной, не наблюдалась ни на Земле, ни в космосе, и отсутствует в спектроскопических базах данных.

Новая полоса поглощения углекислого газа, обнаруженная в марсианской атмосфере спектрометром MIR/ACS на борту аппарата TGO. Сверху: полученный спектр (черный) с наложенным модельным спектром, содержащим полосы поглощения углекислого газа и воды (голубой). Модель использует базу данных спектров HITRAN 2016. Внизу: разница между данными и моделью, благодаря которой детально видны полосы поглощения. Стрелочками показаны вычисленные положения полос поглощения (цвет относится к различным механизмам их возникновения). Иллюстрация © A. Trokhimovskiy et al. (2020)

В случае с озоном ситуация была несколько иной. Озона в атмосфере Марса мало, но впервые его открыли еще в экспериментах на аппаратах Mariner 7 и 9 в 1970-х гг., и с тех пор наблюдения велись в основном в ультрафиолете — этот метод позволяет измерять содержание озона на высотах больше 20 км над поверхностью. С помощью прибора MIR впервые удалось детектировать озон в инфракрасном диапазоне в районе 3 микрометров и на низких высотах над поверхностью.

«Обе полосы поглощения: и углекислоты, и озона — находятся именно в том диапазоне, где мы ожидали увидеть метан», — подчеркивает Кевин Олсен, сотрудник факультета физики Оксфордского университета (Великобритания) и первый автор статьи, посвящённой озону. Вопрос о том, есть или нет метан в атмосфере Марса, до сих пор остаётся открытым: данные наблюдений орбитального аппарата Mars Express и марсохода Curiosity в кратере Гейл свидетельствуют в его пользу, однако исключительно чувствительные спектрометры TGO миссии ExoMars-2016 не подтверждают эти выводы.

Тот факт, что в этом же спектральном диапазоне находятся полосы поглощения углекислоты и озона, может заставить существенно пересмотреть методы поиска метана. Кроме этого, новые результаты помогают понять, как молекулы CO2 и O3 взаимодействуют друг с другом и с солнечным светом, а значит — прояснить химию процессов в атмосфере Марса. Эти результаты существенно продвигают нас к лучшему пониманию Марса — к более высокому уровню точности и понимания того, что происходит в его атмосфере.

Пример спектра, полученного спектрометром среднего ИК-диапазона MIR/ACS на борту аппарата TGO. Вверху — модель спектра с полосами поглощения различных газов в данном диапазоне спектра. Наиболее проявлена линия поглощения водяного пара (голубой цвет). Наиболее сильный сигнал от озона O3 (зеленый цвет) находится в правой части спектра, от углекислого газа CO2 (серый цвет) — в левой части. Ожидаемое положение линий поглощения метана обозначено оранжевым пунктиром. Внизу — реальный спектр (голубой цвет) и наиболее подходящий модельный спектр (оранжевый). Иллюстрация © K. Olsen et al. (2020)

«Эти работы являются прямым результатом чрезвычайно успешного и продолжающегося сотрудничества между европейскими и российскими учеными в рамках космической программы ExoMars, — подчеркивает Хокан Шведхем, научный руководитель миссии с европейской стороны. Опубликованные статьи устанавливают новые стандарты для будущих наблюдений и миссий, и приближают нас к раскрытию загадок Красной планеты».

Trace Gas Orbiter продолжает работу. На следующем этапе проекта ExoMars-2022, который должен начаться в 2022 году с запуском посадочной платформы «Казачок» и марсохода «Розалинд Франклин», исследования будут продолжены уже с поверхности Марса. Возможно, что «взгляд с двух сторон» поможет решить загадку метана и поисков возможных следов жизни на Красной планете.

Сообщить об ошибке в тексте

Фрагмент текста с ошибкой:

Правильный вариант:

При обнаружении ошибки в тексте Вы можете оповестить нас о ней. Для этого нужно выделить мышкой часть текста с ошибкой и нажать комбинацию клавиш "Ctrl+Enter".