Новости

#ИКИ РАН#главное#ЭкзоМарс#дальний космос
11.04.2019 14:20

Первые результаты научных приборов «ЭкзоМарса-2016» опубликованы в Nature

10 апреля 2019 в журнале Nature опубликованы первые результаты научных приборов аппарата Trace Gas Orbiter, полученные с начала его работы в апреле 2018 года. Они были представлены на пресс-конференции в ходе Генеральной ассамблеи Европейского союза наук о Земле в Вене (Австрия).

Основной вывод, сделанный по данным российского спектрометрического комплекса ACS и бельгийского эксперимента NOMAD, — в атмосфере Марса не удалось зарегистрировать метан, а поэтому его концентрациям вряд ли превышает уровень в 50 частиц на триллион, что в 10–100 раз меньше, чем показывали предыдущие эксперименты.

Кроме этого, получены данные о том, как пылевые бури переносят молекулы воды из нижних в верхние слои в атмосфере, что, возможно, ускорило потерю воды с планеты в течение её истории. По данным российского нейтронного детектора FREND были составлены карты содержания подповерхностного льда с пространственным разрешением 300 км на пиксел.

 

Метан на Марсе по-прежнему неуловим

 

Научные приборы на борту орбитального аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» начали наблюдения весной 2018 года после почти годового периода «аэробрейкинга» — торможения с помощью атмосферы. Результаты тестирований и калибровок показали, что приборы успешно пережили перелёт и выход на рабочую орбиту высотой около 400 км, так что сейчас у Марса работают, пожалуй, наиболее совершенные на сегодня спектрометры, нацеленные на регистрацию малых составляющих атмосферы — газов, концентрация которых не превышает нескольких частиц на миллиард или даже триллион, а также пыли и аэрозолей. Это российский комплекс ACS и бельгийский NOMAD, работающие в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра.

Одна из главных целей миссии TGO — метан, который может свидетельствовать о существующей на Марсе жизни или хотя бы о текущей вулканической активности планеты. Считается, что на Земле 90% метана имеет биологические происхождение, а его концентрация составляет 1800 частиц на миллиард в единице объёма или ppbv (parts per billion by volume).

В атмосфере Марса молекулы метана, если и появляются, то должны разрушаться сравнительно быстро, за два-три столетия, под действием солнечного ультрафиолета. Поэтому, если метан удастся зарегистрировать в марсианской атмосфере, то он появился там относительно недавно.

Есть ли метан на Марсе? Время от времени наземные наблюдения давали на этот вопрос положительный ответ, но ограничивали его концентрацию несколькими частицами на миллиард.

 


История наблюдений метана на Марсе. Метан на Марсе впервые наблюдали с помощью наземных инструментов, его уровень оценивали в 10, позже около 50 ppbv (частиц на миллиард в объёме) в 1999–2003 годах. С 2004 приборы на борту космического аппарата «Марс-Экспресс» (ЕКА) измеряли метан, по их данным, его содержание колебалось в пределах 0–30 ppbv (в 2004 г.). В 2013 г. марсоход «Кьюриосити» (НАСА) в кратере Гейл зарегистрировал «выброс» метана, в результате которого его концентрация достигла почти 6 ppbv. В то же время в 2012–2014 гг. «Марс-Экспресс» не наблюдал метана, кроме единичного «выброса» (уровень около 15 ppbv) на следующий день после того, как его наблюдал «Кьюриосити». В 2012–2018 гг., по данным «Кьюриосити» фоновое содержание метана колебалось в пределах 0,2–0,7 ppbv. Спектрометры ACS и NOMAD на борту аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» в 2018 г. не зарегистрировали метан, что накладывает верхний предел на его содержание в атмосфере в 0,05 ppbv © ESA

Наиболее значительный выброс (45 ppbv) был зарегистрирован с Земли в 2003 г., затем в 2004 году прибор PFS на космическом аппарате «Марс-Экспресс» (ЕКА), как предполагается, также зарегистрировал метан в количестве около 10 ppbv. Но, например, марсоход «Кьюрисити», работающий в кратере Гейла с конца 2011 года, вначале не регистрировал метан вообще, ограничивая его концентрацию значением в 0,2 ppbv (или 200 частицами на триллион, pptv, предел чувствительности прибора), а потом несколько раз наблюдал резкое кратковременное повышение, вплоть до 9 ppbv. В 2013 году лазерный спектрометр TLS на борту «Кьюриосити» зарегистрировал повышение концентрации метана до 5,8 ppbv, и, что особенно интересно, спектрометр на борту «Марса-Экспресс» подтвердил этот «выброс» в районе кратера Гейла, причём с ещё большей концентрацией — 15,5 ppbv. При этом в более чувствительном режиме прибор на борту «Кьюриосити» фиксирует лишь «фоновые» значения на уровне 0,24–0,65 ppbv.

Российский спектрометрический комплекс ACS на борту TGO был создан именно для того, чтобы зарегистрировать метан даже в концентрациях, на два порядка меньших, чем показывал «Кьюрисоити» Три инфракрасных спектрометра в составе ACS обладают рекордной на сегодня чувствительностью и спектральным разрешением, чтобы зарегистрировать метан, даже если его концентрация не превышает нескольких частиц на триллион. Однако, как оказалось, и это очень высокий показатель для Марса.

«Спектрометры ACS, так же, как и спектрометры европейского комплекса NOMAD, не зарегистрировали метан на Марсе во время измерений с апреля по август 2018 года. Наблюдения проводились в режиме солнечных затмений на всех широтах», — говорит Олег Кораблев, научный руководитель спектрометрического комплекса ACS, руководитель отдела физики планет ИКИ РАН и соавтор двух статей, опубликованных в Nature 10 апреля 2019 г.

Ученый поясняет, что этот результат, в принципе, не исключает, что метан всё же может быть в атмосфере, но устанавливает верхний предел для его концентрации. Вывод статьи в Nature звучит так: метана в атмосфере Марса не может быть больше, чем 0,05 ppbv (или 50 частиц на триллион). Наиболее точные данные были получены для высот в 3 км в северном полушарии, и здесь этот предел ещё ниже — 0,012 ppbv (12 частиц на триллион).

Это в 10–100 раз меньше, чем показывали предшествующие эксперименты. Правда, лучше сравнивать новые данные лишь с результатами TLS на «Кьюриосити», так как другие приборы, например, PFS на «Марсе-Экспрессе» не предназначены специально для регистрации метана, и, чтобы получить результат, пришлось прибегать к достаточно сложным методам наблюдения и обработки данных.

«Переменность метана, его эпизодическое появление, сменяемое отсутствием, на самом деле, представляет серьёзную загадку для атмосферных физиков, — рассказывает Олег Кораблёв. — В рамках нашего понимания процессов в атмосфере Марса не представляется возможным совместить вновь установленный верхний предел даже с низким «метановым фоном», установленным «Кьюриосити». А если посчитать единичные выбросы, в кратере Гейл, или в других местах, ещё труднее объяснить, почему так мало среднее содержание во всей атмосфере. Для этого надо найти какой-то новый механизм быстрого разрушения метана вблизи от поверхности, который должен действовать очень избирательно, только на метан, не затрагивая другие химически активные составляющие атмосферы, измеренные концентрации которых очень хорошо воспроизводятся моделями».

Установленный, очень низкий, верхний предел допускает, что на Марсе метан всё же есть, до 500 тонн газа, который мог выделяться в течение 300 лет и который разносит по планете циркуляция атмосферы.

За несколько месяцев работы ACS накопил несколько тысяч профилей атмосферы, и работа продолжается. Возможно, новые данные позволят прояснить картину.

 



По результатам первого детального анализа данных спектрометров ACS и NOMAD на аппарате TGO метан в марсианской атмосфере не обнаружен. Установленный верхний предел на его содержание в 10–100 раз ниже, чем показывали предыдущие работы. Данные ACS и NOMAD показывают высокую чувствительность к другим малым составляющим атмосферы (например, воде), но сигнал от метана отсутствует. Измерения проводились на высоте от 3 до 25 км. Таким образом, можно установить верхний предел его содержания в 0,05 частиц на миллиард в объёме (ppbv). График в середине: разница в результатах ACS&NOMAD и TLS на борту марсохода «Кьюриосити» (НАСА), который наблюдал вариации фонового содержания метана. Основные данные TGO были получены до начала глобальной пылевой бури в середине 2018 года. Карта справа: карта с отмеченными районами, где проводились попытки зарегистрировать метан. График внизу: данные канала MIR в составе ACS хорошо согласуются с ожидаемым количеством воды и показывают, что концентрация метана на Марсе не превышает нескольких десятков на триллион © ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: O. Korablev et al (2019)

Пылевые бури помогают воде «убегать» с Марса


Примерно через два месяца после начала научных наблюдений на Марсе началась глобальная пылевая буря (она, к сожалению, стала концом миссии для марсохода «Оппортьюнити», НАСА). Для TGO, работающего на низкой круговой орбите, открылась возможность пронаблюдать за динамикой водяного пара в атмосфере Марса.


Приборы TGO исследуют атмосферу Марса в режиме «солнечных затмений». Спектрометры ACS и NOMAD «смотрят» на Солнце через марсианскую атмосферу, состоящую в основном из углекислого газа (CO2). Малые составляющие атмосферы — различные газы и водяной пар, общий объём которых не превышает 1%, оставляют «отпечаток», — полосы поглощения в спектре солнечного излучения, который регистрируют спектрометры. Эти вещества помогают прояснить историю Марса и понять, какие геологические и, возможно, биологические процессы происходят на нём сегодня © ESA/ATG medialab

Таким образом были построены профили содержания водяного пара и молекул «полутяжелой воды» в атмосфере до высоты примерно 80 км. И ACS, и NOMAD работают в режиме «солнечных затмений», то есть «смотрят» на Солнце через слой атмосферы на краю планеты. Так можно не только зарегистрировать какое-то вещество по его линиям поглощения в спектре солнечного излучения, но и понять, на какой высоте оно находится — построить так называемый профиль вертикального распределения вещества.

В молекуле «полутяжелой воды» один из атомов «простого» водорода H замещен на атом дейтерия D — изотопа водорода, в ядре которого есть один нейтрон. Формула полутяжелой воды соответственно пишется HDO вместо H2O (её очень часто называют просто «тяжёлой водой», но, если быть точными, в «тяжёлой воде» D2O водород полностью заменён дейтерием).

По данным ACS и NOMAD, буквально через несколько суток после начала бури содержание H20 и HDO в верхнем слое атмосферы резко повысилось. Это отвечает современным представлениям о глобальной атмосферной циркуляции на Марсе. Когда пыль в атмосфере нагревается, то она нагревает окружающий газ. Он расширяется, и, как следствие, все составляющие атмосферы переносятся выше, чем в сезоны без пылевых бурь. Кроме этого, «работает» разница температур между экватором и полярными областями. И, что особенно важно, температура атмосферы оказывается достаточно высокой, чтобы водяной лёд не конденсировался в облака, которые в обычных условиях удерживают воду достаточно низко.

«Модели циркуляции атмосферы на Марсе предсказывали, что во время пылевой бури молекулы воды могут подниматься достаточно высоко, но впервые мы смогли зарегистрировать их непосредственно», — говорит Анн Карин Вандаль, научный руководитель спектрометрического комплекса NOMAD, сотрудник Королевского Бельгийского института космической аэрономии.

На достаточно большой высоте молекулы воды «разбивает» ультрафиолетовое излучение Солнце, а образовавшиеся ионы «уходят» в межпланетное пространство с солнечным ветром. Примерно так выглядит схема потери воды Марсом, которая становится всё более детальной с учётом новых данных.

Особенно важно, что измерялась концентрация одновременно H20 и HDO, то есть, фактически, отношение содержания дейтерия к водороду. Они отличаются по массе, и темпы их потери также могут быть разными. Зная это соотношения, можно делать определённые выводы об эволюции воды на планете.

 

Вертикальное распределение пыли и водяного пара во время пылевой бури по данным аппарата TGO. Аппарат TGO начал научные наблюдения в апреле 2018 года, примерно за два месяца до начала глобальной пылевой бури на Марсе. В данных приборов TGO видны начало и развитие бури. Спектрометры ACS и NOMADпровели первые наблюдения с высоким разрешением в режиме солнечных затмений, по которым стало понятно, как пыль повлияла на содержание водяного пара в атмосфере и были построены графики распределения водяного пара Н20 и «полутяжёлой» воды HDO в атмосфере от ближайших к поверхности слоёв до высоты более 80 км. Эти данные помогают понять, как пылевые бури влияют на потери воды планетой. В северных широтах были открыты пылевые слои на высоте 25–40 км, в южных широтах они переместились выше. Три графика отражают распределение полутяжёлой воды, водяного пара и изменения отношения дейтерия к водороду D/H по данным ACS и NOMAD до и во время пылевой бури. Концентрация молекул «полутяжёлой воды» HDO (в частица на миллиард, ppb) в атмосфере Марса увеличилась во время бури, они наблюдались выше, чем до неё бури. Количество молекул водяного пара (в частицах на миллион, ppm) быстро и достаточно сильно увеличилось во время бури © ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: A-C Vandaele et al (2019)

Новые детали распределения воды в верхнем грунте Марса


Задача российского нейтронного детектора FREND на борту TGO — исследование нейтронного потока от поверхности Марса, который свидетельствует о наличии водяного льда или гидратированных минералов в верхнем (примерно до 1 метра) слое грунта планеты.


Сравнение пространственного разрешения нейтронных спектрометров HEND (КА «Марс-Одиссей», НАСА) и FREND (КА TGO, ЕКА-Роскосмос). Слева: нейтронный детектора HEND регистрирует нейтроны, приходящие от всей поверхности Марса («от горизонта до горизонта»), пространственное разрешение составляет порядка 600 км на пиксел с высоты 400 км. Поле зрения нейтронного детектора FREND ограничено специальным коллиматором и составляет всего 14 градусов, что соответствует пространственному разрешение 60–200 км на пиксел в зависимости от условий измерения © ESA; ATG/medialab; NASA; JPL-Caltech

Этот прибор — прямой «наследник» нейтронного детектора ХЕНД, который с 2001 года работает на борту орбитального аппарата «Марс Одиссей» (НАСА). Именно ХЕНД впервые показал, что водород и водяной лёд распространены в грунте Марса. Но пространственное разрешение его данных было низким — около 600 км с орбиты высотой 400 км. Эксперимент ФРЕНД был сконструирован для того, чтобы составить карту с гораздо лучшим показателем: порядка 60 км с высоты 400 км (рабочая орбита TGO). Чтобы достичь такого разрешения, необходимо накопить данные примерно за один марсианский год (или два земных).

К настоящему времени карты ФРЕНД составлены с разрешением 300 км на пиксел. На них видны области вечной мерзлоты в полярных областях, а также экваториальные районы, где в верхнем слое грунта находится много водорода. Это может быть «современная» вечная мерзлота или «следы прошлого», свидетельствующие о том времени, когда экваториальные участки планеты были полюсами (существует много свидетельств того, что марсианская ось очень сильно «гуляла»).

«По мере поступления новых данных эта карта будет улучшаться, но уже сейчас данные ФРЕНД превосходят те, что накопил ХЕНД за 16 лет работы, — говорит Игорь Митрофанов, научный руководитель эксперимента ФРЕНД, руководитель отдела ядерной планетологии ИКИ РАН. — Таким образом мы узнаем, где сейчас находятся наиболее «влажные» районы Марса, сейчас и в прошлом. Это важно и для исследования истории планеты, и для планирования будущих экспедиций».

Статья по результатам ФРЕНД принята к публикации в Докладах научной сессии общего собрания Отделения физических наук Российской академии наук.

 

Первая карта распределения воды в подповерхностном слое грунта Марса по данным прибора FREND. Нейтронный спектрометр FREND начал картографировать распределение водорода в верхнем слое марсианского грунта, который присутствует там в виде воды, водяного льда или гидратированных минералов, образованных в водной среде. Справа: карта, построенная по данным наблюдений в течение 131 дня с 3 мая по 10 сентября 2018 года, которые покрывают территорию между 70 градусами северной широты и 70 градусами южной широты. Кроме хорошо заметных районов «вечной мерзлоты» на полюсах, на карте видны отдельные «сухие» и «влажные» районы, в том числе местности с большим содержанием водорода у экватора. Слева: схема замедления нейтронов в грунте Марса в зависимости от содержания водорода © ESA; spacecraft: ATG/medialab; data: I. Mitrofanov et al (2018)

 

* * *

 

Проект «ЭкзоМарс» — совместный проект Роскосмоса и Европейского космического агентства.

Проект реализуется в два этапа. Первая миссия с запуском в 2016 году включает два космических аппарата: орбитальный Trace Gas Orbiter (TGO) для наблюдений атмосферы и поверхности планеты и посадочный модуль «Скиапарелли» (Schiaparelli) для отработки технологий посадки.

Научные задачи аппарата TGO — регистрация малых составляющих марсианской атмосферы, в том числе метана, картирование распространенности воды в верхнем слое грунты с высоким пространственным разрешением порядка десятков км, стереосъёмка поверхности. На аппарате установлены два прибора, созданные в России: спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suit, Комплекс для изучения химии атмосферы) и нейтронный телескоп высокого разрешения ФРЕНД (FREND, Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector). Также Россия предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон» с разгонным блоком «Бриз-М».

Второй этап проекта (запуск 2020 г.) предусматривает доставку на поверхность Марса российской посадочной платформы с европейским автоматическим марсоходом на борту. На марсоходе установлен комплекс научной аппаратуры «Пастер», в который входит два российских прибора: ИСЕМ и АДРОН-МР. Главная цель исследований с борта марсохода — непосредственное изучение поверхности и атмосферы Марса в окрестности района посадки, поиск соединений и веществ, которые могли бы свидетельствовать о возможном существовании на планете жизни. Россия отвечает за посадочную платформу, которая доставит марсоход на поверхность планеты. После схода марсохода платформа начнёт работать как долгоживущая автономная научная станция. На её борту будет установлен комплекс научной аппаратуры для изучения состава и свойств поверхности Марса. Россия также предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М».

В рамках обоих этапов в России создаётся объединенный с ЕКА наземный научный комплекс проекта «ЭкзоМарс» для приёма, архивирования и обработки научной информации.