1. Водяной цикл на Марсе Федорова А.А. Институт Космических Исследований РАН Московский физико-технический институт (государственный университет) ПГИ, Апатиты, 16-18 апреля 2013

2. План доклада 1)Введение в Марс 2)Исторический обзор исследования водяного пара 3)Сезонный цикл водяного пара 4) Вертикальное распределение 5) Недавние изменения климата

3. План доклада 1)Введение в Марс 2)Исторический обзор исследования водяного пара 3)Сезонный цикл водяного пара 4) Вертикальное распределение 5) Недавние изменения климата

4. Марс: наиболее близкая по климатическим параметрам к Земле планета  Давление = 6 mbar, 95% CO 2 (меняется с сезоном из-за конденсации атмосферы)  Средняя температура поверхности = -50°C  Мало воды в атмосфере = несколько осажденных мкм, большие резервуары в полярных шапках и грунте  Аэрозоль в атмосфере (  ~ 0.2) : –Пыль с поверхности  сильный разогрев атмосферы –Глобальные пылевые бури –Ледяные конденсационные облака (H 2 O, CO 2 ) (cirrus type)  Циркуляция земного типа: –Ячейка Хэдли в солцестояниях –Сильные волновая активность на средних и высоких широтах осенью и зимой ЗемляМарс Масса, xTerr 10.107 Плотность, г/см 3 5.5153.933 Альбедо 0.30.15 Т равновесн. K 255214 Т пов-ти, K 288218 Давление, бар 10.0061

5. Времена года на Марсе определяются ареоцентрической долготой Солнца Осеннее равноденствие в северном полушарии Весеннее равноденствие в северном полушарии Афелий Летнее солнцестояние Перигелий Зимнее солнцестояние L s 0 o L s 90 o L s 180 o L s 270 o ЗемляМарс Большая полуось, а.е. 11.524 Наклон оси 25.19°23.45° Эксцентриситет 0,01670,0934 Марсианское летоисчисление С 1 апреля 1955 г. MY – Martian Years 1955-1956 MY1 2004-2005 MY27 Clancy et al., 2000

6. План доклада 1)Введение в Марс 2)Исторический обзор исследования водяного пара 3)Сезонный цикл водяного пара 4) Вертикальное распределение 5) Недавние изменения климата

7. 1) 12 и 13 апреля 1963 года Астрономические наблюдений Обсерватория Mount Wilson Впервые водяной пар на Марсе был обнаружен Spinrad et al. (1963) 2) 1970-1977 Множество наземных и орбитальных (Маринер 9, Марс 3 и 5) измерений водяного пара. Найдены значительные сезонные вариации, но сезонный цикл еще не ясен 3) 1971-1972 Маринер 9 Открыты русла высохших рек, долины, гигантские вулканические горы. На поверхности нет жидкой воды, однако много карстовых образова­ний, свидетельствующих о присутствии водяного льда в форме вечной мерзлоты. Около 8200 Å

8. Викинги 1 и 2 (1975-1980,82) Первые долгоживущие посадочные и спускаемые аппарату на Марсе Эксперимент MAWD (Martian Atmospheric Water Detector) на борту орбитальных аппаратов впервые провел полное пространственное и сезонное картирование водяного пара более чем один марсианский год с июня 1976 по апрель 1979) по полосе 1.38 мкм Водяной цикл Марса Jakosky and Farmer, 1982 Всего 5-10 осажденных микрон воды (pr.μm) На протяжение 20 лет эти данные служили классической основой для моделей водяного цикла Марса

9. 9 Mars Global Surveyor NASA 1996 работал с марта 1997- ноябрь 2006 (некоторые эксперименты  2004) TES 6-50 мкм, 10 см -1 Долговременный мониторинг климата пыль облака вода Mars Odyssey NASA 2001 с октября 2001 (научная часть с февраля 2002) Эксперимент ХЭНД – детектор нейтронов : Открытие распределения подповерхностного водяного льда в полярных областях и многолетний мониторинг сезонных полярных шапок Mitrofanov et al., 2002; Feldman et al., 2002 Smith, 2002; 2004

10. План доклада 1)Введение в Марс 2)Исторический обзор исследования водяного пара 3)Сезонный цикл водяного пара 4) Вертикальное распределение 5) Недавние изменения климата

11. Вода на Марсе Глобальное содержание водяного пара всего 10-20 осажденных микрон воды  1-2 км 3 Но он на прямую связан с другими резервуарами воды и он может быть надежно измерен, кроме того сейчас ведется фактически непрерывный мониторинг Резервуары воды: Атмосферный резервуар  водяной пар  атмосферные облака Поверхностные резервуары  иней на поверхности  лед Подповерхностный лед

12. Сезонный тренд водяного цикла Северное лето (афелий) Южное лето (перигелий) В среднем всего 10-20 осажденных микрон воды – 1-2 m 3 льда! TES CRISM

13. Возникающие вопросы 1)Что является причиной наблюдаемой асимметрии содержания водяного пара в северном и южном полушарии? 2)Является ли сезонное поведение водяного пара стабильным, повторяющимся из года в год 3)Что контролируется изменения полное содержания воды в атмосфере

14. Асимметрия между полушариями South (CO 2 ) North (H 2 O) Perennial polar caps Seasonal cycle of atmospheric water Northern summer (aphelion) Southern summer (perihelion) По идее водяного пар должен возвращаться к северной шапке, но есть одна холодная ловушка – это южная полярная шапка (путешествие в один конец, с северного в южное полушарие)

15. Вариации водяного пара на пространственной сетке Среднее годовое содержание водяного пара в столбе атмосферы Среднее годовое содержание водяного пара в столбе атмосферы нормированное на P surf /6.1 mbar

16. Водяной пар в сезон сублимации северной полярной шапки MAWD TES

17. As the CO 2 frost recedes, water ice is left behind Hot air masses moving poleward carry recently sublimed water vapor Water once again recondenses at higher latitudes Water ice frost grows thicker as the CO 2 frost recedes Наблюдения THEMIS Наблюдения OMEGA

18. Роль стационарных волн в переносе воды с полюсов Циркуляция около поверхности, три канала переноса воды на низкие широты, Acidalia (20W), Arcadia (120W), Utopia (90E)

19. Обмен водой между полушариями в солнцестояние Около 10 12 кг (1 Гт) воды переносится с северного на южное полушарие и обратно каждый год через ячейку Хедли в период солнцестояния

20. Современная картина водяного цикла Studies: Davies [1981], Jakosky [1983], Haberle & Jakosky [1990], Houben et al. [1997], Richardson & Wilson [2002]; Montmessin et al. [2004]

21. Современная картина водяного цикла Studies: Davies [1981], Jakosky [1983], Haberle & Jakosky [1990], Houben et al. [1997], Richardson & Wilson [2002]; Montmessin et al. [2004] Smith (2003)

22. Global asymmetry of present Mars climate South (CO 2 ) North (H 2 O) Perennial polar caps Seasonal cycle of atmospheric water Northern summer (aphelion) Southern summer (perihelion) По идее водяной пар должен возвращаться к северной шапке, но есть одна холодная ловушка – это южная полярная шапка (путешествие в один конец, с северного в южное полушарие) Всего 10-20 осажденных микрон воды – 1-2 m 3 льда!

23. TES / Mars Global Serveyor 20-40 μm band MY24-26 water 1.38 μm band MAWD/Viking 1,2 (MY12-13) (Jakosky and Farmer, 1982) Мониторинг водяного цикла и сравнение результатов Сезонное распределение водяного пара на Марсе: MAWD/Viking (1979), TES/MGS (1999-2004), OMEGA- PFS-SPICAM/MEX (2004-2013), CRISM/MRO (2006-2013) SPICAM, Мars-Express MY 27-29 2.56 μm CRISM/MRO MY 28-29 (Smith et al., 2009) M.D. Smith 2004, 2006, 2008 Fedorova et al., 2006; Trokhimovskiy et al 2012 Сравнение измерений водяного пара различными приборами: –Согласование данных Mars Express (3 прибора) –Коррекция обработки MGS/TES –Коррекция результатов Viking/MAWD

24. 24 WATER IN MARS ATMOSPHERE: COMPARISON OF RECENT DATA SETS PFS spectral resolution 1.4 cm -1 LW 25-35 µm: processed by 2 groups, published by Fouchet et al., Icarus 2007 SW 2.56 µm: processed by 3 groups, published by Tschimmel et al., Icarus in press. OMEGA 2.56 µm mapping processed by 2 groups Encrenaz et al A&A 2005 Melciorri et al PSS 2007 Maltagliaty et al., 2008 SPICAM 1.37 µm spectral resolution 3.5 cm -1 processed by one group Fedorova et al., JGR 2006; Trokhimovsky et al., 2013? Compared to Mars Global Surveyor TES TES 25-50 µm, spectral resolution 6.25 or 12.5 cm -1

25. Сравнение измерений H 2 O на КА Марс- Экспресс SPICAM PFS LW OMEGA PFS SW

26. MAWD database modification H2OH2O pr  m

27. The comparison of MAWD’s and SPICAM’s results the search of interannual variability H2OH2O pr.  m

28. Поиск межгодовых вариаций MAWD, TES и SPICAM Хорошее согласие MAWD и SPICAM IR (1.38-µm band) Но все равно оба набора данных систематически ниже результатов TES/MGS в тепловом диапазоне.

29. Pankine et al., 2010 поиск межгодовых вариаций

30. План доклада 1)Введение в Марс 2)Исторический обзор исследования водяного пара 3)Сезонный цикл водяного пара 4) Вертикальное распределение 5) Недавние изменения климата

31. Вертикальное распределение H 2 O на Марсе адсорбция/ десорбция осаждение Вертикальное распределение  потенциально управляется различными процессами уникальная возможность определить важность многих активных механизмов ф уникальная возможность определить важность многих активных механизмов формирования водяного цикла  только немногочисленные наблюдения (Огюст/Фобос-2) 26 профилей, наблюдения в течении месяца с ограниченным пространственным покрытием (Rodin et al. 1997)  ориентирование на GCMы, которые базируются на модельных упрощениях и предположениях Уровень конденсации химические реакции облака

32. Облака водяного пара – облачный пояс афелия

33. Высоты насыщения водяного пара Получено при восстановление содержания водяного пара по данным СПИКАМ, используя профили температуры давления GCM

34. перигелий афелий Clancy et al., 1996, Montmessin et al, 2004 Транспорт водяного пара в атмосфере Марса и роль облаков

35. Korablev et al., 1993, Fedorova et al., 2009 Прямые наблюдения вертикального распределения Огюст/Фобос 2, Ls=0-20 СПИКАМ, Ls=130-160

36. СПИКАМ Открытие перенасыщения водяного пара в средней атмосфере  60% орбит показали перенасыщение  перенасыщение на высотах 30 – 40 км  перенасыщение достигает ~ 10 (2-3 в среднем)

39. Что понято  Годовой водяной цикл управляется быстрым атмосферным транспортом и взаимодействием поверхность-атмосфера, через сублимацию и конденсацию сезонного льда.  Проходит постоянный мониторинг сезонных и постоянных полярных шапок, атмосферной воды как в виде пара, так и в виде ледяных облаков  >85% атмосферной воды в виде пара, остальное ледяные облака  Водяной цикл характеризуется сублимацией и конденсацией 3х10 12 кг поверхностного льда:  Около одной трети от этой массы участвует в переносе между полушариями в периоды солнцестояния  2/3 воды ежегодно рециркулируют в северном полушарии.  Северная полярная шапка самый большой источник воды на планете  Зонально симметричная циркуляция ячейки Хедли как регулятор обмена воды между полушариями  Остаточная незональная компонента циркуляции (планетарные волны) контролируют направленные к полюсу и экватору потоки в средних и высоких широтах обоих полушарий  Ключевая роль облаков в переносе водяного пара.  Самый непонятый еще процесс – это взаимодействие реголита и атмосферы

40. Является ли водяной цикл регулятором текущего климата Марса? В форме водяного пара – эффект, наверное, минимален? Зато вода в конденсированном состоянии может менять радиационные свойства поверхности и атмосферы (Wilson et al., 2007-2008; Haberle et al., 2011; Madeleine et al., 2011) Радиационно-активные облака – Forget et al., 2012

41. План доклада 1)Введение в Марс 2)Исторический обзор исследования водяного пара 3)Сезонный цикл водяного пара 4) Вертикальное распределение 5) Недавние изменения климата

42. Недавние изменения климата?  Планета, возможно, испытавшая катастрофическое изменение климата и сохранившая следы климата прошлых эпох (3.5-3.8 млрд лет назад)  Множественные свидетельства об более поздних изменениях климата  Изменения параметров орбиты

43. I цикл климатических изменений: наклон оси вращения В течение 5 10 9 лет средний наклон = 41.8° (Laskar et al., Nature 2004)

44. I цикл климатических изменений: моделирование климата Марса при большом наклоне оси  Высокая инсоляция на полюсе ведет к более сильной сублимации водяного пара, цикл в 30 раз более влажный чем сейчас  Более интенсивная циркуляция в ячейке Хедли, более интенсивное образование облаков и их осаждение в тропиках

45. I цикл климатических изменений: недавние ледники на низких широтах Olympus Mons (Mars) Антарктида (Земля) Head et al. (Nature 2005) Моделирование климата при наклоне оси ~45° Mischna et al. 2003, Forget et al., 2006, Levrard et al. 2007 Массовая доля облаков (kg/kg) Давление (Pa) Долгота

46. Переходный период 5 млн.лет назад – вода в тропиках 3 млрд.лет назад Levrard et al., 2004

47. Водород в грунте Марса: Результаты Mars Odyssey(HEND+GRS) в Северном полярном районе >50 wt% водяного льда под более сухим грунтом. 10-15 wt % воды в антиподальных экваториальных областях  атмосферная природа? Mitrofanov et al., Feldman et al. (2003…) северное лето южное лето  В переходный период от высокого к низкому наклону: отложение слоев метровой толщины н широтах >60°  Экваториальные резервуары исчезают  Лед на высоких широтах становится нестабильным, иссушение верхнего слоя, отступление водяного льда к полюсам

48. II цикл климатических изменений: Слоистые полярные отложения и прецессия Разрез полярной шапки –Светлые и темные слои Средний период колебаний в накоплении льда = 50 000 лет –Цикл связан с прецессией оси вращения (самый быстрый орбитальный цикл) Milkovich and Head (JGR, 2005)

49. Южный полюс (Марс-Экспресс 2004): Обнаружен присутствие льда H 2 O в составе остаточной южной полярной шапки в конце южного лета Было известно ранее, что остаточная Южная полярная шапка состоит из твердой углекислоты: низкая температура и высокое альбедо II цикл климатических изменений: асимметрия полярных шапок: Прецессия и эксцентриситет орбиты CO 2 H2OH2O OMEGA / HRSC Mars Express/OMEGA Bibring et al. (Nature 2004) Показано, что лед Н 2 О лежит под углекислым льдом и выступает из под него

50. Прецессия орбиты, эксцентриситет и инсоляции на полюсах: перевернутый перигелий данные J. Laskar (2004) (IMC/Paris) 100 000 лет экцентриситет сезон в перигелии летняя инсоляция Montmessin et al. (JGR 2007) Больше инсоляция Северного полюса Больше выброс водяного пара В 2-3 раза больше воды в атмосфере Моделирование

53. Что дальше? 1)До сих пор нет хороший наблюдений вертикального распределения водяного пара. Exomars Orbiter может решить эту проблему 2)Обмен между реголитом и атмосферой также плохо понят, нужны измерения на месте 3)Роль подповерхностных резервуаров также плохо определена, недавнее моделирование при низком наклонение оси вращения (~15°), уменьшение давления =>увеличение подпов.температуры, возможное эпизодическое таяние подповерхностных резервуаров 4)Недавние изменения климата до сих пор плохо поняты: новые данные радара 5mbar СO2 под южной полярной шапкой, вариации давления от 0.5 до 12 mbar 5)Радиационно-активные облака только начали включаться в модели: нет согласия между результатами, от сильного парникового эффекта (десятки Кельвинов) до минимальных изменений

54. Спасибо за внимание!

55. 55 2022 20162018202020132011 2024 MAVEN Mars Science Laboratory MAX-C (NASA) Mars Network Mars Sample Return ExoMars (ESA) ExoMars Trace Gas Orbiter (ESA-NASA) Future Plans International Exploration of Mars Россия

56. Планируемые миссии Mars Science Laboratory (NASA 2011) rover $1.9B –900 kg, 80 kg приборов; RTG power –Приборы для поиска следов жизни и оценки условий. Российский прибор DAN Scout 2013, NASA: MAVEN для исследования процессов диссипации атмосферы ExoMars (ESA 2016) rover + lander? ~1B€ (min 1.2 B€ rqrd) –150-200 kg?, 10 kg? payload –Бурение на 2 м –Приборы для поиска следов жизни и оценки условий. 2 прибора с российским участием Спутник MSO (NASA 2016?) для измерения хим. состава атмосферы (метан+) и мониторинга климата.

57. Температура поверхности «Гиперконтинентальный» климат  Вариации температур от 20°C около полудня до -100°C ночью  Низкая тепловая инерция поверхности по сравнению с Землей и ее океанами. Слабая атмосфера. Сильные суточные вариации температуры Карта температур южного полюса Марса перед летним солнцестоянием по данным ИК камеры THEMIS/Марс-Одиссей Викинг 1: Температура Марса у поверхности 1,6 м, 22N,  Летом полярные области нагреваются сильнее и температура падает к экватору  В равноденствие температура падает от экватора к полюсам

58. Состав атмосферы Марса Марсианская атмосфера над бассейном Argyre, фотография Викинга ГазМарсЗемля CO 2 95,3%0,035% N2N2 2,6%78% Ar1,6%0,93% O2O2 0,13%20,6% CO0.07%2 10 -5 % H2OH2O10 -4 -0,1%~0,4% O3O3 3 10 -6 %1 10 -5 % CH 4 1 10 -6 %1.75 10 -4 % Основные циклы: 1)Цикл углекислого газа 2)Водяной цикл 3)Пылевой цикл мезосфера Температурный профиль

59. Эксперимент ХЭНД на борту Марс-Одиссей: Северное полушариеЮжное полушарие Открытие распределения подповерхностного водяного льда в полярных областях и многолетний мониторинг сезонных полярных шапок

60. Марс-Одиссей: открытие подповерхностного льда (обогащенная водородом слой) Mitrofanov et al., 2002; Feldman et al., 2002

61. Марс: наиболее близкая по климатическим параметрам к Земле планета  Давление = 6 mbar, 95% CO 2 (меняется с сезоном из-за конденсации атмосферы)  Средняя температура поверхности = -50°C  Мало воды в атмосфере = несколько осажденных мкм, большие резервуары в полярных шапках и грунте  Аэрозоль в атмосфере (  ~ 0.2) : –Пыль с поверхности  сильный разогрев атмосферы –Глобальные пылевые бури –Ледяные конденсационные облака (H 2 O, CO 2 ) (cirrus type)  Циркуляция земного типа: –Ячейка Хэдли в солцестояниях –Сильные волновая активность на средних и высоких широтах осенью и зимой

62. Ls=96 ° Tharsis Ls=342° Ls=13 ° Ls=47 ° Впервые наблюдалась температурная инверсия в полярном воротнике на высоте 10-20км, связанная с нисходящей ветвью ячейки Хэдли (Ls=342). Она исчезает, когда изменяется характер циркуляции (Ls=13) Сезонные изменения строения атмосферы в северной полярной области от весеннего равноденствия (Ls=0°) до летнего солнцестояния (Ls=90°) -лето в северном полушарии и до осеннего равноденствия (Ls=180°) Ls=192 Ascraeus Elysium Alba Patera Np Температурные профили ПФС – полоса 15 мкм CO 2

63. Тепловая структура атмосферы ниже 50 км: сравнение результатов ПФС с моделью общей циркуляции (Giuranna et al., 2007) Утро Вечер L s = 50-70 (весна в северном полушарии) ПФС Модель общей циркуляции EGCM