Используя данные российского прибора ACS на борту аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» сотрудник Института космических исследований РАН Екатерина Стариченко и её коллеги из ИКИ РАН и научных учреждений других стран исследовали внутренние гравитационные волны в атмосфере Марса.

С помощью специально разработанного алгоритма удалось впервые оценить параметры внутренних гравитационных волн на высотах до 160 километров от поверхности планеты и определить, как на их активность влияет смена сезонов и пылевые бури на Марсе. Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.

Внутренние гравитационные волны (ВГВ, английский термин gravity waves) проявляются в атмосфере или жидкой среде в виде колебаний её плотности, температуры или давления. Такие колебания обусловлены нарушением равновесия в атмосферном столбе между силами тяжести и Архимеда для некоторого объёма воздуха. Их следует отличать от астрофизических гравитационных волн, по-английски gravitational waves, которые являются колебаниями самого пространства-времени.

Привычные нам волны на поверхности воды также являются внутренними гравитационными волнами, поскольку возникают на границе воды и воздуха, имеющих разную плотность. Поэтому другое название таких волн — волны плавучести. В толще воды они образуются, если её разные слои обладают, например, разной солёностью и потому разной плотностью. В столбе атмосферы плотность тоже разная — она, как и давление, меняется с высотой по известному барометрическому закону — уменьшается с ростом высоты по экспоненте.

Гравитационные волны возбуждаются в результате различных процессов: например, при обтекании гор воздушным потоком, ветром, либо в ходе конвекции, то есть переноса тёплого объёма воздуха вверх, а холодного вниз. Образованная волна далее поднимается в менее плотные слои атмосферы, где её амплитуда растёт. На определённой высоте, когда воздух становится очень разрежённым, волна рассеивается (диссипирует), передавая запасённые импульс и энергию окружающей атмосфере, ускоряя или замедляя «соседние» воздушные течения. Аналогичную диссипацию мы также можем наблюдать при обрушении волн на поверхности воды. В атмосфере же гравитационные волны можно увидеть по «ребристой» структуре облаков: в этих местах колебания температуры вызывают чередующиеся слои с конденсацией водяного пара или, наоборот, испарением капель, из-за чего мы наблюдаем «рёбра».

Характерный масштаб ВГВ, длина волны, в атмосферах планет земной группы составляет около 200–400 км по горизонтали и от 5 до 40 км по вертикали. При этом амплитуда колебаний температуры достигает 10–20 градусов.

Гравитационные волны играют очень большую роль в динамике атмосферы, так как они очень эффективно переносят энергию и вещество из нижних слоёв атмосферы в верхние, где обычно вещества и энергии намного больше, чем наверху. Поэтому такой перенос может кардинально изменить структуру верхней атмосферы и ее свойства даже на глобальном масштабе, хотя сами эти волны могут показаться какой-то мелкой рябью.

Изучать внутренние гравитационные волны на других планетах: Венере и Марсе, а также планетах-гигантах необходимо, чтобы лучше понимать механизм их атмосферной циркуляции.

На практике ВГВ выявляют по измерениям плотности и температуры разных слоёв атмосферы. Это делают дистанционно с орбиты, анализируя атмосферные спектры в тех интервалах, где измеряемое излучение эффективно поглощается газами, например, углекислым газом СО₂ на Марсе и Венере. Применяют также и контактные (in situ) методы, когда аппарат сам погружается в атмосферную среду во время спуска или аэроторможения. В этом случае плотность измеряется либо масс-спектрометром на борту, либо по изменению скорости зонда при аэроторможении. До недавнего времени статистика этих данных для Марса была нерегулярной и ограничивалась либо наблюдениями верхней атмосферы, либо наблюдениями нижней с довольно низким разрешением по высоте.

Спектрометрический комплекс ACS на борту аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» был разработан для изучения малых газовых составляющих атмосферы Марса, а также исследования ее температурной структуры. Прибор работает в режиме солнечного просвечивания, измеряя с орбиты спектры излучения Солнца на восходе и заходе, прошедшие через разные слои атмосферы. Анализ этих спектров в интервалах, где сильно поглощает молекула СО₂ (основная компонента марсианской атмосферы), позволяет получить плотность и температуру в широком диапазоне высот, от 10 до 180 км относительно поверхности. Такие вертикальные профили ACS регистрирует очень детально по высоте, с разрешением в 1 км, что и позволяет выявлять наличие волн.

На основе этих данных Екатерина Стариченко, младший научный сотрудник отдела физики планет ИКИ РАН, и её коллеги из института, а также научных учреждений ФРГ, США и Франции, оценили параметры гравитационных волн на высотах от 10 до 160 км, то есть внутри тропосферы, мезосферы и термосферы Марса.

В работе использовались данные ближнего и среднего инфракрасного каналов комплекса ACS, спектральные интервалы около 1,58 и 2,7 микрометров. По измеренным профилям температуры исследователям предстояло определить параметры гравитационных волн. Важной задачей являлось выделить из каждого профиля периодические колебания температуры. Для этого был разработан специальный алгоритм сглаживания профиля — так называемый «метод скользящих полиномов». Далее, на фоне полученной сглаженной кривой выявлялись волны по всему вертикальному профилю атмосферы. На выходе были получены оценки распределения с высотой амплитуды, потенциальной энергии и других параметров ВГВ, такие как частота Брента-Вяйсяля, характеризующая резонансную частоту колебаний, и ускорение, которое передаётся атмосфере при разрушении волны.

Таким образом, исследователи смогли не только получить «моментальную картину» происходящего на Марсе, но и проследить, как меняются параметры гравитационных волн в зависимости от сезона, времени суток и широты. Было обработано несколько тысяч атмосферных профилей за время наблюдений, включающее два марсианских года: с середины 34-го (MY34) до середины MY36. В нашем календаре это соответствует периоду с мая 2018 до февраля 2022 г.

Исследование подтвердило, что гравитационные волны в атмосфере Марса являются повсеместным явлением, как и на Земле, вне зависимости от времени суток и сезона. Их амплитуда растет вплоть до высот 100–120 км — области мезопаузы, самого холодного слоя марсианской атмосферы. Здесь, в основном, происходит насыщение и разрушение волны, а её импульс и энергия передаются окружающей атмосфере. Удалось оценить их величины, они соответствуют результатам существующих глобальных климатических моделей марсианской атмосферы.

Другой вывод — во время марсианских равноденствий (период весны и осени для полушарий) активность волн распределена симметрично относительно экватора. В это время оба полушария планеты получают одинаковый поток солнечного излучения. А вот во время солнцестояний, когда одно из полушарий больше прогревается Солнцем, чем другое, волновая активность смещается в зимнее полушарие. В эти сезоны мы наблюдаем, как волны «успокаиваются» летом и усиливаются зимой.

ACS также проводил измерения с орбиты и во время последней глобальной пылевой бури на Марсе, с июня по август 2018 года (34 марсианский год). В этот период в районе Северного полюса активность гравитационных волн уменьшалась в нижней атмосфере и возрастала в верхней, по сравнению с «непылевыми» сезонами. Интересно, что в регионе Южного полюса повышенная пылевая активность волн наблюдалась, наоборот, в нижней атмосфере. Это стало открытием для учёных, поскольку существующие модели циркуляции не могут предсказать такое поведение в атмосфере ниже 80 км.

Наблюдения ACS и обработка научных данных продолжаются. Весной 2024 земного года исполнилось шесть земных лет с начала работы TGO на орбите. Ученые с нетерпением ждут следующей глобальной пылевой бури, которая может случится в 37–38 марсианском году или позже. Это даст возможность подтвердить необычное поведение «пылевых» волн 34 года. Кроме того, многолетняя статистика данных позволит выявить возможное влияние одиннадцатилетних циклов солнечной активности на ВГВ, а значит, и на всю циркуляцию атмосферы Марса.

Космический аппарат TGO (Trace Gas Orbiter) — часть проекта «ЭкзоМарс». TGO был запущен в марте 2016 г. в рамках первой миссии проекта «ЭкзоМарс-2016» и успешно работает на орбите вокруг Марса с весны 2018 г. Его научные задачи — регистрация малых газовых составляющих марсианской атмосферы, в том числе метана, водяного пара, картирование наличия воды в верхнем слое грунта с высоким пространственным разрешением порядка десятков км, стереосъёмка поверхности. На аппарате установлены два прибора, созданные в России, в ИКИ РАН: спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suite, Комплекс для изучения химии атмосферы) и нейтронный телескоп высокого разрешения ФРЕНД (FREND, Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector).

Источник: ИКИ РАН.