Моделирование переноса излучения в атмосферах планет и наблюдаемых спектров на примере проектов Mars

Express и Venus Express

Н. Игнатьев. ИКИ РАН

Mars ExpressСпектрометры PFS, SPICAM, OMEGA

Venus ExpressVIRTIS (-H, -M), SPICAV/SOIR, PFS

Спектр Марса

Спектр Венеры

Моделирование переноса излучения и измеряемых спектров

• Газовое поглощение• Рассеяние излучения аэрозольными

частицами• Решение уравнения переноса излучения

Интенсивность излучения (спектр), интегральные потоки, производные интенсивности по параметрам атмосферы и т. д.

Газовое поглощение

• Полинейная модель (Line-by-line)=

• Отклонения от line-by-line – Интерференция состояний (line mixing)

Спектроскоспические базы данных

• HITRAN (Rothman et al.) / GEISA• High-T CO2 (Pollack et al., 1993), HITEMP (High temperature

HITRAN), CDSD (Carbon dioxide spectroscopic database, Ташкун и др.)

• Прочие базы данных и источникиПараметры линий

, , квантовые числа

Алгоритмы расчета газового поглощения

• Собственные• “Cтандартные”: FASCODE, LBLRTM• Эффективные (напр., с

неравномерной сеткой)• Эффективные алгоритмы расчета

фойгтовского контура (напр., Kuntz, 1997).

Перенос излучения

Перенос излучения

• Без учета рассеяния

• С учетом рассеяния – Приближенные (двухпотоковые)– Методы дискретных ординат и сферических гармоник

(DISORT / SHDOM)– Удвоение слоев, матричный оператор– Метод последовательных порядков рассеяния– Монте-Карло

Особенности для Марса и Венеры

• Уширение линий в атмосфере СО2 • Марс: в остальном трудностей не представляет

– Line cut-off 10 см-1, за исключением СО2 (особенно коротковолнового крыла полосы 4.3 мкм).

– за исключением Q-ветвей полосы СО2 15 мкм– отклонения от ЛТР в 4.3 мкм– Точность спектроскопических данных

• Венера: значительные трудности вследствие высокого давления

Спектр Марса (PFS/Mars Express)

H2O

CO

CO2

Спектр Венеры (Венера-15)

Спектр ночной стороны Венеры

• Т до 750 К• P до 92 атм• Оптические пути

до 500 км амага• Слабые полосы

СО2

• Полосы, индуцированные давлением, интерференция линий

• Поглощение в крыле

Спектр ночной стороны Венеры (VIRTIS-H)

Marcq et al. (2008)

Теоретические методы

• Ma & Tipping (90 е гг.)• Теория далекого крыла (Творогов и др.)

• Интерференция состояний (Hartmann, Филиппов и др.)

(Афанасенко, Родин)

Практический метод для моделирования спектров (Bezard, Marq et al., Haus, Kappel et al, Tsang, Irwin et al.)

• Bezard et al., 2011

SPICAV & VIRTIS-M / Venus Express (Bezard et al., 2011, 2009)

VIRTIS-M (Haus et al., 2010)

Неопределенность континуального поглощения

Tsang et al., 2008

Интерференция состояний (line-mixing)

• В центрах полос (Tran et al., 2011), 51 амага

• В крыльях полос

• Интерполяция коэффициентов поглощения• Загрубление сетки по волновому числу (напр., для PFS

Haus & Titov, 1997)• Приближение Curtis-Godson – замена неоднородного пути

однородным с эффективными T, p• (T, p) - интерполяция свернутых функций пропускания

(Венера-15, PFS, VIRTIS: Zasova, Grassi)• Сингулярное разложение матрицы (Strow et al., 1998)• Spectral mapping (Meadows & Crisp, 1996)• Correlated-k distributions (Lacis & Oinas, 1991)

Быстрые методы моделирования переноса излучения и расчета спектров

Восстановление Т-профиля в атмосфере Венеры (60-90 км) по полосе СО2 4,3 мкм по данным VIRTIS-M с интерполяцией ф-й

пропускания

Zasova et al., 2005

Восстановление Т-профиля в атмосфере Венеры (60-90 км) по полосе СО2 4,3 мкм по данным VIRTIS-M с интерполяцией ф-й

пропускания

(Grassi et al., 2008; сдвиг на 0.005 ед.)

Проблема: точный расчет с рассеянием возможен только с монохроматическими поглощениями

Решения• Монте-Карло (для интегральных потоков)• Загрубление сетки, напр. 1 см-1

• Spectral mapping (D. Crisp)• Метод k-распределения (KD k-distribution,

CKD – correlated k-distribution)

Метод к-распределения (k-distribution)

Correlated-k distribution для Венеры (Tsang et al., 2008)