Test Тест 1

Test
Тест
Test1
Тест
2
Восстановление высотных профилей оптических
характеристик марсианского аэрозоля по
лимбовым измерениям спектрометра OMEGA
миссии MARS-EXPRESS
Майоров Б. С. (ИКИ РАН)
Научный руководитель: зав. лаб., к. ф.-м. н. Засова Л. В. (ИКИ РАН).
Содокладчики: Васильев А. В. (НИИФ СПбГУ),
Bibring J.-P. (L'Institut d'Astrophysique Spatiale, CNRS-Universite de Paris)
08 - 09 апреля 2008 г. Россия, г. Москва, Институт космических исследований РАН.
V конференция молодых учёных
«Фундаментальные и прикладные космические исследования»
2008-04-08. Секция II. Атмосфера, гидросфера и литосфера Земли и планет
Описание миссии и прибора OMEGA.
3
Европейская миссия Mars-express (запуск 2 июня 2003 г.; космодром Байконур)
Орбитальный космический аппарат: с 26 декабря 2003 г. искусственный
спутник Марса.
Картирующий спектрометр видимого и инфракрасного спектральных
диапазонов для исследования минерального состава поверхности Марса.
Российское участие:
сканирующее устройство
4
Описание прибора OMEGA.
Некоторые характеристики спектрометра:
Спектральный диапазон:
VNIR канал
Спектральный диапазон:
0.37 ÷ 1.05 мкм
SWIR канал
0.93 ÷ 2.73 и 2.55 ÷ 5.1 мкм
Спектрал. дискретизация: 0.0045 - 0.007 мкм
0.013 мкм
Простран. дискретизация:
1.2 мрад (мгновенное FOV)
на лимбе (с 300 км):
0.4 мрад
≥ 0.6 км
≥ 2 км
0.020 мкм
Лимбовые измерения OMEGA.
Примеры лимбовых измерений:
- Орбита № 0285.
- Первое наблюдение на орбите № 0291
Координаты лимба:
долгота: 13° E
широта: - 44° N
Пиксель # 2 сканера
Пиксели сканера
Пиксели сканера
5
Модель планеты, приближения.
Сферическая симметрия:
C – центр планеты
- Сферическая форма твёрдого тела планеты с радиусом R > 0;
- Сферически-симметричные свойства атмосферы и поверхности.
6
Геометрия орбитальных наблюдений.
Базируется на точке наблюдения D (точка детектора или наблюдения).
Детектор не может быть внутри твёрдого тела планеты ( CD  R ); h d  CD  R
e - единичный вектор внешней нормали в точке D.
n
7
Геометрия орбитальных наблюдений.
es - единичный вектор направления на Солнце.
(Солнце бесконечно далеко от области наблюдений: нет параллакса).
8
Геометрия орбитальных наблюдений.
e v - единичный вектор направления визирования.
4 независимых параметра полностью определяют геометрию наблюдений.
9
Общепринятая орбитальная геометрия.
10
OMEGA и др. орбитальные приборы используют геометрию (i, e, φ, s, ht):
Преобразования
координат:
hd 
z s  arccos


R cos e  s

z v  arccos 

2
2
R  s  2 Rs cos e 

 v  arccos
R 2  s 2  2 Rs cos e  R
R cos i  s cos 
R 2  s 2  2 Rs cos e
R cos i cos e  cos    s cos i  cos e cos  
sin e R 2 sin 2 i  s 2 sin 2   2 Rs cos e  cos i cos  


s sin e

z v  arccos 
2
2
R

s

2
Rs
cos
e


, e  0, z s  0,
z s  180
Особенности орбитальной геометрии.
Общепринятое
описание не
чувствительно к:
- направлению FOV;
- моде наблюдений
(поверхность или
лимб) без
использования ht.
Критерий для моды наблюдений (только для тупого угла zv; IFOV=0):
 R

hd  R sin zv  R
 R

- наблюдение поверхности,
- разрыв интенсивности и атмосферного пропускания,
- Лимбовые наблюдения
11
Лимбовые измерения OMEGA.
12
Общая теория и приближения
13
- Феноменологический подход (излучение – поток энергии)
Спектральная
(по
 , монохроматическая) интенсивность (в ДПСК Cxyz):
I  I x, y, z, ed , , t 
ed - Единичный вектор направления; t – время.
- Нет поляризации.
- Линейная теория (для процессов ослабления и генерации излучения).
- Нет перераспределения энергии по длинам волн.
Скалярное уравнение переноса излучения (в дифференциальной форме):
n I
2   I 
n
 I  
 2 
d  n  c t
- Стационарность поля излучения:
- n  const , нет рефракции n  1 .
n – показатель преломления;
 - коэффициент экстинкции;
 - коэффициент излучения.
n 2 I
I

c t
d
Скалярное стационарное уравнение переноса излучения в инвариантной
форме:
e , I   I  
d
14
Другие приближения
-
Падающее
солнечное
излучение
представляет
собой
пучок
параллельно распространяющихся фотонов.
- Элементарный объём среды изотропен для падающего излучения,
а индикатриса рассеяния аксиально-симметрична.
Радиационный код
15
Радиационный код SCATRD [Васильев, 2006] для вычисления интенсивности
рассеянного солнечного излучения в сферической атмосфере.
Адаптация к орбитальной моде спектрометрических наблюдений:
код SCATRD-OFOS [Майоров и Васильев, 2006]
Интернет-сайт: http://spectrum.iki.rssi.ru/optics/
Особенности кода:
- оптические параметры атмосферы непрерывные кусочно-линейные функции
высоты (неоднородные слои);
- таблично-заданные (произвольные) индикатрисы рассеяния;
- изотропно отражающая поверхность;
- возможность вычисления приближении однократного и двукратного рассеяния
по точным формулам (для многократного рассеяния метод Монте-Карло);
- тепловое излучение не учитывается;
- детальные настройки расчётов;
- подробное описание;
- работа над совершенствованием кода продолжается.
Цель исследования.
Надирные измерения: существенный вклад поверхности в спектр
(свойства изменяются в пространстве, если нет
пылевой бури).
Лимбовые измерения: для определения свойств аэрозоля (атмосферы).
Получить из этих данных оптические свойства марсианской аэрозольной
среды
(разработка алгоритма)
16
Анализ лимбовых данных OMEGA.
Орбита № 291, первое наблюдение.
- λ = 1.227 μm.
- 54 узла по высоте, задающих свойства («аэрозольной») атмосферы:
от поверхности (h=0 км) до верхней границы (h = 53 км).
- Параметризация аэрозоля:
[Ockert-Bell M. E. et a., 1997]
Henye-Greenstein индикатриса g(h,  )  0.63;
0 a  0.95.
Вт
.
- FO    57.81 2
м мкм
- Asurface  0.25.
- Радиус Марса R = 3395 км ([Allen, 1973]).
- Ошибка расчётов методом Монте-Карло ≤ 1 %.
- FOV не учитывалось.
[Mayorov et al., 2006]
17
Анализ лимбовых данных OMEGA.
First rough estimation: calculation for exponentially distributed aerosol:
H0  10 km
  0.10
18
Результаты анализа данных OMEGA.
Retrieving vertical distribution of aerosol: analogically to "onion peeling" technique.
H0  10 km
  0.10
  0.21
  0.21
19
Выбор аэрозольных каналов.
20
Были проанализированы данные спектрометра OMEGA в диапазоне длин
волн от 0.4 до 3.4 мкм, в котором были выбраны участки свободные от полос
поглощения газов (CO2, H2O, CO и др.) с учётом разрешения прибора.
Выбраны аэрозольные каналы для анализа данных спектрометра OMEGA.
Список аэрозольных каналов.
21
Выбранные аэрозольные каналы для анализа данных спектрометра OMEGA
Условный номер
Длина волны, мкм
Канал OMEGA
01
0.4238
VIS
02
0.4609
VIS
03
0.4835
VIS
04
0.5210
VIS
05
0.6104
VIS
06
0.6773
VIS
07
0.99776
IR C
08
1.24173
IR C
09
1.68640
IR C
10
1.72914
IR C
11
2.21877
IR C
12
2.28690
IR C
Лимбовые измерения OMEGA.
22
Параметризация свойств аэрозоля
23
Аэрозольная оптическая модель может быть записана как функция
X  M (P)
Аэрозоль: однородные сферические частицы => оптические свойства полностью
определяются микрофизическими параметрами (комплексным показателем
преломления вещества фракций; концентрацией частиц отдельных мод фракций,
их функциями распределения по размерам).
I
X   ni (h)x( , mi ( ), pi ,1 (h),..., pi , K ( i ) (h))
i 1
I – общее число мод функции распределения аэрозольных частиц по размерам (с учётом всех фракций);
ni(h) – счётные концентрации частиц каждой моды, зависящие от высоты h;
mi(λ) – комплексный показатель преломления вещества каждой фракции;
pi,,k(h) - параметры функции распределения частиц по размерам для каждой моды k= 1,…, K(i) параметров;
x( ) – известный алгоритм расчёта оптических параметров ансамбля частиц для единичной концентрации.
Мало-параметрическая модель (минимизируем количество параметров):
- в составе аэрозолей доминирует одно вещество (mi(λ) - фиксированная функция);
- число параметров функции распределения частиц по радиусам = 2;
- число мод распределения = 1.
X  n(h)x(, m( ), p1 (h), p2 (h))
Параметризация свойств аэрозоля
24
X  n(h)x(, m( ), p1 (h), p2 (h))
Параметризация спектральной зависимости характеристик аэрозолей Марса.
Параметра(-функции) всего три: профили концентрации частиц n(h) и профили параметров
функции распределения p1(h), p2(h). При этом зависимость от концентрации линейная.
Это позволяет перейти непосредственно к параметризации спектрального хода оптических
аэрозольных характеристик – функции подлежащие определению параметры модели уже
не зависят от длины волны. Задав на определённой высоте концентрацию аэрозолей и
параметры функции распределения, находим требуемые оптические характеристики X.
Учитывая возможности современных компьютеров, для указанной аппроксимации
предлагается предварительная табуляция функции на заданных сетках параметров.
x( ( j ), p1 (k ), p2 (l ))
Задача параметризации спектрального хода оптических аэрозольных характеристик
решена не в традиционном стиле аналитической аппроксимации, а в современном,
основанным на возможностях сегодняшней вычислительной техники.
Код параметризации свойств аэрозоля
25
x( ( j ), p1 (k ), p2 (l ))
Компьютерные коды CompAM, реализующие параметрическую аэрозольную модель.
[Майоров и Васильев, 2008].
Интернет-страница: http://spectrum.iki.rssi.ru/optics/
Особенности кода:
- сначала генерируется база данных, хранящая таблицу, а затем используется и собственно
функция параметризации, выдающая значения оптических характеристик x по конкретно
заданным значениям λ, p1, p2.
- табуляция характеристик аэрозоля с заданной точностью (неравномерная трёхмерная
таблица).
- извлечение данных для произвольных значений осуществляется трёхмерной линейной
интерполяцией по таблице.
- реализация параметризации выполнена в достаточно общем виде: предусмотрено
задание произвольных аэрозольных веществ и нескольких функций распределения
частиц по размерам.
- детальные настройки расчётов;
- подробное описание;
- работа над совершенствованием кода продолжается.
Параметризация свойств аэрозоля Марса
26
Для рассматриваемой нами задачи в качестве аэрозольного вещества для
атмосферы Марса использовались данные по комплексному показателю
преломления из полуэмпирической модели [Ockert-Bell и др., 1997]. Распределение
частиц по радиусам – модифицированное гамма-распределение
 (r / rm ) ( /  ) ( 1) /  exp  ( /  )( r / rm ) 
f (r ) 
rm ((  1) /  )
Для уменьшения числа параметров мы зафиксировали при параметризации
значение   0.5 [Korablev и др., 2005], т. е. рассматривали функцию распределения с
двумя параметрами: rm - модальный радиус (в мкм),
α - безразмерный (отвечающий за ширину распределения).
Анализ лимбовых данных OMEGA.
Экспоненциальное распределение аэрозоля (n0 = 2 см-3, H0 = 10 км, rm = 0.05 мкм, α = 1.5)
27
Результаты анализа данных OMEGA.
Экспоненциальное распределение аэрозоля (n0 = 2 см-3, H0 = 10 км, rm = 0.05 мкм, α = 1.5)
Фиксированное значение параметра ширины распределения частиц по размерам α = 1.5)
28
29
Выводы.
-
Радиационный
код
SCATRD
успешно
адаптирован
к
орбитальным
спектрометрическим измерениям (код SCATRD-OFOS).
- Предложена параметризация спектральной зависимости оптических характеристик
аэрозолей с малым числом параметров (код CompAM) (для задач дистанционного
зондирования атмосферы Марса).
- На основе созданных авторами вышеуказанных кодов разработан алгоритм
восстановления высотных профилей микрофизических параметров аэрозоля из
орбитальных (лимбовых) спектрометрических измерений (для спектрометра
OMEGA миссии Mars-Express).
Дальнейшая работа.
30
- Радиационный код SCATRD и его применение к орбитальным спектрометрическим
измерениям (код SCATRD-OFOS).
- Код параметризации спектральной зависимости оптических характеристик
аэрозоля CompAM (прежде всего, для задач дистанционного зондирования
атмосферы Марса).
- Восстановление высотных профилей микрофизических параметров аэрозоля из
орбитальных (лимбовых) спектрометрических измерений (для спектрометра
OMEGA миссии Mars-Express) в полностью автоматическом режиме с применением
производных и МНК.
- Учёт FOV.
Спасибо за внимание!
Вопросы?
31