АЦС/ACS Комплекс для изучения химии атмосферы (Atmospheric Chemistry Suite)

Задача эксперимента — исследования атмосферы и климата Марса с орбиты его искусственного спутника, поиск малых составляющих атмосферы, в том числе метана. Предполагается, что этот газ может свидетельствовать о возможной биологической активности на планете.

ACS включает три спектрометра и блок электроники. Спектрометры будут зондировать атмосферу Марса в разных режимах: солнечных затмений, при котором свет Солнца проходит через атмосферу Марса и регистрируется прибором, а также дневных и ночных наблюдений в надир, когда регистрируется отраженный солнечный свет и собственное излучение планеты. По характерным особенностям полученных спектров можно судить, какие вещества составляют атмосферу, определять их концентрацию и распределение по высоте.

Спектрометры в составе комплекса АЦС используют многие технические решения, отработанные во время предшествующих космических миссий и экспериментов: СПИКАМ (проект «Марс-Экспресс», ЕКА, 2003-н/вр), РУСАЛКА (МКС, 2009-2011), ПФС («Марс-96», «Марс-Экспресс» и «Венера-Экспресс», ЕКА, 2005-2015). От предшественников комплекс отличает более высокое спектральное разрешение и чувствительность.

Цели эксперимента АЦС:

• Определить концентрации малых составляющих атмосферы, в том числе метана, с чувствительностью до одной частицы на триллион в объёме (ppt)
• Исследовать распределение отношения дейтерия к водороду (D/H) в атмосферной воде
• Зарегистрировать соединения кислорода с водородом: H₂O₂, OH, HO₂ и др.
• Построить тепловые карты Марса, карты распределения аэрозолей (пылевых и ледяных), водяного пара

Основные параметры АЦС:

Режимы наблюдений:

• солнечные затмения (все приборы),
• дневные надирные наблюдения (ТИРВИМ и НИР),
• ночные надирные измерения (ТИРВИМ)

Масса — 33,3 кг

Потребление — 50 Вт

Спектральный диапазон — 0,7–17 мкм

Объём телеметрии — 1,6 Гбит в день

Спектрометры в составе комплекса АЦС:

НИР/NIR (Near-IR)

Эшелле-спектрометр ближнего инфракрасного диапазона (0,7 – 1,6 мкм) высокого разрешения, предназначен для мониторинга вертикальных профилей и распределения водяного пара, исследования дневного свечения молекулярного кислорода, поиска ночных свечений, вызываемых фотохимическими процессами в атмосфере Марса.

НИР сочетает технику Эшелле-спектрометра и акустооптического перестраиваемого фильтра (АОПФ/AOTF, Acousto-Optic Tunable Filter), который разделяет порядки дифракции. Спектральное разрешение прибора составляет ~20 000, причем прибор может одновременно вести запись спектров высокого разрешения в широком диапазоне длин волн. Его отличают малые габариты, низкое энергопотребление и высокая надежностью из-за отсутствия механических частей.

Ближайший аналог НИР — инструмент РУСАЛКА (сокращение от «РУчной Спектральный АнаЛизатор Компонентов Атмосферы»), работавший на МКС в 2009-2012 гг. С его помощью космонавты успешно измеряли содержание CO2 и CH4 в земной атмосфере. Но на МКС прибор находился внутри жилого отсека станции. Условия на орбите Марса, в которых будет находиться НИР, сильно отличаются. Кроме адаптации для автономной работы в открытом космосе, в прибор внесены некоторые поправки, улучшающие чувствительность и оптические качества.

МИР/MIR (Mid-IR)

Эшелле-спектрометр среднего инфракрасного диапазона (2,3–4,2 мкм) для измерения содержания метана, отношения дейтерия к водороду, поиска малых составляющих атмосферы и исследования аэрозолей.

Прибор представляет собой эшелле-спектрометр со скрещенной дисперсией. Угловая дисперсия эшелле-решетки и сканирующей дифракционной решетки ориентируются во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом на детекторе спектры соседних порядков эшелле располагаются друг над другом, обеспечивая одновременное измерение спектра в широком диапазоне с высоким спектральным разрешением, покрывая в одном кадре спектральный интервал шириной до 300 нм. Это позволяет отображать различные атмосферные газы одновременно.

Подобные инструменты широко используются в астрономии, а в планетных миссиях работали на аппаратах «Розетта» и «Венера-Экспресс» (ЕКА) — спектрометры высокого разрешения VIRTIS-H. МИР имеет более высокую разрешающую способность (~50 000) и более широкий одновременно измеряемый спектральный диапазон, чем у приборов на основе АОПФ. Движущийся диспергирующий элемент позволяет переключаться между группами дифракционных порядков в течение одной последовательности измерений. Высокое спектральное разрешение и хорошее отношение сигнал/шум (~5000 без учета усреднения) позволит при наблюдении солнечных затмений достичь предела детектирования метана 20–50 частей на миллиард.

ТИРВИМ/TIRVIM

Фурье-спектрометр теплового инфракрасного диапазона (1,7–17 мкм), который работает по принципу V-образного интерферометра (двойной маятник). Эта идея продолжает инициативу Василия Ивановича Мороза (его инициалы ВИМ стали частью названия), создателя школы исследований планет в ИКИ в 1968–2004 годах, который впервые ввел Фурье-спектрометры в эту область космической науки и значительно способствовал их развитию.

Подобно ПФС ТИРВИМ имеет апертуру 50 мм, но у него охлаждаемый детектор. Он может работать в двух различных режимах: наблюдений в надир, на дневной и ночной стороне, и в режиме солнечных затмений. Основная научная задача — мониторинг профилей температуры в атмосфере и измерения содержания аэрозоля при наблюдениях в надир.

В первом случае ТИРВИМ измеряет профили температуры по полосе углекислого газа 15 мкм и содержание малых составляющих в атмосфере. Во втором режиме — ведёт ведёт мониторинг пыли, облаков и температуры поверхности, картирование метана в полосе 3,3 мкм.