Skip to main content

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

 

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, 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.

Направления лучей зрения спектрометров в комплексе АЦС (с) Роскосмос/ЕКА/АЦС/ИКИ
Спектральный диапазон, в котором работают приборы АЦС, и области детектирования различных веществ (с) Роскосмос/ЕКА/АЦС/ИКИ

Разработчики и соисполнители:

Заказчик — Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос»

Головной исполнитель — Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН).

Научный руководитель эксперимента АЦС — д.ф.-м.н. Олег Игоревич Кораблев, заведующий отделом физики планет ИКИ РАН

Заместитель научного руководителя — Франк Монмессан, Лаборатория исследований атмосферы, окружающей среды и космоса Национального центра научных исследований (LATMOS CNRS), Франция

В приборе использованы ключевые компоненты и разработки: следующих организаций: ОАО «Научно-исследовательский институт микроприборов им. Г.Я. Гуськова» (г. Зеленоград), ООО «НПП «Астрон Электроника» (г. Орел), LATMOS CNRS (Франция), Главная астрофизическая обсерватория Национальной академии наук Украины (ГАО НАНУ), ОАО «Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения» (ОАО «НИИ ОЭП», г. Сосновый Бор, Россия), AMOS и Xenix (Бельгия), SOFRADIR (Франция), RICOR (Израиль), Spectral Systems LLC (США), Научно – исследовательский институт космических и авиационных материалов (ООО «НИИКАМ», Переславль-Залесский), ОАО «Композит» (г. Королёв).

Страница эксперимента АЦС http://www.planetary-department-iki.ru/projects/future/acs/acs.html