В 2016 году Мехди Бенна и его коллеги предложили команде проекта Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) дистанционно перепрограммировать космический аппарат MAVEN и его прибор для масс-спектрометра природного газа и ионов (NGIMS) для проведения уникального эксперимента. Они хотели посмотреть, могут ли части инструмента, которые обычно были стационарными, «достаточно быстро раскачиваться вперед и назад, как стеклоочиститель», чтобы инструмент мог собирать данные нового типа.
Первоначально команда проекта MAVEN не хотела вносить изменения, которые запрашивали Бенна и его коллеги. В конце концов, MAVEN и NGIMS находились на орбите Марса с 2013 года, и они неплохо работали, собирая информацию о составе атмосферы Марса.
Зачем подвергать все это риску? Бенна и его коллеги утверждали, что этот проект будет собирать новые виды данных, которые могут сформировать наше понимание верхних слоев атмосферы на Марсе, предоставить информацию для аналогичных исследований на Земле и помочь нам лучше понять планетарный климат.
Бенна, ученый-планетолог, работающий из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА с Центром космических наук UMBC (CSST), придумал идею стеклоочистителя во время мозгового штурма, как создать инструмент, который мог бы собирать информацию о глобальных моделях циркуляции в Верхние слои атмосферы Земли. Ему пришло в голову, что вместе MAVEN и NGIMS могут сделать то же самое на Марсе – и они уже были в космосе.
С некоторой настойчивостью и большим количеством предварительных анализов Бенна и его коллеги убедили руководство миссии MAVEN попробовать свою идею после того, как Lockheed Martin, производитель космических кораблей, решил, что модификации могут быть возможны без повреждения спутника. "Это умный реинжиниринг в полете того, как управлять космическим кораблем и прибором", – говорит Бенна. «И, выполнив и то, и другое – космический корабль делает то, для чего он не предназначен, а инструмент делает то, для чего он не предназначен – мы сделали возможными измерения ветра."
Волновой эффект
Новый документ был подготовлен в сотрудничестве с Юни Ли, также из CSST UMBC, и коллегами из Мичиганского университета, Университета Джорджа Мейсона и НАСА. Он основан на данных, собираемых два дня в месяц за два года с 2016 по 2018 год.
Одни результаты были ожидаемыми, другие были большими сюрпризами. «Приятно то, что модели, которые мы наблюдали в верхних слоях атмосферы, в целом совпадают с тем, что можно было бы предсказать на основе моделей», – говорит Бенна. "Физика работает."
В целом, средняя циркуляция от сезона к сезону на Марсе была очень стабильной.
Это все равно что сказать, что на восточном побережье США в течение года погодные системы обычно движутся с запада на восток предсказуемым образом.
Один сюрприз случился, когда команда проанализировала краткосрочную изменчивость ветров в верхних слоях атмосферы, которая оказалась больше, чем предполагалось. «На Марсе средняя циркуляция стабильна, но если вы сделаете снимок в любой момент времени, то ветер сильно изменчив», – говорит Бенна. Требуется дополнительная работа, чтобы определить, почему существуют эти контрастные модели.
Вторым сюрпризом было то, что ветер на высоте сотен километров над поверхностью планеты все еще содержал информацию о формах рельефа внизу, таких как горы, каньоны и бассейны.
Когда воздушная масса течет по этим объектам, «она создает волны – эффекты ряби – которые текут в верхние слои атмосферы», и может быть обнаружена MAVEN и NGIMS, объясняет Бенна. «На Земле мы видим такие же волны, но не на таких больших высотах. Это было большим сюрпризом, что они могут подниматься на высоту до 280 километров."
Бенна и его коллеги выдвигают две гипотезы, почему волны, называемые «орфографическими волнами», длятся так долго без изменений. Во-первых, атмосфера на Марсе намного тоньше, чем на Земле, поэтому волны могут беспрепятственно распространяться дальше, как рябь, движущаяся дальше в воде, чем в патоке.
Кроме того, средняя разница между географическими пиками и долинами на Марсе намного больше, чем на Земле. Нередко на Марсе горы достигают 20 километров в высоту, в то время как Mt. Эверест не достигает девяти километров в высоту, а большинство наземных гор намного короче.
«Топография Марса определяет это более явно, чем на Земле», – говорит Бенна.
Продвижение вперед
Продолжение анализа данных этого исследования может помочь ученым выяснить, действуют ли те же основные процессы в верхних слоях атмосферы Земли. По иронии судьбы, «нам пришлось провести эти измерения на Марсе, чтобы в конечном итоге понять то же явление на Земле», – говорит Бенна. «В конечном итоге результаты помогут нам понять климат Марса.
Каково его состояние и как оно развивается?"
Но команда не удовлетворена текущим набором данных. "Мы хотим продолжать измерять. У нас есть данные за два года, но мы не останавливаемся на достигнутом », – говорит Бенна.
Даже с тем набором данных, который у них уже есть, «впереди у нас много лет моделирования и анализа."Это кладезь информации, которую можно исследовать способами, которые еще не представлялись, чтобы узнать еще больше о том, как работают планеты.