Επιτόπιες μετρήσεις ανέμου στο οριακό στρώμα του πλανήτη του Άρη
Το Planetary Boundary Layer (PBL) είναι μια σημαντική περιοχή στον Άρη και σε άλλους πλανήτες, συμπεριλαμβανομένης της Γης, επειδή βρίσκεται σε επαφή με την επιφάνεια. Είναι, επομένως, το στρώμα που ελέγχει τη μεταφορά υλικού, νερού, σκόνης, ρύπων ή άλλου επιφανειακού υλικού στους ανέμους της ανώτερης ατμόσφαιρας όπου στη συνέχεια μεταφέρεται σε όλο τον πλανήτη.
Στον Άρη, μελετάμε αυτήν την περιοχή για να βελτιώσουμε την κατανόησή μας για τη μεταφορά πτητικών, όπως το νερό, και ιζηματογενούς υλικού, όπως η σκόνη. Στη Γη, υπάρχουν διαθέσιμα όργανα για τη μελέτη των ανέμων σε αυτήν την περιοχή. Ωστόσο, στον Άρη, αυτά τα όργανα δεν έχουν ακόμη αναπτυχθεί. Στην εργασία μας αναλύουμε τη μετατόπιση του υλικού του διαστημικού σκάφους, που παρατηρείται σε διάφορες τοποθεσίες προσγείωσης στον Άρη, για να παρέχουμε ένα μοναδικό σύνολο άμεσων επιτόπιων μετρήσεων ανέμου στο PBL.
Για να κατέβει στην ατμόσφαιρα του Άρη, το σκάφος προσεδάφισης στεγάζεται μέσα σε ένα αεροθάλαμο (εικόνα 1) εξοπλισμένο με θερμική ασπίδα. Το αεροκέλυφος χρησιμοποιεί την ατμόσφαιρα για να επιβραδύνει από υπερηχητικές ταχύτητες σε υπερηχητικές ταχύτητες απορροφώντας και διασκορπίζοντας την ενέργεια με τη θερμική ασπίδα του. Μόλις το διαστημικό σκάφος ταξιδεύει με υπερηχητικές ταχύτητες, ένα αλεξίπτωτο αναπτύσσεται συνήθως μεταξύ 5 και 12 km πάνω από την επιφάνεια. Συμπτωματικά, το υψόμετρο ανάπτυξης του αλεξίπτωτου συμβαίνει περίπου στην κορυφή του PBL. Στη συνέχεια, το αλεξίπτωτο επιβραδύνει το διαστημόπλοιο σε υποηχητικές ταχύτητες. Λίγο μετά την ανάπτυξη του αλεξίπτωτου, η θερμική ασπίδα απορρίπτεται. Αυτό επιτρέπει στο τελευταίο τμήμα του συστήματος προσγείωσης να λειτουργεί, δηλαδή το ραντάρ για τη μέτρηση του υψομέτρου και την ανάπτυξη των ποδιών προσγείωσης ή των αερόσακων.
Μετά από αυτό το σημείο, τα συστήματα προσγείωσης ενδέχεται να διαφέρουν ως προς τη λειτουργία τους. Σε γενικές γραμμές, τα συστήματα προσγείωσης τερματικού μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους. Τα συστήματα καθόδου που χρησιμοποιούνται από τους Viking, Phoenix, Curiosity και Schiaparelli είναι παρόμοια, καθώς το αλεξίπτωτο εκτοξεύεται σε υψόμετρο περίπου 1 χλμ. και σύντομα ακολουθεί η ανάφλεξη ρετρό πυραύλων που κινούνται με υγρό που μπορούν να εκτελέσουν ελεγχόμενη προσγείωση.
Για τα ρόβερ Spirit και Opportunity, ισχυροί ενισχυτές στερεών πυραύλων που ήταν προσαρτημένοι στο πίσω κέλυφός του επιβράδυναν γρήγορα το διαστημόπλοιο σε ακινητοποίηση λίγα 10 δευτερόλεπτα πάνω από την επιφάνεια, οπότε το προσεδάφιο, τυλιγμένο σε αερόσακους, απελευθερώθηκε και οι πύραυλοι εκτοξεύτηκαν στον ουρανό. παρασύροντας το αλεξίπτωτο. Πύραυλοι και σάκοι προσγείωσης χρησιμοποιήθηκαν επίσης από τα σοβιετικά προσγειωμένα αεροσκάφη της δεκαετίας του 1970. Μια ελαφρώς διαφορετική προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε από το Beagle 2. Λόγω της χαμηλής μάζας του, ένα μεγάλο υποηχητικό αλεξίπτωτο μπόρεσε να το επιβραδύνει επαρκώς, χωρίς τη χρήση ρετρό ρουκετών, ώστε να προσγειωθεί με αερόσακους.
Όλα τα επιτυχημένα προσγειωμένα αεροσκάφη, συμπεριλαμβανομένων των Viking landers, Pathfinder, Spirit, Opportunity, Phoenix και Curiosity, έχουν απεικονιστεί από την τροχιά με αλεξίπτωτα και θερμικές ασπίδες που προσγειώθηκαν σε απόσταση λίγων εκατοντάδων μέτρων από το σκάφος. Δύο μερικώς επιτυχημένα συστήματα προσγείωσης έχουν επίσης απεικονιστεί. Ένα από αυτά ήταν το Beagle 2, το οποίο προσγειώθηκε άθικτο στην επιφάνεια, αλλά δεν κατάφερε να αναπτύξει την κεραία του και να επικοινωνήσει με τη Γη. Ένα άλλο μερικώς επιτυχημένο σύστημα χρησιμοποιήθηκε από τον Schiaparelli. Το αεροσκάφος μετέδωσε επιτυχώς μετρήσεις που έγιναν κατά την κάθοδό του. Ωστόσο, μετά την ανάπτυξη του αλεξίπτωτου και την απελευθέρωση της θερμικής του ασπίδας, το ενσωματωμένο λογισμικό ερμήνευσε εσφαλμένα τους αισθητήρες κίνησης και έδωσε την εντολή να πεταχτεί το αλεξίπτωτο πολύ νωρίς, με αποτέλεσμα τελικά μια προσγείωση.
Για να εξαγάγουμε την ταχύτητα και την κατεύθυνση του ανέμου από τις εικόνες, χρησιμοποιήσαμε μια προσέγγιση δύο σταδίων. Το πρώτο στάδιο περιελάμβανε τη μέτρηση της απόστασης και της κατεύθυνσης μεταξύ των διαφόρων εξαρτημάτων που απορρίφθηκαν στην επιφάνεια. Αυτό ήταν απλό, καθώς ήταν διαθέσιμη μια εφαρμογή για την προβολή και τη μέτρηση των αποστάσεων στις εικόνες. Μετά από αυτό, χρησιμοποιούμε ένα εσωτερικά αναπτυγμένο μοντέλο αριθμητικής τροχιάς για να προσομοιώσουμε το διαστημόπλοιο προσγείωσης. Το μοντέλο τροχιάς χρησιμοποιεί τις εξισώσεις κίνησης και βασίζεται στην προσέγγιση φυσικής μοντελοποίησης που χρησιμοποιείται συνήθως από προσομοιωτές πτήσης και διαστημικής πτήσης. Χρησιμοποιήθηκε μια τεχνική Monte Carlo για την αυτόματη εύρεση της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου. Ένας αλγόριθμος αναρρίχησης λόφου μετέβαλλε τις τιμές της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου με τυχαίο τρόπο έως ότου τα σημεία πρόσκρουσης από το μοντέλο ταιριάζουν με τα σημεία πρόσκρουσης που παρατηρούνται στις εικόνες.
Διαπιστώσαμε ότι οι περισσότερες από τις μετρήσεις ανέμων μας ήταν σε γενικές γραμμές σύμφωνες με εκείνες από ένα κλιματικό μοντέλο του Άρη, υποδηλώνοντας ότι οι άνεμοι που μετρήθηκαν είναι αντιπροσωπευτικοί του ατμοσφαιρικού πεδίου ανέμου και η ατμόσφαιρα ήταν σχετικά ήρεμη κατά τη διάρκεια αυτών των προσγειώσεων διαστημικού σκάφους, δηλαδή με μικρή ή καθόλου αναταραχή, κατά τη διάρκεια την κάθοδό τους. Μια ακραία μέτρηση λήφθηκε για το προσεδάφιο Phoenix, το οποίο προσγειώθηκε σε μεγάλο γεωγραφικό πλάτος κοντά στο βόρειο κάλυμμα του Άρη. Εδώ, η ταχύτητα του ανέμου ήταν σχετικά υψηλή κατά την κάθοδο του προσεδαφιστή στο αλεξίπτωτο. Φαίνεται να έχει μειωθεί λίγο πριν το προσεδάφιο απελευθερωθεί από το αλεξίπτωτο. Πιο κοντά στην επιφάνεια, ο άνεμος βρέθηκε να αυξάνεται γρήγορα και να αλλάζει κατεύθυνση, υποδηλώνοντας ότι μπορεί να φυσούσε μια ριπή. Αυτό μπορεί να μην προκαλεί έκπληξη, καθώς ο Άρης τείνει να έχει πιο μεταβλητό καιρό σε βόρεια γεωγραφικά πλάτη.
Όσον αφορά τους ανέμους στη Γη, οι συνθήκες ανέμου στον Άρη κατά τις καταβάσεις του διαστημικού σκάφους ήταν γενικά ελαφριές με τις περισσότερες ταχύτητες ανέμου κάτω από 8 m/s. Λαμβάνοντας υπόψη την αραιή ατμόσφαιρα του Άρη, αυτές οι ταχύτητες ανέμου αντιστοιχούν σε ισχύ από 0 έως 1 στην κλίμακα Μποφόρ. Σε αυτή την ένταση, ο άνεμος μπορεί να παρέχει αρκετή ενέργεια στη Γη για να κρατήσει έναν μεγάλο χαρταετό ψηλά. Η υψηλή ταχύτητα ανέμου των 20 m/s, όπως πιθανώς βιώνει ο Phoenix που κατεβαίνει στο αλεξίπτωτο, θα αντιστοιχεί μόνο σε 2 μποφόρ ή σε ελαφρύ αεράκι.
Παρέχουμε ένα μοναδικό σύνολο άμεσων επιτόπιων μετρήσεων ανέμου στο Martian PBL. Προορίζεται αυτές οι πληροφορίες να είναι χρήσιμες για την ενημέρωση των μοντελιστών και των ερευνητών στις συνθήκες αυτής της σημαντικής περιοχής της ατμόσφαιρας του Άρη.
Οι μετρήσεις ανέμου βρίσκονται στο έγγραφό μας.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Measurement of Martian boundary layer winds by the displacement of jettisoned lander hardware, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους M.D. Paton και A.-M. Harri από το Φινλανδικό Μετεωρολογικό Ινστιτούτο και H. Savijärvi από το Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι.
