FOTOKhIMIChESKOE RAVNOVESIE I URAVNENIE BALANSA OZONA V SLOE NOChNOGO GIDROKSILA NA MARSE

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Совместные измерения концентраций озона (O3) и эмиссий колебательно-возбужденного гидроксила (ОН*) позволяют определять концентрации атомарного кислорода (О) и водорода (Н), которые иначе сложно измерить напрямую. Этот метод применим только при выполнении условий фотохимического равновесия озона (ФРО). В данной работе впервые исследуется ФРО в ночной атмосфере Марса и его связь с эмиссиями ОН*. На основе численного моделирования, с использованием данных из Mars Climate Database (MCD), анализируются пространственно-временные распределения отклонений озона от равновесного состояния и отношения времени жизни озона при текущей и равновесной концентрациях. Приводится вывод двух основных критериев ФРО. Результаты показывают, что ФРО выполняется в широких областях (65–90 км) во второй половине марсианского года (Ls = 180°–360°), особенно в полярных и средних широтах. Однако области с наблюдаемыми концентрациями ОН* (IOH* ≥ 100 см−3) и выполняющимися критериями ФРО ограничены первой половиной года (Ls = 0–180°) и высотами 50–70 км. Это указывает на сложность применения метода восстановления концентраций О и Н по ОН* в марсианских условиях без дополнительной адаптации критериев равновесия. Поэтому мы проверяем критерий, выведенный из базовых принципов фотохимии земной мезосферы, мезопаузы и нижней термосферы. Исследование подчеркивает необходимость дальнейших наблюдений и уточнения моделей для корректной интерпретации химических процессов в атмосфере Марса.

References

  1. Belikovich M.V., Kulikov M.Yu., Grygalashvyly M., Sonnemann G.R., Ermakova T.S., Nechaev A.A., Feigin A.M. Ozone chemical equilibrium in the extended mesopause under the nighttime conditions // Adv. Space Res. 2018. V. 61. P. 426–432. https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.10.010
  2. Bertaux J.L., Gondet B., Lefèvre F., Bibring J.P., Montmessin F. First detection of O2 1.27 µm nightglow emission at Mars with OMEGA/MEX and comparison with general circulation model predictions // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. P. E0004. https://doi.org/10.1029/2011JE003890
  3. Brasseur G., Solomon S. Aeronomy of the Middle Atmosphere—Chemistry and Physics of the Stratosphere and Mesosphere. 3rd edn. Dordrecht: Springer, 2005. 646 p. https://doi.org/10.1007/1-4020-3824-0
  4. Clancy R.T., Sandor B.J., Garcia-Munoz A., Lefèvre F., Smith M.D., Wolff M.J., Montmessin F., Murchie S.L., Nair H. First detection of Mars atmospheric hydroxyl: CRISM Near-IR measurement versus LMD GCM simulation of OH Meinel band emission in the Mars polar winter atmosphere // Icarus. 2013. V. 226. P. 272–281. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2013.05.035
  5. Forget F., Hourdin F., Talagrand O. CO2 snowfall on Mars: Simulation with a general circulation model // Icarus. 1998. V. 131. P. 302–316. https://doi.org/10.1006/icar.1997.5874
  6. Forget F., Hourdin F., Fournier R., Hourdin C., Talagrand O., Collins M., Lewis S.R., Read P.L., Huot J.-P. Improved general circulation models of the Martian atmosphere from the surface to above 80 km // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 24155–24176 https://doi.org/10.1029/1999JE001025
  7. Forget F., Millour E., Montabone L., Lefèvre F. Non condensable gas enrichment and depletion in the Martian polar regions // Third Int. Workshop on The Mars Atmosphere: Modeling and Observations, held November 10-13, 2008 in Williamsburg, Virginia. LPI Contrib. 2008. № 1447. P. 9106.
  8. García-Munoz A., McConnell J.C., McDade I.C., Melo S.M.L. Airglow on Mars: Some model expectations for the OH Meinel bands and the O2 IR atmospheric band // Icarus. 2005. V. 176. P. 75–95. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2005.01.006
  9. Grygalashvyly M., Shaposhnikov D.S., Medvedev A.S., Sonnemann G.R., Hartogh P. Simplified relations for the Martian night-time OH* suitable for the interpretation of observations // Remote Sens. 2022. V. 14. № 16. ID 3866. https://doi.org/10.3390/rs14163866
  10. Grygalashvyly M., Strelnikov B., Strelnikova I., Rapp M., Libken F.-J., Schiltt C., Stephan C., Eberhart M., Löhle S., Fasoulas S. Chemical heat derived from rocket-borne WADIS-2 experiment // Earth, Planets and Space. 2024. V. 76. ID 180. https://doi.org/10.1186/s40623-024-02129-x
  11. Körner U., Sonnemann G.R. Global three-dimensional modeling of the water vapor concentration of the mesosphere-mesopause region and implications with respect to the noctilucent cloud region // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 9639–9651. https://doi.org/10.1029/2000JD900744
  12. Krasnopolsky V.A. Photochemistry of the Martian atmosphere: Seasonal, latitudinal, and diurnal variations // Icarus. 2006. V. 185. P. 153–170. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2006.06.003
  13. Krasnopolsky V.A. Venus night airglow: Ground-based detection of OH, observations of O2 emissions, and photochemical model // Icarus. 2010. V. 207. № 1. P. 17–27. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2009.10.019
  14. Krasnopolsky V.A. Atmospheric chemistry on Venus, Earth, and Mars: Main features and comparison // Planet. and Space Sci. 2011. V. 59. № 10. P. 952–964. https://doi.org/10.1016/j.pss.2010.02.011
  15. Krasnopolsky V.A. Nighttime photochemical model and night airglow on Venus // Planet. and Space Sci. 2013. V. 85. P. 78–88. https://doi.org/10.1016/j.pss.2013.05.022
  16. Krasnopolsky V.A., Lefèvre F. Chemistry of the atmospheres of Mars, Venus, and Titan // Comparative Climatology of Terrestrial Planets. Tucson: Univ. Arizona Press, 2013. P. 231–275. https://doi.org/10.2458/azu_uapress_9780816530595-ch11
  17. Kulikov M.V., Belikovich M.V., Grygalashvily M., Sonnemann G.R., Ermakova T.S., Nechaev A.A., Feigin A.M. Daytime ozone loss term in the mesopause region // Ann. Geophys. 2017. V. 35. № 3. P. 677–682. https://doi.org/10.5194/angeo-35-677-2017
  18. Kulikov M.V., Belikovich M.V., Grygalashvily M., Sonnemann G.R., Ermakova T.S., Nechaev A.A., Feigin A.M. Nighttime ozone chemical equilibrium in the mesopause region // J. Geophys. Res. 2018. V. 123. P. 3228–3242. https://doi.org/10.1002/2017JD026717
  19. Kulikov M.V., Nechaev A.A., Belikovich M.V., Vorobeva E.V., Grygalashvily M., Sonnemann G.R., Feigin A.M. Boundary of nighttime ozone chemical equilibrium in the mesopause region from SABER data: Implications for derivation of atomic oxygen and atomic hydrogen // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 997–1004. https://doi.org/10.1029/2018GL080364
  20. Kulikov M.V., Belikovich M.V., Chubarov A.G., Dementeyva S.O., Feigin A.M. Boundary of nighttime ozone chemical equilibrium in the mesopause region: improved criterion of determining the boundary from satellite data // Adv. Space Res. 2023. V. 71. № 6. P. 2770–2780. https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.11.005
  21. Lefèvre F., Lebonnois S., Montmessin F., Forget F. Three-dimensional modeling of ozone on Mars // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. ID E07004. https://doi.org/10.1029/2004JE002268
  22. Lefèvre F., Bertaux J.-L., Clancy R.T., Encrenaz T., Fast K., Forget F., Lebonnois S., Montmessin F., Perrier S. Heterogeneous chemistry in the atmosphere of Mars // Nature. 2008. V. 454. P. 971–975. https://doi.org/10.1038/nature07116
  23. Millour E., Forget F., Spiga A., Vals M., Zakharov V., Montabone L., Lefèvre F., Montmessin F., Chaufray J.-Y., López-Valverde M.A., González-Galindo F., Lewis S.R., Read P.L., Desjean M.-C., Cipriani F., and S co-authors, and MCD Development Team. The Mars Climate Database (Version 5.3) // Proc. Mars Sci. Workshop “From Mars Express to ExoMars”, 27–28 February 2018 at ESAC, Madrid, Spain. 2018. ID 68.
  24. Mlynczak M.G., Hunt L.A., Mast J.C., Marshall B.T., Russell J.M. (III), Smith A.K., Siskind D.E., Yee J.-H., Mertens C.J., Martin-Torres F.J., Thompson R.E., Drob D.P., Gordley L.L. Atomic oxygen in the mesosphere and lower thermosphere derived from SABER: Algorithm theoretical basis and measurement uncertainty // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 5724–5735. https://doi.org/10.1002/jgrd.50401
  25. Mlynczak M.G., Hunt L.A., Marshall B.T., Mertens C.J., Marsh D.R., Smith A.K., Russell J.M., Siskind D.E., Gordley L.L. Atomic hydrogen in the mesopause region derived from SABER: Algorithm theoretical basis, measurement uncertainty, and results // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. P. 3516–3526. https://doi.org/10.1002/2013JD021263
  26. Montabone L., Forget F., Millour E., Wilson R.J., Lewis S.R., Cantor B., Kass D., Kleinböhl A., Lemmon M.T., Smith M.D., Wolff M.J. Eight-year climatology of dust optical depth on Mars // Icarus. 2015. V. 251. P. 65–95. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.12.034
  27. Navarro T., Madeleine J.-B., Forget F., Spiga A., Millour E., Montmessin F., Määttänen A. Global climate modeling of the Martian water cycle with improved microphysics and radiatively active water ice clouds // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. P. 1479–1495. https://doi.org/10.1002/2013JE004550
  28. Nicolis G., Prigogine I. Self-organization in nonequilibrium systems from dissipative structures to order through fluctuations. New York: John Wiley & Sons, 1977. P. 491. https://doi.org/10.1002/bbpc.197800155
  29. Shaposhnikov D.S., Grygalashvily M., Medvedev A.S., Sonnemann G.R., Hartogh P. Analytical approximations of the characteristics of nighttime hydroxyl on Mars and intra-annual variations // Sol. Syst. Res. 2022. V. 56. № 6. P. 369–381. https://doi.org/10.1134/S0038094622330024
  30. Shaposhnikov D.S., Grygalashvily M., Medvedev A.S., Sonnemann G.R., Hartogh P. Morphology of the excited hydroxyl in the Martian atmosphere: A model study – Where to search for airglow on Mars? // Remote Sens. 2024. V. 16. ID 291. https://doi.org/10.3390/rs16020291
  31. Shimazaki T. The photochemical time constants of minor constituents and their families in the middle atmosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1984. V. 46. № 2. P. 173–191.
  32. Smith A.K., Marsh D.R., Russell J.M. (III), Mlynczak M.G., Martin-Torres F.J., Kyrölä E. Satellite observations of high nighttime ozone at the equatorial mesopause // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. ID D17312. https://doi.org/10.1029/2008JD010066
  33. Smith A.K., Lopez-Puertas M., Garcia-Comas M., Tuktainen S. SABER observations of mesospheric ozone during NH late winter 2002–2009 // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. ID L23804. https://doi.org/10.1029/2009GL040942
  34. Smith A.K., Marsh D.R., Mlynczak M.G., Mast J.C. Temporal variation of atomic oxygen in the upper mesosphere from SABER // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. ID D18309. https://doi.org/10.1029/2009JD013434
  35. Sonnemann G.R., Grygalashyyky M., Berger U. Autocatalytic water vapor production as a source of large mixing ratios within the middle to upper mesosphere // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. ID D15303. https://doi.org/10.1029/2004JD005593
  36. Vildez-Moreiras D., Saiz-Lopez A., Blaszczak-Boxe C.S., Manfredi J.R., Yung Y.L. Diurnal variation in Mars equatorial odd oxygen species: Chemical production and loss mechanisms // Icarus. 2020. V. 336. ID 113458. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2019.113458

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».