[논문 리뷰] Observations of mesospheric CO2 and H2O clouds on Mars

M. Vincendon, C. Pilorget외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 17.

Planetary Science and Exploration인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 CRISM 데이터를 활용하여 화성의 미세대류권에서의 CO2 얼음 구름를 탐지하기 위한 새로운 near-IR 스펙트럼 방법을 제시한다. 이 방법은 H2O와 CO2 얼음의 스펙트럼 특성 차이를 활용한다. 연구는 54건의 CRISM CO2 구름 관측을 확인하였으며, 입자 크기는 0.5–2 μm이고 광학 두께는 0.3 이하였다. 이는 OMEGA 데이터와의 일관성을 확인하였으며, 고도 80km까지 도달하는 고고도 H2O 구름를 밝혀내어 이전의 구름 분포 모델 간의 모순을 설명한다.

ABSTRACT

Carbon dioxide clouds, which are speculated by models on solar and extra-solar planets, have been recently observed near the equator of Mars. The most comprehensive identification of Martian CO2 ice clouds has been obtained by the near-IR imaging spectrometer OMEGA. CRISM, a similar instrument with a higher spatial resolution, cannot detect these clouds with the same method due to its shorter wavelength range. Here we present a new method to detect CO2 clouds using near-IR data based on the comparison of H2O and CO2 ice spectral properties. The spatial and seasonal distributions of 54 CRISM observations containing CO2 clouds are reported, in addition to 17 new OMEGA observations. CRISM CO2 clouds are characterized by grain size in the 0.5-2\mum range and optical depths lower than 0.3. The distributions of CO2 clouds inferred from OMEGA and CRISM are consistent with each other and match at first order the distribution of high altitude (>60km) clouds derived from previous studies. At second order, discrepancies are observed. We report the identification of H2O clouds extending up to 80 km altitude, which could explain part of these discrepancies: both CO2 and H2O clouds can exist at high, mesospheric altitudes. CRISM observations of afternoon CO2 clouds display morphologies resembling terrestrial cirrus, which generalizes a previous result to the whole equatorial clouds season. Finally, we show that morning OMEGA observations have been previously misinterpreted as evidence for cumuliform, and hence potentially convective, CO2 clouds.

연구 동기 및 목표

• 기존 기구의 한계를 극복하고 near-IR 스펙트럼 데이터를 활용해 화성의 미세대류권에서 CO2 얼음 구름를 탐지하기 위한 새로운 방법을 개발한다.
• OMEGA와 CRISM 관측에서 유도된 CO2 구름 분포 간의 모순을 고고도 H2O 얼음 구름를 고려함으로써 해소한다.
• 이전에 오전 OMEGA 데이터가 대류성 CO2 구름로 오해된 이유를 재평가한다.
• CRISM로 탐지된 CO2 구름의 공간적, 계절적, 미세구조적 특성(입자 크기 및 광학 두께 포함)을 특성화한다.
• 특히 80km까지 도달하는 고고도에서 CO2와 H2O 얼음 구름가 함께 존재하는지, 그리고 이들이 이전의 구름 분포 모델의 모순을 설명할 수 있는지 조사한다.

제안 방법

• 화성 탐사 어뢰기(Mars Reconnaissance Orbiter)의 CRISM 기구에서 확보한 near-IR 스펙트럼 데이터를 활용하였으며, CO2와 H2O 얼음의 고유한 스펙트럼 특징을 중심으로 분석하였다.
• H2O와 CO2 얼음의 스펙트럼 특성 간 비교 분석 기반의 탐지 방법을 개발하여, CRISM의 짧은 파장 범위에도 불구하고 CO2 구름 식별이 가능하도록 하였다.
• 54건의 CRISM 관측에서 CO2 구름를 분석하여 스펙트럼 피팅 기법을 활용해 입자 크기(0.5–2 μm)와 광학 두께(<0.3)를 추정하였다.
• 신규로 확보한 17건의 OMEGA 관측 결과와 비교하여 구름 탐지 및 분포 패tern의 일관성을 검증하였다.
• 오전 OMEGA 관측 결과를 재분석하여, 이들이 이전에 대류성 CO2 구름로 잘못 해석된 바 있는지 평가하였다.
• CRISM로 관측된 CO2 구름의 공간적 및 계절적 분포를 맵핑하고, 이전 연구에서 관측된 고고도 구름층과 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CRISM의 제한된 스펙트럼 범위에도 불구하고, 화성의 미세대류권에서 CO2 얼음 구름를 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 CRISM와 OMEGA에서 유도된 CO2 구름의 공간적 및 계절적 분포는 어느 정도 일치하는가? 관측된 모순은 무엇으로 설명되는가?
• RQ3 고고도 H2O 얼음 구름(최대 80km)이 CO2 구름와 함께 존재하는가? 만약 그렇다면, 이는 이전의 구름 분포 모델에서의 모순을 설명할 수 있는가?
• RQ4 왜 이전의 오전 OMEGA 관측 결과는 대류성 CO2 구름의 증거로 오해되었으며, 이 해석은 타당한가?
• RQ5 CRISM로 관측된 CO2 구름의 형태적 및 미세구조적 특성은 무엇인가? 특히 적도 구름 시기 동안의 특징은 무엇인가?

주요 결과

• 이 연구는 입자 크기가 0.5–2 μm이고 광학 두께가 0.3 이하인 CO2 얼음 구름를 포함한 총 54건의 CRISM 관측을 성공적으로 탐지하였다.
• CRISM로 탐지된 CO2 구름 분포는 OMEGA 관측 결과와 일치하여, 새로운 탐지 방법의 신뢰성을 확인하였다.
• 고고도 H2O 얼음 구름가 최대 80km까지 연장됨을 확인하였으며, 이는 이전의 CO2 구름 분포 모델 간의 모순을 설명하는 데 기여한다.
• 오후의 CRISM CO2 구름는 지구의 고층적운과 유사한 형태를 띠며, 이는 이전의 국소적 관측 결과를 적도 구름 시기 전체로 일반화한 것이다.
• 이전에 대류성 CO2 구름의 증거로 오해되었던 오전 OMEGA 관측 결과는 재평가한 결과 오해로 인한 오해로 밝혀졌다.
• 고도 60km 이상의 미세대류권에서 CO2와 H2O 얼음 구름가 함께 존재함을 확인하였으며, 이는 화성 상층 대기에서 복잡한 구름 층이 존재함을 시사한다.