[논문 리뷰] Seasonal Variability of the Daytime and Nighttime Atmospheric Turbulence Experienced by InSight on Mars

Audrey Chatain, Aymeric Spiga외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Planetary Science and Exploration참고 문헌 39인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 NASA의 InSight 탐사선에서 1.25개의 화성년에 걸쳐 확보한 고주기 압력 데이터를 활용하여, 적도에 위치한 착륙지점에서 북반구 가을/겨울에 하루 동안의 소용돌이가 놀랄 만큼 증가하고, 야간에 강한 turbulence가 발생하는 것으로 밝혀졌다. 이는 먼지가 대기를 띄우면서 저층 풍속이 강화되고 대기 안정도가 감소함에 따라 발생한다. 비국지적 turbulence와는 달리, 국지적 turbulence는 모든 시간대와 계절에 걸쳐 풍속에 매우 민감하며, 이 먼지가 많은 계절 동안 야간의 난류가 일일 압력 수준에 도달할 정도로 강화된다.

ABSTRACT

International audience

연구 동기 및 목표

• 화성의 InSight 착륙지점에서 대기 난류의 계절적 및 일일 변동성을 조사하기 위해.
• 보통 안정된 조건으로 인해 억제되는 야간 난류가 북반구 가을/겨울에 왜 하루 동안의 난류 수준만큼 강력해지는지 규명하기 위해.
• 바람과 안정성에 대한 반응에서 국지적 난류(0.01–2 Hz)와 비국지적 난류(0.002–0.01 Hz)의 행동을 구분하기 위해.
• 먼지가 많은 가을/겨울 기간 동안 예상치 못한 하루 동안의 소용돌이 폭발과 야간 소용돌이의 출현을 설명하기 위해.

제안 방법

• InSight의 압력 센서에서 확보한 고주기 압력 데이터(2–10 Hz)를 사용하여 소용돌이(압력 감소 >0.35 Pa)를 탐지하고 주파수 대역에 따라 난류를 분석하였다.
• 이 주파수 이상의 기계적 및 전기적 노이즈를 제거하기 위해 2 Hz 커프로 저통과 필터를 적용하였다.
• 시간 스케일과 신호 형태에 기반하여 난류를 소용돌이, 국지적 난류(0.01–2 Hz), 비국지적 난류(0.002–0.01 Hz)로 분리하였다.
• 대기 안정도와 기울기 효과를 평가하기 위해 Mars Climate Database의 5 m 대기 데이터를 사용하여 리처드슨 수(Ri)를 계산하였다.
• 계절적 기간을 정의하기 위해 태양의 지름(Ls)과 함께 InSight의 표면 온도, 먼지 투명도, 풍속 데이터를 융합하여 환경적 맥락을 제공하였다.
• 837 sol 동안의 소용돌이 빈도와 난류 강도에 대한 통계 분석을 수행하였으며, 주로 북반구 가을/겨울에 해당하는 Ls 210°–320° 기간에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바람이나 온도에 명백한 환경적 자극이 없음에도 불구하고, 왜 InSight 탐사선이 북반구 가을/겨울에 하루 동안의 소용돌이 폭발을 경험하는가?
• RQ2 왜 먼지가 많은 가을/겨울 기간 동안 야간 소용돌이가 나타나고, 야간 난류가 극도로 강화되는가? 이는 야간 경계층의 안정성이 예상되는 바와는 정반대이다.
• RQ3 바람 기울기와 대기 안정성이 어떻게 상호작용하여 Ri < 0.25일 때에도 야간에 기울기 기반 난류를 가능하게 하는가?
• RQ4 왜 국지적 난류는 모든 계절과 시간대에 걸쳐 비국지적 난류보다 환경 풍속에 더 민감한가?
• RQ5 먼지가 축적됨으로써 야간 경계층이 어떻게 변화하여 난류 수준이 하루 동안의 수준과 유사하게 유지되는가?

주요 결과

• InSight의 적도 착륙지점에서 가을/겨울 기간(Ls 210°–320°) 동안 야간 기준 풍속이 다른 계절보다 2–3배 증가했으며, 이는 저층 저류가 강화된 데 기인한다.
• 이 기간 동안 야간 국지적 난류 강도가 하루 동안의 난류 수준과 유사하게 되었는데, 이는 강한 바람 기울기와 감소한 대기 안정도의 조합 때문이다.
• 이 기간 동안 야간 전체 동안 리처드슨 수(Ri)가 임계값 0.25 이하로 유지되어 지속적인 기울기 기반 난류가 가능했다.
• 이전에는 흔하지 않았던 야간 소용돌이가 이 먼지가 많은 가을/겨울 기간 동안 빈번하게 나타나 활성 대기 혼합을 시사한다.
• 이 기간 동안 하루 동안의 소용돌이 활동이 극적으로 증가했지만, 바람이나 온도의 변화는 이를 설명하지 못한다. 이는 먼지 운반에 의한 대류 피드백의 가능성을 시사한다.
• 비국지적 난류(예: 대류 세포에서 기인함)는 국지적 난류보다 바람에 덜 민감하며, 국지적 난류는 모든 시간대와 계절에 걸쳐 바람 속도에 의해 강하게 조절된다.