[论文解读] Observations of mesospheric CO2 and H2O clouds on Mars

M. Vincendon, C. Pilorget+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2011

Planetary Science and Exploration被引用 2

一句话总结

本研究提出一种新颖的近红外光谱方法，利用CRISM数据检测火星中间层中的CO2冰云，该方法基于H2O与CO2冰的光谱特性差异。研究识别出54次CRISM观测中的CO2云，其颗粒尺寸为0.5–2 μm，光学厚度<0.3，结果与OMEGA数据一致，并揭示了最高达80公里的高海拔H2O云，从而解释了以往云分布模型中的矛盾之处。

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.

研究动机与目标

• 开发一种利用近红外光谱数据检测火星中间层CO2冰云的新方法，克服现有仪器的局限性。
• 通过考虑高海拔H2O冰云的存在，调和OMEGA与CRISM观测所得CO2云分布之间的差异。
• 重新评估以往对清晨OMEGA数据的解释，这些数据曾被错误地归因于对流型CO2云。
• 表征CRISM探测到的CO2云的空间分布、季节变化及微物理特性，包括颗粒尺寸与光学厚度。
• 研究CO2与H2O冰云在中间层高度（>60 km）共存的可能性，特别是高达80 km的情况。

提出的方法

• 利用火星勘测轨道飞行器上CRISM仪器的近红外光谱数据，聚焦于CO2与H2O冰独特的光谱特征。
• 基于H2O与CO2冰光谱特性的对比分析，开发了一种检测方法，使在CRISM波长范围有限的情况下仍能识别CO2云。
• 分析了54次包含CO2云的CRISM观测，利用光谱拟合技术估算颗粒尺寸（0.5–2 μm）与光学厚度（<0.3）。
• 与17次新的OMEGA观测结果进行交叉比较，以验证云检测与分布模式的一致性。
• 重新审视清晨OMEGA观测，评估其光谱特征是否被误分类为对流型CO2云。
• 绘制CO2云的空间与季节分布图，并与先前研究中观测到的高海拔云层进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管CRISM的光谱范围有限，是否能可靠地检测火星中间层中的CO2冰云？
• RQ2 CRISM与OMEGA所得CO2云的空间与季节分布在多大程度上一致？观测到的差异可归因于何种因素？
• RQ3 高海拔H2O冰云（最高达80公里）是否与CO2云共存？它们是否可解释先前云分布模型中的不一致？
• RQ4 为何以往对清晨OMEGA观测的解释被误认为是支持对流型CO2云的证据？该解释是否合理？
• RQ5 CRISM观测到的CO2云在形态与微物理特性上具有哪些特征，特别是在赤道云季节期间？

主要发现

• 本研究成功检测到54次CRISM观测中的CO2冰云，其颗粒尺寸在0.5至2 μm之间，光学厚度低于0.3。
• CRISM观测到的CO2云分布与OMEGA数据一致，证实了新检测方法的可靠性。
• 识别出延伸至80公里高度的高海拔H2O冰云，有助于解释早期CO2云分布模型之间的矛盾。
• 下午的CRISM观测显示CO2云形态类似地球上的卷云，该发现将先前的个别观测推广至整个赤道云季节。
• 对清晨OMEGA观测的重新评估表明，其先前被解释为积状或对流型CO2云的结论存在误解。
• 确认了CO2与H2O冰云在中间层高度（>60 km）共存，表明火星高层大气中存在复杂的云层结构。