Отдел физики планет и малых тел
Солнечной системы

Планетный Фурье-спектрометр PFS (Planetary Fourier Spectrometer) предназначен для исследования состава и термической структуры атмосферы, оптических свойств и состава аэрозоля (пыли и конденсационных облаков) и свойств поверхности. Прибор состоит из двух независимых каналов (два отдельных интерферометра), работающих в диапазонах 1.25 – 5 мкм, 8000 -2000 см-1 (коротковолновый канал, LWC) и 6–40 мкм, 1700–250 см^-1 (длинноволновый канал, LWC). Спектральное разрешение прибора 1.8 см^-1 с аподизацией (рис. 1 а, б, в).

(в)

Рис. 1. Планетный Фурье спектрометр. (а) ПФС в лаборатории; (б) блок интерферометра (1- интерферометр длинноволнoвого канала LWC, 2 - интерферометр коротковолнового канала SWC); (в) оптическая схема ПФС

Характер спектра в тепловой области (LWC) определяется температурой на уровне, где формируется излучение в данном спектральном интервале (τ _λ~ 1). Этот уровень определяется поглотителями: поглощением атмосферных газов и аэрозольной экстинкцией. Внутри сильных полос поглощения уровень формирования излучения отличается значительно (например, для полосы 15 мкм для атмосферы Марса диапазон высот составляет от поверхности в крыльях до 55 -60 км в центре полосы). Форма полос поглощения зависит от характера вертикального профиля температуры в области формирования полосы: это полоса поглощения, если температура падает с высотой, «полоса излучения» - при температурной инверсии и полоса может вовсе отсутствовать при изотермическом температурном профиле. Одна из наиболее важных научных задач ПФС – восстановление термического строения атмосферы, т.е. по измеренным значениям I (λ) получение вертикального профиля температуры T(h). ПФС дает уникальную возможность восстанавливать температурные профили и содержание пыли и облаков из каждого спектра и получать температурные поля вдоль каждой орбиты (рис 2).

Рис. 2. Поле температуры в координатах широта-высота, получено вблизи весеннего равноденствия в северном полушарии (верхний рисунок). (Нижний рисунок) - профиль высоты поверхности вдоль орбиты, показан состав аэрозоля в ограниченных вертикальными линиями интервалах широты, получено самосогласованным образом с температурой (на верхнем рисунке)

Высокое разрешение PFS позволяет получать вертикальные профили температуры атмосферы - от поверхности до высоты около 55 км, одновременно восстанавливая содержание аэрозоля (пыли, облаков) по спектру в длинноволновом канале и получать информацию об аэрозолях, свойствах поверхности и определять содержание малых составляющих Н₂О, СН₄ , СО и др. из спектров коротковолнового канала (рис. 3, 4).

Рис. 3. Карта распределения водяного пара в атмосфере Марса (низкие и средние широты). Максимальное содержание пара обнаружено над регионом Terra Arabia. Положение максимума совпадает с найденным экспериментом HEND на борту миссии Odyssey. Вертикальные линии – витки орбиты, цвет соответствует содержанию водяного пара: от практически не обнаружимого (синий) до максимального 600 ppm

Рис. 4. Карта содержания метана в атмосфере Марса. Впервые содержание измерено Планетным Фурье спектрометром. Минимальные значения содержания СН₄ наблюдались в области Tharsis 150–290°, а максимальные – от 0° до 150°, включая равнины Hellas и Isidis Planitia. Вертикальные линии – витки орбиты, синий цвет – меньше 10 ppb, красный – 20-30 ppp

Эксперимент ПФС – прямой наследник аналогичного эксперимента в проекте «Марс-96», который возглавлял родоначальник школы Василий Иванович Мороз. В проекте «Марс-Экспресс» прибор был изготовлен в IFSI (Италия, Рим) под руководством проф. В. Формизано. Российские ученые и специалисты принимали участие в разработке прибора ПФС, в наземной калибровке, обработке и интерпретации данных, полученных на орбите. Детектирующие модули, включая чувствительные элементы обоих каналов прибора, изготовлены в России. Руководителем российской группы участников до 2004 г. был проф. В.И. Мороз, а с тех пор – д.ф.-м.н. Л.В. Засова.

Список публикаций российских участников:

1. Formisano, V.; Moroz, V. I.; Hirsch, H.; Orleanski, P.; Michel, G.; Lopez-Moreno, J.; Amata, E.; Bellucci, G.; Piccioni, G.; Chionchio, G.; Carusi, A.; Coradini, A.; Cerroni, P.; Capria, M. T.; Capaccioni, F.; Adriani, A.; Vitterbini, M.; Angrilli, F.; Bianchini, G.; Saggin, B.; Fonti, S.; Bussoletti, E.; Mancini, D.; Colangeli, L.; Grigoriev, A.; Moshkin, B.; Gnedykh, V.; Matsygorin, I. A.; Patsaev, D.; Nikolsky, Yu. V.; Titov, D. V.; Zasova, L. V.; Khatuntsev, I.; Kiselev, A.; Arnold, G.; Driesher, H.; Blecka, M. I.; Rodrigo, R.; Rodriguez-Gomez, J., Infrared spectrometer PFS for the Mars 94 orbiter, Advances in Space Research, Volume 17, Issue 12, p. 61-64, 1996

2. Hirsch, H.; Formisano, V.; Moroz, V. I.; Arnold, G.; Jurewicz, A.; Michel, G.; Lopez-Moreno, J. J.; Piccioni, G.; Cafaro, N., The Planetary Fourier Spectrometer (PFS) for the orbiter of the spacecraft Mars 96, Planetary and Space Science, Volume 44, Issue 8, p. 889-897, 1996

3. Formisano, V.; Moroz, V. I.; Angrilli, F.; Bianchini, G.; Bussoletti, E.; Cafaro, N.; Capaccioni, F.; Capria, M. T.; Cerroni, P.; Chionchio, G.; Colangeli, L.; Coradini, A.; di Lellis, A.; Fonti, S.; Orfei, R.; Palomba, E.; Piccioni, G.; Saggin, B.; Ekonomov, A.; Grigoriev, A.; Gnedykh, V.; Khatuntsev, I.; Kiselev, A.; Matsygorin, I.; Moshkin, B.; Nechaev, V.; Nikolsky, Yu.; Patsaev, D.; Russakov, A.; Titov, D.; Zasova, L.; Blecka, M. I.; Jurewicz, A.; Michalska, M.; Novosielski, W.; Orleanski, P.; Arnold, G.; Hirsch, H.; Driesher, H.; Lopez-Moreno, J.; Rodrigo, R.; Rodriguez-Gomez, J.; Michel, G., PFS: a fourier spectrometer for the study of martian atmosphere, Advances in Space Research, Volume 19, Issue 8, p. 1277-1280, 1997

4. Haus, R.; Titov, D. V., PFS on Mars Express: preparing the analysis of infrared spectra to be measured by the Planetary Fourier Spectrometer, Planetary and Space Science, Volume 48, Issue 12-14, p. 1357-1376, 2000

5. Formisano, V.; Grassi, D.; Ignatiev, N.; Zasova, L.; Maturilli, A., PFS for Mars Express: A new approach to study Martian atmosphere Advances in Space Research, Volume 29, Issue 2, p. 131-142, 2002

6. Grassi, D.; Formisano, V.; Ignatiev, N.; Zasova, L.; Maturilli, A., PFS: an effective instrument for the study of martian environment, Advances in Space Research, Volume 34, Issue 8, p. 1696-1701, 2004

7. Formisano, Vittorio; Atreya, Sushil; Encrenaz, Thérèse; Ignatiev, Nikolai; Giuranna, Marco, Detection of Methane in the Atmosphere of Mars, Science, Volume 306, Issue 5702, pp. 1758-1761 (2004)

8. Formisano, V.; Angrilli, F.; Arnold, G.; Atreya, S.; Bianchini, G.; Biondi, D.; Blanco, A.; Blecka, M. I.; Coradini, A.; Colangeli, L.; Ekonomov, A.; Esposito, F.; Fonti, S.; Giuranna, M.; Grassi, D.; Gnedykh, V.; Grigoriev, A.; Hansen, G.; Hirsh, H.; Khatuntsev, I.; Kiselev, A.; Ignatiev, N.; Jurewicz, A.; Lellouch, E.; Lopez Moreno, J.; Marten, A.; Mattana, A.; Maturilli, A.; Mencarelli, E.; Michalska, M.; Moroz, V.; Moshkin, B.; Nespoli, F.; Nikolsky, Y.; Orfei, R.; Orleanski, P.; Orofino, V.; Palomba, E.; Patsaev, D.; Piccioni, G.; Rataj, M.; Rodrigo, R.; Rodriguez, J.; Rossi, M.; Saggin, B.; Titov, D.; Zasova, L., The Planetary Fourier Spectrometer (PFS) onboard the European Mars Express mission, Planetary and Space Science, Volume 53, Issue 10, p. 963-974, 2005

9. Formisano, V.; Encrenaz, T.; Fonti, S.; Giuranna, M.; Grassi, D.; Hirsh, H.; Khatuntsev, I.; Ignatiev, N.; Lellouch, E.; Maturilli, A.; Moroz, V.; Orleanski, P.; Piccioni, G.; Rataj, M.; Saggin, B.; Zasova, L., A Martian PFS average spectrum: Comparison with ISO SWS, Planetary and Space Science, Volume 53, Issue 10, p. 1043-1052, 2005

10. Zasova, L.; Formisano, V.; Moroz, V.; Grassi, D.; Ignatiev, N.; Giuranna, M.; Hansen, G.; Blecka, M.; Ekonomov, A.; Lellouch, E.; Fonti, S.; Grigoriev, A.; Hirsch, H.; Khatuntsev, I.; Mattana, A.; Maturilli, A.; Moshkin, B.; Patsaev, D.; Piccioni, G.; Rataj, M.; Saggin, B., Water clouds and dust aerosols observations with PFS MEX at Mars, Planetary and Space Science, Volume 53, Issue 10, p. 1065-1077, 2005

11. Grassi, D.; Fiorenza, C.; Zasova, L. V.; Ignatiev, N. I.; Maturilli, A.; Formisano, V.; Giuranna, M, The Martian atmosphere above great volcanoes: Early planetary Fourier spectrometer observations, Planetary and Space Science, Volume 53, Issue 10, p. 1053-1064, 2005

12. Grassi, Davide; Ignatiev, N. I.; Zasova, L. V.; Maturilli, A.; Formisano, V.; Bianchini, G. A.; Giuranna, M. Methods for the analysis of data from the Planetary Fourier Spectrometer on the Mars Express Mission, Planetary and Space Science, Volume 53, Issue 10, p. 1017-1034, 2005

13. Hansen, G.; Giuranna, M.; Formisano, V.; Fonti, S.; Grassi, D.; Hirsh, H.; Ignatiev, N.; Maturilli, A.; Orleanski, P.; Piccioni, G.; Rataj, M.; Saggin, B.; Zasova, L., PFS-MEX observation of ices in the residual south polar cap of Mars, Planetary and Space Science, Volume 53, Issue 10, p. 1089-1095, 2005

14. Zasova, L. V.; Formisano, V.; Moroz, V. I.; Bibring, J.-P.; Grassi, D.; Ignatiev, N. I.; Giuranna, M.; Bellucci, G.; Altieri, F.; Blecka, M.; Gnedykh, V. N.; Grigoriev, A. V.; Lellouch, E.; Mattana, A.; Maturilli, A.; Moshkin, B. E.; Nikolsky, Yu. V.; Patsaev, D. V.; Piccioni, G.; Ratai, M.; Saggin, B.; Fonti, S.; Khatuntsev, I. V.; Hirsh, H.; Ekonomov, A. P., Results of measurements with the Planetary Fourier Spectrometer onboard Mars Express: Clouds and dust at the end of southern summer. A comparison with OMEGA images, Cosmic Research, Volume 44, Issue 4, pp.305-316, 2006

15. Grassi, D.; Formisano, V.; Forget, F.; Fiorenza, C.; Ignatiev, N. I.; Maturilli, A.; Zasova, L. V., The martian atmosphere in the region of Hellas basin as observed by the planetary Fourier spectrometer (PFS-MEX), Planetary and Space Science, Volume 55, Issue 10, p. 1346-1357, 2007

16. Fouchet, T.; Lellouch, E.; Ignatiev, N. I.; Forget, F.; Titov, D. V.; Tschimmel, M.; Montmessin, F.; Formisano, V.; Giuranna, M.; Maturilli, A.; Encrenaz, T. Martian water vapor: Mars Express PFS/LW observations, Icarus, Volume 190, Issue 1, p. 32-49, 2007

17. Tschimmel, M.; Ignatiev, N. I.; Titov, D. V.; Lellouch, E.; Fouchet, T.; Giuranna, M.; Formisano, V. Investigation of water vapor on Mars with PFS/SW of Mars Express, Icarus, Volume 195, Issue 2, p. 557-575, 2008

18. Billebaud, F.; Brillet, J.; Lellouch, E.; Fouchet, T.; Encrenaz, T.; Cottini, V.; Ignatiev, N.; Formisano, V.; Giuranna, M.; Maturilli, A.; Forget, F, Observations of CO in the atmosphere of Mars with PFS onboard Mars Express, Planetary and Space Science, Volume 57, Issue 12, p. 1446-1457, 2009