Реализация методов лазерной спектроскопии инфракрасного диапазона для локального и дистанционного зондирования атмосфер планетной группы.

Авторы
Зеневич С.Г.(1,2), Газизов И.Ш.(1,2), Спиридонов М.В.(1,2), Пляшков Е.В.(1,3,4), Чурбанов Д.В.(1), Виноградов И.И.(2), Родин. А.В.(1,2)
Организации
(1) Московский физико-технический институт
(2) Институт космических исследований РАН
(3) Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
(4) Государственный научный центр им. М.В. Келдыша
Сессия
Космическое приборостроение и эксперимент
Форма представления
Устный
Место работы научного руководителя
Московский физико-технический институт; Институт космических исследований РАН
Научный руководитель
к.ф.-м.н. Родин. А.В.
Текст тезисов
С появления первых полупроводниковых диодных лазеров на основе солей свинца в начале 70-х годов прошлого столетия область диодно-лазерной спектроскопии (ДЛС) совершила огромный скачок в развитии. На сегодняшний день ДЛС - один из наиболее востребованных и активно развивающихся методов газоанализа. Развитие полупроводниковой отрасли сыграло в этом немаловажную роль, так как сегодня рынок позволяет приобрести необходимый диодный лазер на любую интересующую длину волны в ближнем и среднем инфракрасном (ИК) диапазонах. А компактность, стабильность, высокая квантовая эффективность и низкое энергопотребление, как лазерных, так и детектирующих систем, позволяют разработать компактные технические решения для анализа малых составляющих атмосферы с высокой чувствительностью (единицы млрд^-1). Подобная чувствительность может достигаться, в частности, путем использованием многопроходных оптических кювет. А дополнительное использование высокодобротных оптических резонаторов позволяет расширить возможности ДЛС и детектировать уровень поглощения 10^-7 – 10^-10.

Как показала практика, методы ДЛС можно адаптировать для исследования атмосфер планет земной группы. Первый диодно-лазерный спектрометр для исследований неземной атмосферы был установлен на борт марсохода Curiosity для анализа изотопологического состава атмосферы Марса, который работает до сих пор. Московский физико-технический институт (МФТИ) совместно с институтом космических исследований (ИКИ) в рамках международной космической миссии ЭкзоМарс2022 разработали марсианский многоканальный диодно-лазерный спектрометр (М-ДЛС), работающий на основе метода внутрирезонаторного поглощения [1], для детектирования сезонных вариаций изотополгического состава атмосферы Марса. Технические характеристики и предварительные данные испытаний МДЛС будут представлены в первой части доклада.

Несмотря на все преимущества методов ДЛС, данный метод сугубо локальный и не позволяет анализировать атмосферу планеты на масштабах её толщины. Значительный задел МФТИ в области разработок многоканального лазерного гетеродинного спектрометра ближнего ИК диапазона для задач экологического мониторинга [2-4] позволил разработать техническое решение для анализа состава, структуры и динамики атмосфер планет земной группы с орбитальных космических аппаратов [5,6]. Мотивация и научные задачи для анализа атмосферы каждой отдельной планеты различны, однако, высокое спектральное разрешение гетеродинной спектроскопии порядка λ/δλ = 10^7 позволяет одинаково эффективно их решать.

В 2019 году МФТИ и ИКИ совместно выиграли конкурс на разработку спектрометров для орбитальной станции индийского космического агентства, которая отправится к Венере в 2024 году. МФТИ представил концепт многоканального лазерного гетеродинного спектрометра (Иволга), разработка которого сейчас активно ведется. Описанию свойств и возможностям гетеродинной спектроскопии ближнего ИК в приложении исследований атмосфер планет земной группы посвящена вторая часть доклада.

Литература
1. Martian Multichannel Diode Laser Spectrometer (M-DLS) for In-Situ Atmospheric Composition Measurements on Mars Onboard ExoMars-2022 Landing Platform / A.Rodin, I.Vinogradov, S.Zenevich, // Appl. Sci. – 2020. – Vol. 10. – P. 8805.
2. Measurements of a fully resolved contour of the carbon dioxide absorption line in a band at l = 1.605 mm in the atmospheric column using high-resolution heterodyne spectroradiometry / S.G.Zenevich, A.Yu.Klimchuk, V.M.Semenov et al. // Quantum Electronics. – 2019. – Vol, 49. - № 6. – P. 604 – 611.
3. Vertical wind profiling from the troposphere to the lower mesosphere based on high-resolution heterodyne near-infrared spectroradiometry / A.V.Rodin, D.V.Churbanov, S.G.Zenevich et al. // Atmos. Meas. Tech. – 2020. – Vol. 13. – P. 2299–2308.
4. Improvement of dark signal evaluation and signal-to-noise ratio of multichannel receivers in NIR heterodyne spectroscopy application for simultaneous CO2 and CH4 atmospheric measurements / S.G.Zenevich, I.Gazizov, D.Churbanov et al. // OSA Continuum. – 2020. – Vol. 3. - № 7. – P. 1801–1810.
5. CubeSat project for sounding the atmosphere of Mars / I.Sh.Gazizov, S.G.Zenevich, D.S.Shaposhnikov et al. // 5th IAA Conference on University Satellite Missions and CubeSat Workshop. - Rome, 2020. – P. IAA-AAS-CU-20-05-06.
6. A concept of lightweight spaceborne multichannel heterodyne NIR spectroradiometer for greenhouse gases remote sensing with the ground validation of expected results / S.G.Zenevich, I.Gazizov, D.Churbanov et al. // Rem. Sens. – 2021. Under review.