Khám phá các vùng cực của hành tinh – lý do cho một nhiệm vụ cảm biến từ xa thế hệ tiếp theo đến quỹ đạo thấp của sao Hỏa

Experimental Astronomy - Tập 54 Số 2-3 - Trang 695-711 - 2022
J. Oberst1,2, Kai Wickhusen1, K. Gwinner1, Ernst Hauber1, Alexander Stark1, S. Elgner1, M. Grott1, Lida Fanara1, H. Hußmann1, Gregor Steinbrügge3, S. R. Lewis4, M. R. Balme4, Maurizio Maugeri5, Guglielmina Diolaiuti5, Nanna B. Karlsson6, Andreas Johnsson7, A. B. Ivanov8, H. Hiesinger9
1DLR, Institute of Planetary Research, Berlin, Germany
2Technical University Berlin, Berlin, Germany
3Institute for Geophysics, The University of Texas at Austin, Austin, USA
4School of Physical Sciences, Open University, Milton Keynes, UK
5Department of Environmental Science and Policy, Università degli Studi di Milano, Milan, Italy
6Geological Survey of Denmark and Greenland, Copenhagen, Denmark
7Department of Earth Sciences, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden
8Space Center, Skolkovo Institute of Science and Technology, Moscow, Russia
9Institut für Planetologie, Westfälische Wilhelms-Universität (WWU), Münster, Germany

Tóm tắt

Tóm tắt Chúng tôi đề xuất việc khám phá các vùng cực trên sao Hỏa thông qua một nhiệm vụ vệ tinh thế hệ tiếp theo. Cụ thể, chúng tôi nhắm tới việc nghiên cứu các biến đổi theo mùa và khu vực trong các lớp tuyết, điều này – cùng với việc đo lường các biến động theo thời gian trong độ xoay và trường trọng lực – sẽ cải thiện các mô hình về chu trình CO2 toàn cầu của hành tinh. Việc giám sát các vách đá cực để phát hiện các sự kiện sạt lở và lở tuyết có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về động học của các lớp băng. Việc lập bản đồ các lớp kết cấu phức tạp của các lớp trầm tích cực, được cho là chứa đựng một hồ sơ quan trọng về lịch sử khí hậu, có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự sụp đổ khí hậu sớm trên hành tinh. Do đó, chúng tôi đề xuất một nhiệm vụ khám phá sáng tạo thế hệ tiếp theo trong quỹ đạo tròn cực thấp của sao Hỏa, điều này sẽ thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và thách thức các kỹ sư. Các phương án sẽ được phát triển để vượt qua các lực cản từ khí quyển tác động lên tàu vũ trụ bằng hệ thống đẩy điện. Dựa trên kinh nghiệm của các nhiệm vụ tương tự trong quỹ đạo của Trái đất, chúng tôi tin rằng một nhiệm vụ hai năm trong quỹ đạo tròn là khả thi ở độ cao thấp tới 150 km. Một nhiệm vụ như vậy mở ra những cơ hội mới cho các phương pháp cảm biến từ xa mới, không yêu cầu thiết bị kính viễn vọng hoặc năng lượng quá mức. Chúng tôi dự đoán sẽ thực hiện đo cao chính xác, rada mạnh, hình ảnh độ phân giải cao và lập bản đồ trường từ.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Bae, S., Webb, C.E.: Precision attitude determination with an extended kalman filter to measure ice-sheet elevation. J. Guid. Control Dyn. 40, 2335–2340 (2017)

Blankenship, D.D., Young, D.A., Moore, W.B., Moore, J.C.: Radar Sounding of Europa’s Subsurface Properties and Processes: The View from Earth. In: Pappalardo, R.T., McKinnon, W.B., Khurana, K.K. (eds.) Europa, pp. 631–654. The University of Arizona Press, Tuscon (2009)

Byrne, S.: The polar deposits of Mars. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 37, 535–60 (2009). https://doi.org/10.1146/annurev.earth.031208.100101

Byrne, S., Sori, M. M., Russell, P., Pathare, A. V., Becerra, P., Molaro, J. L., Sutton, S., Mellon, M. T., HiRISE Team: Mars polar cliffs: stressed out and falling apart. European Planetary Science Congress 11, EPSC Abstracts 11, EPSC2017-333 (2017)

Clifford, S.M., et al.: The state and future of Mars polar science and exploration. Icarus 144, 210–242 (2000). https://doi.org/10.1006/icar.1999.6290

Clifford, S.M., Thosteinsson, Th., Björnsson, H., Fisher, D.A., Paige, D.A.: Introduction to the second Mars polar science special issue. Icarus 154, 1–2 (2001). https://doi.org/10.1006/icar.2001.6727

Clifford, S.M., Doran, P.T., Fisher, D.A., Herd, C.D.K.: Third Mars polar science special issue: key questions, needed observations, and recommended investigations. Icarus 174, 291–293 (2005). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2004.12.012

Clifford, S.M., et al.: Introduction to the fifth Mars Polar Science special issue: key questions, needed observations, and recommended investigations. Icarus 225, 864–868 (2013). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2013.04.005

Dehant, V., Banerdt, B., Lognonne, P., Grott, M., Asmar, S., Biele, J., Breuer, D., Forget, F., Jaumann, R., Johnson, C., Knapmeyer, M., Langlais, B., Le Feuvre, M., Mimoun, D., Mocquet, A., Read, P., Rivoldini, A., Romberg, O., Schubert, G., Smrekar, S., Spohn, T., Tortora, P., Ulamec, S., Vennerstrom, S.: Future Mars geophysical observatories for understanding its internal structure, rotation, and evolution. Planet. Space Sci. 68, 123–145 (2012)

Dickson, J. L., Kerber, L. A., Fassett, C. I., Ehlmann, B. L.: A global, blended CTX Mosaic of Mars with vectorized seam mapping: A new mosaicking pipeline using principles of non-destructive image editing. 49th Lunar and Planetary Science Conference, LPI Contribution No. 2083, 2480 (2018)

Elachi, C., Allison, M.D., Borgarelli, L., Encrenaz, P., Im, E., Janssen, M.A., Johnson, W.T.K., Kirk, R.L., Lorenz, R.D., Lunine, J.I., Muhleman, D.O., Ostro, S.J., Picardi, G., Posa, F., Rapley, C.G., Roth, L.E., Seu, R., Soderblom, L.A., Vetrella, S., Wall, S.D., Wood, C.A., Zebker, H.A.: Radar: the Cassini titan radar mapper. Space Sci. Rev. 115, 71–110 (2004). https://doi.org/10.1007/s11214-004-1438-9

Elachi, C., Wall, S., Janssen, M., Stofan, E., Lopes, R., Kirk, R., Lorenz, R., Lunine, J., Paganelli, F., Soderblom, L., Wood, C., Wye, L., Zebker, H., Anderson, Y., Ostro, S., Allison, M., Boehmer, R., Callahan, P., Encrenaz, P., Flamini, E., Francescetti, G., Gim, Y., Hamilton, G., Hensley, S., Johnson, W., Kelleher, K., Muhleman, D., Picardi, G., Posa, F., Roth, L., Seu, R., Shaer, S., Stiles, B., Vetrella, S., West, R.: Titan radar mapper observations from Cassini’s T3 fly-by. Nature 441, 709–713 (2006). https://doi.org/10.1038/nature04786

Fanara, L., Gwinner, K., Hauber, E., Oberst, J.: Present-day erosion rate of north polar scarps on Mars due to active mass wasting. Icarus 342, article id. 113434 (2019). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2019.113434

Fishbaugh, K.E., et al.: Introduction to the 4th Mars polar science and exploration conference special issue: five top questions in Mars polar science. Icarus 196, 305–317 (2008). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2008.05.001

Folkner, W.M., Yoder, C.F., Yuan, D.N., Standish, E.M., Preston, R.A.: Interior structure and seasonal mass redistribution of Mars from radio tracking of Mars Pathfinder. Science 278, 1749–1752 (1997)

Folkner, W.M., Dehant, V., Le Maistre, S., Yseboodt, M., Rivoldini, A., Van Hoolst, T., Asmar, S.W., Golombek, M.P.: The rotation and interior structure experiment on the inSight mission to Mars. Space Sci. Rev. 214, 100 (2018)

Genova, A., Goossens, S., Lemoine, F.G., Mazarico, E., Neumann, G.A., Smith, D.E., Zuber, M.T.: Seasonal and static gravity field of Mars from MGS, Mars Odyssey and MRO radio science. Icarus 272, 228–245 (2016)

Grima, C., Kofman, W., Herique, A., Orosei, R., Seu, R.: Quantitative analysis of Mars surface radar reflectivity at 20MHz. Icarus 220, 84–99 (2012). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2012.04.017

Hansen, C.J., Byrne, S., Portyankina, G., Bourke, M., Dundas, C., McEwen, A., Mellon, M., Pommerol, A., Thomas, N.: Observations of the northern seasonal polar cap on Mars: I Spring sublimation activity and processes. Icarus 225, 881–897 (2013). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2012.09.024

Herkenhoff, K.E., Byrne, S., Russell, P.S., Fishbaugh, K.E., McEwen, A.S.: Meter-scale morphology of the North Polar region of Mars. Science 317, 1711–1715 (2007). https://doi.org/10.1126/science.1143544

Jaumann, R., et al.: The high-resolution stereo camera (HRSC) experiment on Mars express: instrument aspects and experiment conduct from interplanetary cruise through the nominal mission. Planet. Space Sci. 55(7–8), 928–952 (2007). https://doi.org/10.1016/j.pss.2006.12.003

Jordan, R., Picardi, G., Plaut, J., Wheeler, K., Kirchner, D., Safaeinili, A., Johnson, W., Seu, R., Calabrese, D., Zampolini, E., Cicchetti, A., Huff, R., Gurnett, D., Ivanov, A., Kofman, W., Orosei, R., Thompson, T., Edenhofer, P., Bombaci, O.: The Mars Express MARSIS sounder instrument. Planet. Space Sci. 57, 1975–1986 (2009). https://doi.org/10.1016/j.pss.2009.09.016

Kaku, T., Haruyama, J., Miyake, W., Kumamoto, A., Ishiyama, K., Nishibori, T., Yamamoto, K., Crites, S.T., Michikami, T., Yokota, Y., Sood, R., Melosh, H.J., Chappaz, L., Howell, K.C.: Detection of intact lava tubes at Marius hills on the moon by SELENE (Kaguya) lunar radar sounder. Geophys. Res. Lett. 44, 10155–10161 (2017). https://doi.org/10.1002/2017GL074998

Karlsson, N.B., Holt, J.W., Hindmarsh, R.C.A.: Testing for flow in the north polar layered deposits of Mars using radar stratigraphy and a simple 3D ice-flow model. Geophys. Res. Lett. 38, L24202 (2011). https://doi.org/10.1029/2011GL049630

Kofman, W., Herique, A., Barbin, Y., Barriot, J.P., Ciarletti, V., Clifford, S., Edenhofer, P., Elachi, C., Eyraud, C., Goutail, J.P., Heggy, E., Jorda, L., Lasue, J., Levasseur-Regourd, A.C., Nielsen, E., Pasquero, P., Preusker, F., Puget, P., Plettemeier, D., Rogez, Y., Sierks, H., Statz, C., Svedhem, H., Williams, I., Zine, S., Van Zyl, J.: Properties of the 67P/Churyumov-Gerasimenko interior revealed by CONSERT radar. Science (80) 349, 1–7 (2015). https://doi.org/10.1126/science.aab0639

Konopliv, A.S., Park, R.S., Folkner, W.M.; An improved JPL Mars gravity field and orientation from Mars orbiter and lander tracking data. Icarus 274, 253–260 (2016)

Konopliv, A.S., Yoder, C.F., Standish, E.M., Yuan, D.N., Sjogren, W.L.: A global solution for the Mars static and seasonal gravity, Mars orientation, phobos and deimos masses, and Mars ephemeris. Icarus 182, 23–50 (2006)

Markus, T., et al.: The ice, cloud, and land elevation satellite-2 (ICESat-2): science requirements, concept, and implementation. Remote Sens. Environ. 190, 260–273 (2017). https://doi.org/10.1016/j.rse.2016.12.029

MEPAG NEX-SAG Report. Report from the Next Orbiter Science Analysis Group (NEX-SAG), Chaired by B. Campbell and R. Zurek, 77 pages posted December, 2015 by the Mars Exploration Program Analysis Group (MEPAG) at https://mepag.jpl.nasa.gov/reports.cfm (2015). Accessed Jan 2022

MEPAG ICE-SAG Final Report. Report from the Ice and Climate Evolution Science Analysis group (ICE-SAG), Chaired by S. Diniega and N. E. Putzig, 157 pages posted 08 July 2019, by the Mars Exploration Program Analysis Group (MEPAG) at https://mepag.jpl.nasa.gov/reports.cfm (2019). Accessed Jan 2022

Murray, B.C., Soderblom, L.A., Cutts, J.A., Sharp, R.P., Milton, D.J., Leighton, R.B.: Geological framework of the south polar region ofMars. Icarus 17, 328–345 (1972). https://doi.org/10.1016/0019-1035(72)90004-8

National Research Council. Vision and Voyages for Planetary Science in the Decade 2013-2022. The National Academies Press, Washington (2011). https://doi.org/10.17226/13117.

Neumann, G.A., Smith, D.E., Zuber, M.T.: Two years of clouds detected by the Mars orbiter laser altimeter. J. Geophys. Res. 108(E4), 5023 (2003)

Ono, T., Oya, H.: Lunar Radar Sounder (LRS) experiment on-board the SELENE spacecraft. Earth Planets Sp. 52, 629–637 (2000). https://doi.org/10.1186/BF03351671

Orosei, R., Lauro, S.E., Pettinelli, E., Cicchetti, A., Coradini, M., Cosciotti, B., Di Paolo, F., Flamini, E., Mattei, E., Pajola, M., Soldovieri, F., Cartacci, M., Cassenti, F., Frigeri, A., Giuppi, S., Martufi, R., Masdea, A., Mitri, G., Nenna, C., Noschese, R., Restano, M., Seu, R.: Radar evidence of subglacial liquid water on Mars. Science 361(6401), 490–493 (2018). https://doi.org/10.1126/science.aar7268

Perron, J.T., Huybers, P.: Is there an orbital signal in the polar layered deposits on Mars? Geology 37(2), 155–158 (2009). https://doi.org/10.1130/G25143A.1

Piqueux, S., Kleinböhl, A., Hayne, P.O., Kass, D.M., Schofield, J.T., McCleese, D.J.: Variability of the martian seasonal CO2 cap extent over eight Mars years. Icarus 251, 164–180 (2015). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.10.045

Putri, A.R.D., Sidiropoulos, P., Jan-PeterMuller, J.-P., Walter, S.H.G., Michael, G.G.: A new south polar digital terrain model of Mars from the High-Resolution Stereo Camera (HRSC) onboard the ESA Mars express. Planet. Space Sci. 174, 43–55 (2019). https://doi.org/10.1016/j.pss.2019.02.010

Putzig, N.E., Smith, I.B., Perry, M.R., Foss, F.J., Campbell, B.A., Phillips, R.J., Seu, R.: Three-dimensional radar imaging of structures and craters in the Martian polar caps. Icarus 308, 138–147 (2018). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2017.09.023

Russell, P., Thomas, N., Byrne, S., Herkenhoff, K., Fishbaugh, K., Bridges, N., Okubo, C., Milazzo, M., Daubar, I., Hansen, C., McEwen, A.: Seasonally active frost-dust avalanches on a north polar scarp of Mars captured by HiRISE. Geophys. Res. Lett. 35 (2008). https://doi.org/10.1029/2008GL035790

Russell, P.S., Byrne, S., Pathare, A., Herkenhoff, K.E.: Active erosion and evolution of Mars north polar scarps. 43rd Lunar and Planetary Science Conference, LPI Contribution No. 1659, 2747 (2012)

Seu, R., Biccari, D., Orosei, R., Lorenzoni, L.V., Phillips, R.J., Marinangeli, L., Picardi, G., Masdea, A., Zampolini, E.: SHARAD: The MRO 2005 shallow radar. Planet. Space Sci. 52, 157–166 (2004). https://doi.org/10.1016/j.pss.2003.08.024

Smith, D.E., Zuber, M.T., Neumann, G.A.: Seasonal variations of snow depth on Mars. Science 294, 2141–2146 (2001)

Smith, D.E., et al.: The Lunar Orbiter Laser Altimeter investigation on the Lunar Reconnaissance Orbiter Mission. Space Sci. Rev. 150, 209–241 (2010). https://doi.org/10.1007/s11214-009-9512-y

Smith, I. B.: Mars Polar, Ice, and Climate Science: A Summary of Recent Work and our Current State of Knowledge. Ninth International Conference on Mars 2019 (LPI Contrib. No. 2089), 6306 (2019)

Smith, I.B., Putzig, N.E., Holt, J.W., Phillips, R.J.: An ice age recorded in the polar deposits on Mars. Science 352(6289), 1075–1078 (2016). https://doi.org/10.1126/science.aad6968

Smith, I.B., et al.: 6th international conference on Mars polar science and exploration: conference summary and five top questions. Icarus 308, 2–14 (2018). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2017.06.027

Sori, M.M., Byrne, S., Hamilton, C.W., Landis, M.E.: Viscous flow rates of icy topography on the north polar layered deposits of Mars. Geophys. Res. Lett. 43, 541–549 (2016). https://doi.org/10.1002/2015GL067298

Stark, A., Matz K.-D., Roatsch T.: Multi-Mission Laser Altimeter Data Processing and Co-Registration of Image and Laser Data at DLR, Planetary Science Informatics and Data Analytics Conference, held 24-26 April, 2018 in St. Louis, Missouri. LPI Contribution No. 2081, id.6014, 2018

Steinbrügge, G., Schroeder, D.M., Haynes, M.S., Hussmann, H., Grima, C., Blankenship, D.D.: Assessing the potential for measuring Europa’s tidal Love number h2 using radar sounder and topographic imager data. Earth Planet. Sci. Lett. 482, 334–341 (2018). https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.11.028

Zebker, H.A., Gim, Y., Callahan, P., Hensley, S., Lorenz, R.: Cassini radar team, analysis and interpretation of Cassini Titan radar altimeter echoes. Icarus 200, 240–255 (2009). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2008.10.023

Zuber, M.T., et al.: Internal structure and early thermal evolution of Mars from Mars Global Surveyor topography and gravity. Science 287, 1788–1793 (2000)

Zuber, M.T., Phillips, R.J., Andrews-Hanna, J.C., Asmar, S.W., Konopliv, A.S., Lemoine, F.G., Plaut, J.J., Smith, D.E., Smrekar, S.E.: Density of Mars’south polar layered deposits. Science 317, 1718–1719 (2007). https://doi.org/10.1126/science.1146995

Zurek, R.W., Smrekar, S.E.: An overview of the Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) science mission. J. Geophys. Res. 112, E05S01 (2007). https://doi.org/10.1029/2006JE002701