Отдел физики планет
Солнечной системы

Научный руководитель: Захаров А.В.
Ведущий по прибору: Дольников Г.Г.

ПК представляет собой комплекс датчиков для регистрации и изучения динамики пылевых частиц в приповерхностной области Марса и исследования сопутствующих электрических процессов в марсианской атмосфере.

Основные научные задачи:
• исследование динамики и основных характеристик заряженных пылевых частиц в приповерхностной атмосфере Марса: концентрации, скорости, электрического заряда, массы;
• изучение механизмов заряда пылевых частиц и их перемещения (дрейфа);
• регистрация локальных и удаленных источников возмущения электрического поля, пылевых образований, вихрей;
• определение электрической проводимости приповерхностной атмосферы при различных метеорологических условиях;
• определение характеристик приповерхностного электрического поля и кумулятивной плотности заряда на пылевых частицах;
• определение связи электрической проводимости атмосферы и приповерхностного электрического поля;
• исследование электромагнитных шумов, связанных с динамикой пылевых частиц в марсианской атмосфере.

Общий вид блоков прибора:

Расположение блоков прибора на посадочной платформе ЭкзоМарс:

Технические характеристики прибора ПК:

Принцип работы прибора

Регистрация микрочастиц осуществляется с помощью набора ориентированных по 5 различным направлениям пьезокерамических пластин разного диаметра и, соответственно, разной чувствительности. На расстоянии 10 мм от поверхности каждой из пластин имеется проводящая сетка, являющаяся электродом зарядочувствительного датчика. По амплитуде электрического сигнала, формирующегося после попадания пылевой частицы в пьезопластину, определяется импульс частицы. По временному интервалу между пролетом частицы через сетку и ударом в пьезопластину определяется скорость частицы.

Датчик электрической проводимости атмосферы представляет собой воздушный цилиндрический конденсатор, на обкладки которого подается электрический импульс фиксированной амплитуды. После снятия потенциала происходит разряд конденсатора за время, которое определяется проводимостью среды и характеристиками электроники.

Для контроля уровня запыленности пьезодатчиков используется оптический датчик, представляющий собой микросхему с оптическим детектором, лазером и расположенной над ними стеклянной пластиной, на которую могут оседать пылевые частицы, так же как и на находящиеся рядом пьезопластины. По изменению коэффициента отражения пробного лазерного излучения можно судить об изменении толщины пылевого слоя.

Блок MicroMED представляет собой проточный счетчик аэрозольных частиц, измеряющий концентрацию и распределение частиц по размерам путем регистрации рассеянного частицами пробного лазерного излучения в импульсном режиме.

Величина электрического поля на расстоянии приблизительно 35 и 70 см от поверхности Марса и в пределах 1 м от посадочной платформы измеряется с помощью установленных на штанге двух зондов Ленгмюра с плавающим потенциалом.

На штанге установлена также антенна анализатора электромагнитной активности, предназначенного для регистрации переменного электромагнитного поля в диапазоне частот от 0,1 до 1 МГц. Определяется величина шумового сигнала, представляющего собой совокупность сигналов от множества некоррелированных по времени и пространству микроразрядов со случайными амплитудами и фазами. По уровню такого сигнала можно судить об интенсивности сопровождающихся электромагнитным излучением электрических разрядов между заряженными пылевыми частицами.

Совместная работа датчиков различных типов, проводящих измерения физически связанных, но разнородных процессов в составе единого прибора, обеспечивается специальной электроникой и программным обеспечением, позволяющими реализовывать различные схемы опроса датчиков, накопления, предварительной обработки и телеметрической передачи получаемой информации.

Прибор создан в ИКИ РАН при участии СКБ КП ИКИ РАН, Observatorio Astronomico di Capodimonte INAF, Napoli, Italy (блок MicroMED), в тесном сотрудничестве с Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), France, а также с University of Naples, CNR-Instituto Nazionale do Ottica, Florence, Italy; Politecnico di Milano, Italy; ESA – ESTEC, Noordwijk; INTA, Madrid, Spain; SPRL – Space Physics Research lab.; University of Michigan, USA; George Mason University, USA; ОИВТ РАН; НПО Лавочкина.

Статьи:

1. Whitten R.C., Poppoff I.G. and Sims J.S. The ionosphere of Mars below 80 km altitude-I. Quiescent conditions. Planet. Space Sci. 19, 243-250. 1971.

2. Eden H.F., Vonnegut B., Electrical breakdown cause by dust motion in low pressure atmospheres: Consideration for Mars. Science, 180, 962-963, 1973.

3. Pollack et all. Properties of aerosols in the Martian atmosphere, as inferred from Viking Lander imaging data, Journal of Geophysical Research. 1977. V. 82, Sept. 30. Р. 4479-4496.

4. Pollack et al. Properties and Effects of Dust particles Suspended in the Martian Atmosphere // JGR .1979. V. 84, № B6. Р. 2929-2945.

5. Мороз В.И., Кержанович В.В., Краснопольский В.А. Инженерная модель атмосферы Марса для проекта Марс-94 (МА-90) // Космические исследования. 1991. Т. 29, вып. 1. С. 3-84.

6. Markiewicz W.J., Sablotny R. M., Keller H. U., Thomas N., Titov D., Smit P.H. Optical properties of the Martian aerosols as derived from Imager for Mars Pathfinder midday sky brightness data // Journal of Geophysical Research 1999. V. 104, № E4. Р. 9009-9017.

7. Tomasko M. G., Doose L. R., Lemmon M., Smith P. H., and Wegryn E. Properties of dust in the Martian atmosphere from the Imager on Mars Pathfinder. J. of Geophys. Res., 104, E4, 8987-9007. 1999.

8. Howard A. Perko, John D. Nelson, and Jacklyn R. Green. Review of Martian dust composition, transport, deposition, adhesion, and removal // Proc. Space 2002, The Eight International Conference on Engineering, Construction, Operations and Business (2002). doi: 10.1061/40625(203)25.

9. Renno N.O., Wong Ah-S., and Atreya S.K. Electrical discharges and broadband radio emission by Martian dust devils and dust storms. Geophys. Res. Lett. 30, 22, 2140, doi:10.1029/2003GL017879, 2003.

10. Farrell, W.M., Renno, N., Delory, G.T., Cummer, S.A. and Marshall, J.R. Integration of electrostatic and fluid dynamics within a dust devil. Journal of Geophysical Research. 2006. 111, E01006, doi:10.1029/2005JE002527.

11. Michael M., Tripathi S.N., Mishra S.K., Dust charging and electrical conductivity in the day and nighttime atmosphere of Mars. J. of Geophys. Res., 113, E07010, doi:10.1029/2007JE003047, 2008.

12. Smith M.D., Spacecraft Observations of the Martian Atmosphere, Annual Review of Earth and Planetary Sciences 36, 191-219, 2008.

13. Yair Y., Fischer G., Simoes F., Renno N., Zarka P., Updated Review of Planetary Atmospheric Electricity. Space Sci. Rev. 2008. V. 137, № 1-4. P. 29-49.

14. Seran E., Godefroy M., Renno N., Elliott H. Variations of electric field and electric resistivity of air caused E. by dust motion. J. of Geophys. Res.: Space Physics 118, 1–11, doi:10.1002/jgra.50478, 2013.

15. Esposito E., Molfese C., Cozzolino F., Cortecchia F., Mongelluzzo G., Saggin D., Scaccabarozzi D., Rodríguez I.A., Rico A.V.O., N. Santiuste A., de Mingo J. R., Schipani P., Silvestro S., Popa C.I., Dall’Ora M., Zakharov A., Dolnikov G., Lyash A., Kuznetsov I., Mugnuolo R., Pirrotta S. The characterization of airborne dust close to the surface of Mars: the Dust Complex/MicroMED sensor on board the ExoMars 2020 Surface Platform. EPSC Abstracts Vol. 12, EPSC2018-1159, 2018 European Planetary Science Congress.

16. Mongelluzzo G., Esposito F., Cozzolino F., Franzese G., Ruggeri A., Porto C., Molfese C. CFD analysis of the “MicroMED” Optical Particle Counter in various planetary environments. 356-361. 10.1109 / MetroAeroSpace 48742.2020.9160139, 2020.

Дополнительные материалы:

1. Investigation of Martian dust dynamics with the Dust Complex: instrument development and calibration (pdf, английский язык)