A carregar...
Publicação
Study of global dust storms on Mars using high resolution spectroscopy
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 26.96 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
O projeto de investigação desenvolvido e aqui apresentado, foca-se numa tentativa de caracterização da baixa/média atmosfera durante uma tempestade de poeira global em Marte. Esta tese de mestrado foi realizada sob a orientação do Doutor Pedro Mota Machado, investigador do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA). O propósito deste trabalho de investigação é aplicar e validar uma nova abordagem que permite sondar as velocidades de vento na atmosfera de Marte a partir de observações terrestres. Esta é a primeira vez que uma técnica de velocimetria de Doppler, baseada em observações realizadas nos comprimentos de onda ultravioleta e visível, é aplicada ao estudo dos ventos em Marte. Esta técnica tem o potencial de providenciar uma nova forma de investigar este tipo de eventos em Marte e complementar estudos feitos com observações efectuadas a partir de sondas em órbita do planeta ou de rovers na superfície. A tese apresenta medições de velocidades Doppler de ventos zonais na atmosfera de Marte, durante a tempestade de poeira global de 2018, obtidas através de velocimetria de Doppler a partir de observações efectuadas com o espectrómetro de alta resolução Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES) do Very Large Telescope (VLT) situada nas instalações do ESO no Chile. A alta resolução do instrumento (R ≈ 100; 000) permite-nos medir a velocidade a que as nuvens de poeira se movem ao medirmos o desvio de Doppler induzido nas linhas Fraunhofer (no intervalo de comprimentos de onda ʎ ≈ 420 ˘1100nm), da radiação solar que é dispersa na poeira suspensa na atmosfera, pelo movimento da poeira. Isto permite-nos investigar a atmosfera de Marte durante uma tempestade de poeira global e obter perfis latitudinais de ventos zonais sob a suposição de que o vento não zonal é desprezável. As tempestades de poeira global são eventos complexos e estocásticos que fazem parte do ciclo de poeira presente em Marte. São capazes de provocar alterações drásticas das propriedades e dinâmicas atmosféricas. A poeira é elevada da superfície por acção do vento e pode atingir alturas acima dos 50km durante estes eventos, aumentando a profundidade ótica ao longo das várias latitudes e longitudes. A poeira é extremamente absorvente no infravermelho, o que aumenta as taxas de aquecimento e consequentemente fortalece a circulação, criando um ciclo de feedback positivo. Os processos que permitem o desenvolvimento de tempestades de poeira global de 3 em 3 anos (R.Zurek&J.Martin,1993) permanecem mal compreendidos. Além do mais, também não existe consenso relativamente aos mecanismos de cessação destas tempestades. Estes eventos geralmente desenvolvem-se no hemisfério do sul durante a Primavera e Verão (no hemisfério do sul -Ls ≈ 180° - 360° -período de Afélio) no entanto, esta desenvolveu-se no hemisfério do norte durante o equinócio de Primavera do hemisfério do sul (Ls ≈ 185°). A primeira confirmação de uma observação de uma tempestade de poeira global foi efectuada pela sonda Mariner4 aquando da sua chegada a Marte em 1964. Desde então foram reunidas provas suficientes para a confirmação de outras 8 tempestades. Ao longo das últimas décadas várias missões foram desenvolvidas para estudar estes fenómenos e o seu efeito na atmosfera de Marte. No entanto o custo destas missões é extremamente elevado quando comparado com o custo de realização de observações telescópicas a partir da Terra. As observações utilizadas neste trabalho de investigação foram efectuadas a 25 de Junho de 2018, com o braço vermelho do UVES/VLT, no Chile ao longo de 2 horas. A data das observações foi escolhida de modo a maximizar o diâmetro angular de Marte e minimizar o ângulo de fase. Com o objectivo de cobrir uma gama considerável de latitudes e longitudes foi utilizada uma configuração de fenda longa (0.3 segundos de arco de largura e 12 segundos de arco de comprimento). Foram efectuadas 80 exposições em duas configurações pré-definidas (fenda espectroscópica alinhada perpendicularmente e paralelamente ao eixo de rotação do planeta) com 5 exposições por posição ao longo de várias posições. A resolução espacial obtida no centro do disco planetário é de aproximadamente 63 km. Neste trabalho utilizou-se um método de medição directa dos ventos baseada em espectroscopia de alta resolução na gama de cumprimentos de onda do visível. Esta técnica é baseada no método de velocimetria de Doppler que foi aperfeiçoada para espectroscopia de fenda longa de grandes objectos alvo (Machado et al., 2012; Machado, 2014; Machado et al., 2014, 2017) e adaptada por mim para o caso de Marte. As velocidades neste método são medidas relativamente ao pixel de referência que escolhemos ser o píxel mais próximo do ponto de meio ângulo de fase. Isto permite-nos obter variações espaciais e temporais do vento. O tratamento e a redução dos dados provenientes do UVES foram efectuados com recurso a um pacote descripts MATLAB fornecido pelo Doutor Pedro Machado que os havia adaptado para o caso de Vénus. Isto incluía computação do master bias e master flat e o seguinte processo de “de-bias” e “flat- field” das imagens. Além disso a relação de dispersão é construída com base na exposição à lâmpada de Tório-Argon de forma a calibrar os comprimentos de onda de forma muito precisa. Por fim os dados foram corrigidos de forma a contar com a curvatura da fenda. Este processo permite que se obtenham os espectros de alta resolução 1-D a partir dos echellogrammes brutos. Efectuei a reprogramação dos scripts usados para os estudos atmosféricos de Vénus com vista a sua adaptação para o caso de Marte. Em primeiro lugar a redução da janela activa na fenda, em segundo lugar a utilização de geometria esférica para localizar todos os pontos das nossas observações dentro do globo e computar os factores de projecção para cada um desses pontos. Isto permitiu de projectar as velocidades da linha de visão terrestre. Para remover os efeitos da rotação planetária dos desvios de Doppler foi computado e removido a contribuição desta, para Doppler total, em cada ponto das lit, para todas as posições das lit. Foi ainda avaliada a possível contribuição do efeito de Young para os desvios Doppler medidos e considerada desprezável na geometria específica das observações efectuadas. Foi calculada e apresentada, para cada pixel ao longo da fenda espectroscópica, as velocidades medidas. Há que ter em atenção que os detectores cobrem gamas de comprimento de onda diferentes e sondam diferentes profundidades ópticas. Os resultados obtidos revelam o potencial desta técnica pioneira no estudo de velocidades de ventos a partir de observações terrestres, e em particular na investigação de eventos desta natureza em Marte. Esta técnica poderá permitir a caracterização do vento em função da latitude e hora local e o estudo da sua variabilidade espacial atemporal. No seguimento de este projecto de investigação contemplam-se vários futuros desenvolvimentos. Neste processo está incluído a melhor subtracção das contribuições da rotação planetária para os desvios de Doppler, utilizar modelos de transferência radiactiva para melhor restringir a altura que as nossas observações estão a sondar e remover pixéis defeituosos que criam efeitos indesejados nas nossas observações.
Descrição
Tese de mestrado, Física (Astrofísica e Cosmologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019
Palavras-chave
Marte Tempestades de poeira Ventos Velocimetria de Doppler Atmosferas Planetárias Teses de mestrado - 2019