Ionosfera de Marte: Calibración y análisis de datos, y modelado
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Sánchez–Cano Moreno de Redrojo, Beatriz
2015-A
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La alta atmósfera de Marte, que incluye la ionosfera, es la primera región del sistema marciano en contacto directo con el viento solar ya que Marte no posee una magnetosfera de carácter global. Por tanto, la ionosfera está fuertemente condicionada por la variación de la actividad solar. Esta actividad, juega un papel fundamental en los procesos de escape en la atmósfera, los cuales han deshidratado el planeta a lo largo de la historia del Sistema Solar, afectando intensamente a la evolución del clima y a la habitabilidad del planeta a lo largo del tiempo geológico. Un buen conocimiento de la alta atmósfera de Marte, así como de su ionosfera, constituye un elemento clave de dimensiones planetarias.
El conocimiento adquirido de esta capa atmosférica, así como de la imagen de Marte global, ha sufrido una evolución exponencial en los últimos 5-10 años gracias a la masiva exploración llevada a cabo principalmente por las agencias espaciales NASA y ESA. Un mejor conocimiento del sistema ionosfera-plasma ha emergido gracias a los casi 11 años de medidas continuas de distintas propiedades del plasma llevado a cabo por varios instrumentos a bordo de la sonda Mars Express, entre los que destacan: ASPERA, MaRS y MARSIS.
Anteriormente, este conocimiento estuvo limitado a los pocos intervalos temporales de datos disponibles, ya que nunca una misión planetaria había podido realizar medidas continuas durante un largo periodo de tiempo en dicha ionosfera. Consiguientemente, por primera vez en la historia, es posible analizar la ionosfera de Marte bajo un ciclo solar completo, algo esencial que puede ayudar considerablemente a la exploración del planeta rojo. Con suerte, esta gran cobertura solar será enriquecida en unos meses con medidas simultáneas de las misiones Mars Express y MAVEN (NASA Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN). Ambas misiones realizarán varias campañas conjuntas para un análisis más profundo de las características del plasma marciano, permitiendo estudios ionosféricos exhaustivos comparando datos tomados simultáneamente.
Todo el trabajo de esta tesis doctoral se ha enmarcado dentro del proyecto Meiga-MetNet Precursor, el cual ha formado un gran grupo de estudios marcianos en la Universidad Complutense de Madrid. Entre estos trabajos cabe destacar aquellos dedicados al análisis de la capa límite, de partículas cargadas en la atmósfera, de ionosfera, de predicciones de eclipses de la luna Fobos, y de “cloud computing”. En concreto, el grupo ionosférico contaba con experiencia previa en el desarrollo de modelos empíricos para la ionosfera de la Tierra. Durante muchos años, el Grupo de Estudios Ionosféricos y Técnicas de Posicionamiento Global por Satelite (GNSS) ha tenido una relación muy cercana con el Profesor Radicella del Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) en Trieste (Italia). El Prof. Radicella es una de las dos personas que diseñaron el modelo ionosférico terrestre NeQuick (Radicella and Letinger, 2001; Radicella, 2009), el cual ha sido extensamente utilizado para describir la ionosfera de la Tierra de forma muy rápida y precisa. Esta tesis doctoral se enmarca también en este contexto.
Objetivos:
Con el objetivo en mente de extrapolar la experiencia ionosférica terrestre a Marte, un trabajo previo de Master fue llevado a cabo sobre el experimento de Radio Ciencia a bordo de la sonda de la NASA Mars Global Surveyor (Sánchez – Cano, 2010). El siguiente paso, el cual ha originado esta tesis doctoral, fue el análisis exhaustivo del radar MARSIS a bordo de Mars Express, cuya física y forma de proceder es similar a la usada en las digisondas terrestres y hoy en día sigue proporcionando una excelente cobertura global del planeta con muy alta precisión en los datos. Estos datos han sido casi totalmente inexplorados en Europa, permitiendo así, un estudio original sobre el plasma marciano.
El principal objetivo de este trabajo doctoral ha sido dar respuesta a una de las preguntas sin respuesta clave: ¿cuál es el comportamiento de la ionosfera marciana bajo diferentes condiciones como incidencia solar, actividad solar, estaciones, distancia orbital al Sol…?. En este contexto y, considerando que el vínculo entre todos los capítulos de esta tesis doctoral ha sido el análisis e interpretación del conjunto de datos AIS de MARSIS, el trabajo se ha compuesto de los siguientes estudios:
☼ Estudio de la teoría general del plasma, así como su aplicación al plasma ionosférico de la Tierra y de Marte.
☼ Análisis de datos a partir de la herramienta de análisis de los datos MARSIS AIS.
☼ Comparación entre perfiles ionosféricos del sondeador MARSIS y de radio ciencia.
☼ Análisis de una gran base de datos para construir un modelo empírico, así como del papel que algunos parámetros tienen en la formación de la ionosfera.
☼ Estudio del Contenido Total de Electrones (TEC, por sus siglas en Inglés).
La colaboración llevada a cabo con el European Space Research and Technology Centre (ESTEC) de la Agencia Espacial Europea (ESA) y con el Abdus Salam International Center for Theoretical Physics (ICTP) ha ayudado a la definición principal de este trabajo utilizando la base de datos AIS de MARSIS y la experiencia de modelado empírico respectivamente.
Principales resultados y conclusiones
Análisis de datos
Como ha sido mencionado anteriormente, el conductor de este trabajo ha sido el análisis de la base de datos AIS MARSIS. Estos datos, llamados ionogramas, son representaciones del tiempo de retardo de un barrido de frecuencias. Aunque su acceso es libre en el Archivo de Ciencias Planetarias de la ESA, no existe ningún software disponible al público general para procesarlos. Sin embargo, el centro ESTEC de la ESA desarrolló un software llamado MAISDAT, que ha sido el utilizado en este trabajo. Con el fin de obtener el perfil vertical de densidad electrónica, fue necesario escalar manualmente cada ionograma de forma individual, siguiendo la rutina explicada en el Capítulo 2. Ya que la cantidad de datos disponibles es enorme, con el objetivo de asegurar la mejor calidad en la información, se seleccionaron los ionogramas con mejores características (traza limpia y clara, presencia de armónicos de plasma….). Diversas comparaciones fueron llevadas a cabo entre estos perfiles de densidad electrónica y los del experimento de radio-ocultación de la sonda Mars Express, con el objetivo de confirmar que la técnica utilizada para derivar los perfiles había sido la correcta. La técnica de radio-ocultación es bien conocida en la Tierra y en ionosferas planetarias y puede considerase como una referencia fiable, aunque su precisión en un orden de magnitud menor que la del sondeador (ver Paetzold et al., 2005 and Gurnett et al., 2008). Tras la comparación de estos diferentes tipos de perfiles con condiciones semejantes, fue posible observar la equivalencia en resultados de ambas técnicas, a pesar de una pequeña discrepancia a grandes alturas posiblemente debidas a las diferencias en precisión, lo cual constituye un claro punto para una posible futura investigación.
Este detallado análisis dio lugar a la publicación de un artículo en la revista open access Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems (GI), dedicada a la instrumentación científica bajo el título: “Retrieval of ionospheric profiles from the Mars Express MARSIS experiment data and comparison with radiooccultation data”.
NeMars: modelo empírico
El procesado de estos datos ha sido el hilo conductor de este trabajo, permitiendo la construcción de un modelo empírico para toda la zona diurna de la ionosfera llamado NeMars. Es notable que, aunque en todo momento el modelo es llamado “empírico” por simplicidad, en realidad debería ser llamado “semi-empírico” ya que no está solo basado en el mejor ajuste de los datos, sino que también respeta los principios generales de la teoría de plasma ionosférico. Este modelo se asemeja al modelo ionosférico terrestre NeQuick (Radicella and Letinger, 2001; Radicella, 2009), el cual fue desarrollado en el ICTP en Italia en colaboración estrecha con La Universidad de Graz (Austria) durante los años noventa del siglo pasado. Este modelo ha sido utilizado por la Agencia Espacial Europea en su Global Navigation Satellite System (GNSS), en particular en las operaciones de frecuencia individual de GALILEO para calcular correcciones ionosféricas.
El modelo NeMars está principalmente basado en datos del radar de bajas frecuencias MARSIS. Concretamente, el comportamiento de la capa principal ionosférica está basado en datos AIS (los perfiles de densidad electrónica de AIS sólo dan información acerca de la parte más alta de la ionosfera), y el comportamiento de la capa secundaria, está basado en datos de radio-ocultación de la misión de la NASA Mars Global Surveyor. El modelo predice bastante bien las principales características de ambas regiones ionosféricas (densidad electrónica y altura del pico, alturas de escala, forma de los perfiles y TEC de toda la ionosfera) de una forma muy simple y rápida a partir de los parámetros de entrada: ángulo cenital solar, flujo solar F10.7 como proxy de la actividad solar, y distancia heliocéntrica.
Los ionogramas, así como los perfiles de radio-ocultación, fueron cuidadosamente seleccionados uno por uno. Es importante notar que las medidas del experimento de radio ciencia de la misión Mars Global Surveyor están restringidas en ángulo cenital solar (70º-90º) y latitud (60º-85º Norte o Sur) debido esencialmente a limitaciones de la geometría de las órbitas de Marte y la Tierra (Withers and Mendillo, 2005). Por otra parte, como el pico secundario en un perfil de radio-ocultación no es siempre visible porque se encuentra incrustado en la capa principal, esta capa ha sido estudiada sólo en los casos más prominentes, cuando el pico secundario era visible. El criterio fue estudiar el comportamiento del pico en todos los casos visibles y después, matemáticamente extrapolar al resto de casos. Por tanto, alguna posible sobreestimación del error pudo ser introducida a pesar de que las ecuaciones del modelo NeMars pueden describir el comportamiento de esta capa incluso cuando se encuentra incrustada en la principal. El modelo en su totalidad está basado en la consideración de que la ionosfera de Marte se encuentra en equilibrio fotoquímico y que las dos capas principales pueden ser representadas por la teoría de capas α-Chapman. Sin embargo, para dar una descripción más realística, otros inputs como la actividad solar, el ángulo de incidencia solar o la propia órbita del planeta han sido incluidos. No obstante, la altura del pico principal no puede ser calculada a partir de los mismos parámetros debido a una gran variación en la altura en los datos AIS, al igual que la ligera variación producida por la actividad solar oculta la variación de la altura del pico con el índice F10.7. Sin embargo, se aprecia una gran dependencia con el ángulo cenital solar y las estadísticas muestran cómo con esta única dependencia, el modelo representa razonablemente bien los datos. En cuanto a la altura de escala, el perfil obtenido a partir de los datos AIS de MARSIS es mejor reproducido cuando una altura de escala variable linealmente con la altura y con el ángulo cenital solar es considerada, siendo las diferencias relativas medias (%) entre los datos reales y los perfiles obtenidos con el modelo más pequeñas que el 6%, incluso a una altura por encima de 60 km desde el pico principal. Estos resultados han sido comparados con trabajos previos como el de Němec et al., (2011) donde se utiliza un altura de escala constante, mostrando que el enfoque de esta Tesis trabaja mucho mejor incluso a grandes alturas. En relación con la capa secundaria, la forma de las ecuaciones que describen el comportamiento de la densidad electrónica del pico es semejante a las de la capa principal con la salvedad de que la altura de escala puede considerarse constante en 12 km.
En términos generales, NeMars es una poderosa herramienta, precisa y rápida que describe el comportamiento de la ionosfera de Marte “en condiciones normales y no perturbadas” para cualquier posición y tiempo. Sin embargo, dada la naturaleza de los datos seleccionados, el modelo no debiera ajustar con condiciones perturbadoras. Como test para evaluar el grado de discrepancia, el modelo fue comparado con algunos de los perfiles de densidad electrónica registrados en las condiciones más extremas de campo magnético (procedente tanto del viento solar como de las anomalías magnéticas corticales del planeta) y con perfiles donde una tercera capa aparece a alturas muy bajas. En estos casos, a pesar de las irregularidades en los perfiles, los resultados modelados no se encontraban muy lejanos de la realidad. Para profundizar en estos detalles, el modelo será mejorado en el futuro próximo con la incorporación como parámetro de entrada del campo magnético procedente del viento solar, así como del propio planeta.
Este trabajo dio lugar a la publicación de un artículo en la revista Icarus (citado dos veces al tiempo de escritura de esta Tesis), bajo el título “An empirical model of the martian dayside ionosphere based on Mars Express MARSIS data”. Recientemente, los esfuerzos de la comunidad científica han sido dirigidos a la creación de un Modelo Internacional de Referencia para la Ionosfera de Marte, llamado MIRI, tomando ventaja de la gran cantidad de datos disponibles de la ionosfera de Marte y de la gran experiencia acumulada para el caso de la Tierra como el Modelo Internacional de Referencia IRI (Mendillo et al., 2013b). Este modelo de referencia en un proyecto internacional que ha surgido bajo el amparo del Committee on Space Research (COSPAR) y de la International Union of Radio Science (URSI). El trabajo llevado a cabo en esta Tesis Doctoral con gran probabilidad formará parte de este modelo, proveyendo con datos MARSIS AIS procesados, parámetros de salida del modelo NeMars, así como compartiendo la experiencia obtenida en el análisis de diferentes bases de datos, comparación entre ellas (MARSIS con radioocultación, MARSIS AIS con MARSIS SubS…), y finalmente, compartiendo el análisis crítico obtenido en el análisis del contenido total de electrones.
Estudio del Contenido Total de Electrones en la atmósfera marciana: una evaluación crítica de múltiples bases de datos
Distintos subproductos del modelo pueden ser obtenidos. En particular, uno de ellos es el contenido total de electrones (TEC). Este parámetro puede ser usado para validar el modelo comparando los valores de TEC obtenidos con NeMars con el TEC de medidas deducidas del modo subsuperficie de MARSIS (Mouginot et al., 2008 –también llamado en este trabajo grupo de “Grenoble”- y Cartacci et al., 2013 –también llamado en este trabajo grupo de “Rome”-). El resultado más notable fue que el TEC derivado del instrumento MARSIS en ambos modos (ionosfera y subsuperficie), no eran consistentes. Ambos modos prácticamente alcanzaban el mismo valor, aunque es un hecho difícil de entender puesto que el TEC de subsuperficie corresponde con el de toda la ionosfera mientras que el del modo AIS se corresponde sólo con el TEC encontrado entre la nave y el máximo de ionización. Puesto que esta discrepancia era difícil de resolver, se decidió llevar a cabo una comparación objetiva entre ambas técnicas tomando ventaja del gran número de órbitas de Mars Express con datos en ambos modos de operación (incluyendo datos de la campaña especial de MARSIS llevada a cabo con este fin y nominada “interleaved mode”) para caracterizar en detalle las inconsistencias entre los resultados obtenidos con las distintas bases de datos y proponer así una línea para reconciliarlos. Esta discrepancia en las bases de datos de MARSIS ha sido notificada muchas veces por la comunidad científica, pero nunca claramente cuantificada hasta ahora.
Las comparaciones fueron llevadas a cabo con 21 órbitas de Mars Express pertenecientes al periodo 14-04-2007 / 23-06-2011. El resultado más notable fue que en la zona nocturna ( >90º), cuando la ionosfera es débil y su efecto en las ondas de radio prácticamente despreciable, ambas bases de datos de subsuperficie (“Grenoble” y “Roma”) coinciden satisfactoriamente. Cerca del terminador del día (75º> >90º), el efecto de la ionosfera sobre la dispersión de las ondas electromagnéticas comienza a ser apreciable y pequeñas diferencias en las bases de datos se observan. La técnica de “Roma” ajusta bastante bien los valores predichos por el modelo NeMars, mientras que “Grenoble” bajo estima ligeramente. Más allá, en el pleno lado diurno (60º> >75º), la diferencia entre las bases de datos de “Grenoble” y “Roma” es muy alta. En ese caso, el modelo de NeMars ha sido utilizado para testear el tamaño de la diferencia entre ambas bases de datos, mostrando que los valores de “Grenoble” están claramente subestimando, mientras que los resultados de “Roma” son más consistentes aunque con una ligera sobreestimación –predicha de hecho por Cartacci et al., 2013-.
La principal conclusión es que el procesado de “Grenoble” –que corresponde con el TEC archivado en el Archivo de Ciencias Planetarias de la ESA- aunque en principio físicamente y matemáticamente realista, es casi igual que el TEC encontrado en la zona superior de la ionosfera; mientras que el procesado de “Roma” es más similar al de la ionosfera predicha por el modelo NeMars con la ya mencionada sobreestimación en la zona diurna. Es importante destacar que los datos de “Grenoble” han sido positivamente comparados con el modelo ionosférico Mendillo et al., (2011) en el trabajo Mendillo et al., (2013a). Al menos, estos resultados no son consistentes con aquellos obtenidos por el radar MARSIS en el modo ionosférico. Parte de este trabajo ha sido publicado ya en la revista Icarus, bajo el título “An empirical model of the martian dayside ionosphere based on Mars Express MARSIS data” y se completará con otro trabajo con título “Study of the Total Electron Content in the martian atmosphere: a critical assessment of the Mars Express MARSIS dataset”, actualmente en revisión. Otra aplicación importante del modelo empírico desarrollado en esta tesis doctoral es la simulación del experimento MARSIS (en el modo subsuperficie). Estas simulaciones podrían resolver la actual discrepancia en las medidas de TEC comentadas anteriormente. Actualmente, los parámetros de salida del modelo están siendo utilizados para simular la propagación de las ondas de radio obtenidas con el modo subsuperficie de MARSIS en la técnica de “Roma” por el equipo MARSIS. De esta forma, se están estudiando las limitaciones de dicho procesado. Para probar el algoritmo de “Roma” para la corrección de la dispersión ionosférica, el modelo NeMars está siendo utilizado para calcular la fase sintética de todas las frecuencias y bandas de la señal portadora. Una vez que el proceso se ha completado, el TEC sintético puede ser obtenido. A día de hoy, las simulaciones parecen dar los resultados esperados. En el futuro más cercano se espera que el equipo de MARSIS pueda finalizar las simulaciones y completar la validación de su técnica. Esta forma de trabajo usando modelos para el análisis de datos es algo nuevo y, en el marco de la colaboración actual con el equipo de MARSIS Mars Express, ha sido recientemente probada como muy fructífera.