Water vapor distribution in the Martian atmosphere from solar occultation measurements by the spectrometer NOMAD / Trace Gas Orbiter

Abstract

In the Martian atmosphere, water vapor is crucial in most of the chemical and radiative processes, playing a significant role in the planet’s current climate despite being a trace gas which represents about 0.03% of the total atmospheric composition. A new paradigm regarding the coupling between the lower and upper atmosphere on Mars and the evolution of this planet is emerging recently, based on data from the missions form the last 15 years. On one hand, recent observations of water vapor indicate that currently, during dust storms, the amount of this gas increases in the upper regions of the atmosphere. This novel result confirms an old suspicion that dust plays a fundamental role in the Martian water cycle. This increase in water abundances at high altitudes could imply a greater escape of H2O to space during periods of increased dust activity. Isotopic studies on H2O and HDO show a clear enrichment of the Martian atmosphere in deuterium, which is explained considering the escape processes that have taken place on the planet throughout history. These studies indicate a wet past for the planet, which could have had about 20% of its surface covered by water. However, considering the fact that dust may have been very variable and acting as a ’catalyst’ in atmospheric escape, these estimates are likely not entirely accurate, and Mars may have been much richer in water in its early history than previously thought. On the other hand, the amounts of water vapor in the atmosphere recently observed during different seasons, vary from one hemisphere of the planet to the other, not only on column densities but also on its vertical structure, with the southern hemisphere showing a more extended vertical distribution during the local summer. This differences could indicate that the water cycle on Mars is not in equilibrium, with a net flow of water transferred from one hemisphere to the other. Despite its importance on the current climate and the planet’s past, the knowledge about the vertical distribution of this species was limited, relying mostly on models and column density measurements. With the Solar Occultation (SO) observation technique, it is now possible to study not only the geographic but also the vertical distribution of water vapor. Recently in April 2018, The ExoMars-Trace Gas Orbiter (TGO) started its science operations. This mission designed with the objective of finding methane on Mars and possible signs of life has not provided any positive detection of this species as of today. However the high sensitivity of the instruments onboard TGO proved to be excellent assets for the detection and characterization of many other trace species present in the Martian atmosphere, such as water vapor and multiple studies have revealed valuable information about the vertical structure and variability of the Martian atmosphere since the beginning of the mission. For this Thesis we have processed and analyzed over 7000 observations performed with the Solar Occultation (SO) channel of the Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD) instrument, onboard TGO. NOMAD is an infrared spectrometer working in the spectral range between 0.2 to 4.3 μm. It has two IR spectral channels (SO and LNO) and one operating in the UV-visible spectral range (UVIS; 200-650 nm). The SO channel covers the range between 2.3 and 4.3 μm (2320-4350 cm−1) and uses an Echelle grating with a density of ∼4 lines/mm and a spectral resolution of λ/Δλ ∼ 20000. The sampling time of this channel is ∼1 s allowing a vertical sampling in the observations of ∼1 km. An Acousto-Optical Tunable Filter (AOTF) is used to select different spectral windows of a width of ∼30 cm−1 corresponding to the different diffraction orders that can be selected during the observation. The AOTF quick change from one diffraction order to another allows to observe the atmosphere at a given altitude through 6 different spectral ranges within 1 second. Here we present vertical profiles of water vapor obtained from NOMAD diffraction orders 134, 136, 168 and 169, analyzing: (i) the water vertical structure, (ii) its seasonal variability, (iii) its latitudinal distribution, (iv) local time variations, (v) the effects of dust storms, (vi) the saturation state of the atmosphere, and (vii) the role of the perihelion season on the escape of hydrogen to space. In order to perform those studies we developed a series of tools devoted to the correction of calibration issues present in the NOMAD Level 1.0 transmittance such as spectral shifts and bendings in the baseline of the spectra (continuum). We performed, in addition, a detailed characterization of the random component measurement noise. During those pre-processing steps, we used the line-by-line Karlsruhe Optimized and Precise Radiative transfer Algorithm, which provided precise simulated transmittances taking into account similar atmospheric conditions as those present during the NOMAD measurements, and all the instrumental features introduced into the spectra such as the NOMAD AOTF and the instrumental line shape (ILS), which was extensively studied as part of this work. For the water vapor inversions, we used the Institut fur Meteorologie und Klimaforschung (IMK) Retrieval Control Program (RCP) assuming the densities and temperature-pressure profiles derived from the Mars Planetary Climate Model (PCM) as a priori atmosphere. During the inversion, using a first order Thikonov regularization, we combined pairs of different diffraction orders at different altitude ranges, one for the lower atmosphere (typically below 60 km) and the other for the upper atmosphere (above 60 km), in order to avoid optically thick regions where the strongest absorption lines saturate and produce biases in the results. An extensive error analysis and several sensitivity tests allowed us to determine an optimal regularization for each diffraction order used in the retrievals, and demonstrated the reliability and precision of our processing setup. Analysis of the 2018 Global Dust Storm (GDS) revealed significant variations in water vapor abundances and vertical transport, influenced by the large dust loading during the storm. Detailed observations during the perihelion showed strong vertical water vapor transport, particularly in the southern hemisphere, repeated every Martian year (MY) although with some interannual variability due to the long term effects of the GDS.We also present an extensive water vapor climatology collecting observations during four consecutive MYs, highlighting strong seasonal and interhemispheric variations. The large extension of the data set permitted a statistical insight using cluster analysis, through which we identified six distinct atmospheric conditions throughout all four MYs. Finally, we provide comparisons with result obtained from other similar instruments revealing a good overall agreement within the expected uncertainties, validating the results reported in this Thesis. In addition, this work involved collaborations at the University of Tokyo and NASA Goddard Space Flight Center over 3.5 months of stay abroad in which a comparison of the forward models used by different teams within the NOMAD consortium was performed, proving the correct implementation of the instrumental characterization.

En la atmósfera marciana, el vapor de agua es crucial en la mayoría de los procesos químicos y radiativos, jugando un papel significativo en el clima actual del planeta a pesar de ser un gas traza que representa aproximadamente el 0,03% de la composición atmosférica total. Un nuevo paradigma sobre el acoplamiento entre la baja y alta atmósfera en Marte y sobre la evolución de este planeta está emergiendo recientemente, a raíz de los datos de las misiones espaciales en los últimos 15 años. Por un lado, observaciones recientes del vapor de agua indican que actualmente, durante las tormentas de polvo, la cantidad de este gas aumenta en las regiones superiores de la atmósfera. Este resultado novedoso confirma una antigua sospecha de que el polvo juega un papel fundamental en el ciclo del agua marciano. Este aumento en las abundancias de agua en altitudes elevadas podría implicar un mayor escape de H2O al espacio durante los periodos de mayor actividad de polvo. Estudios isotópicos sobre H2O y HDO muestran un claro enriquecimiento de la atmósfera marciana en deuterio, lo cual se explica teniendo en cuenta los procesos de escape que han tenido lugar en el planeta a lo largo de su historia. Estos estudios indican un pasado húmedo para el planeta, el cual pudo haber tenido alrededor del 20% de su superficie cubierta por agua. Sin embargo, considerando el hecho de que el polvo haya sido muy variable y pueda actuar como un ’catalizador’ en el escape atmosférico, estas estimaciones probablemente no sean del todo precisas, y Marte podría haber sido mucho más rico en agua en su historia temprana de lo que se pensaba anteriormente. Por otro lado, las cantidades de vapor de agua en la atmósfera observadas recientemente durante diferentes estaciones varían de un hemisferio a otro del planeta, no solo en densidades de columna sino también en su estructura vertical, con el hemisferio sur mostrando una distribución vertical más extendida durante el verano local. Estas diferencias podrían indicar que el ciclo del agua en Marte no está en equilibrio, con un flujo neto o transferencia de agua de un hemisferio al otro. A pesar de su importancia sobre el clima actual y el pasado del planeta, el conocimiento sobre la distribución vertical de esta especie era limitado, dependiendo principalmente de modelos y mediciones de densidad de columna. Con la técnica de observación de ocultación solar, ahora es posible estudiar no solo la distribución geográfica sino también la distribución vertical del vapor de agua. Recientemente, en Abril de 2018, el Orbitador de Gases Traza (TGO) de la misión ExoMars comenzó sus operaciones científicas. Esta misión, diseñada con el objetivo de encontrar metano en Marte y posibles signos de vida, no ha proporcionado ninguna detección positiva de esta especie hasta la fecha. Sin embargo, gracias a la alta sensibilidad de los instrumentos a bordo de TGO, han demostrado ser excelentes activos para la detección y caracterización de muchas otras especies traza presentes en la atmósfera marciana, como el vapor de agua, y múltiples estudios han revelado información valiosa sobre la estructura vertical y la variabilidad de la atmósfera marciana desde el inicio de la misión. Para esta Tesis, hemos procesado y analizado más de 7000 observaciones realizadas con el canal de Ocultación Solar (SO) del instrumento NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) a bordo de TGO. NOMAD es un espectrómetro infrarrojo que trabaja en el rango espectral entre 0.2 y 4.3 μm. Tiene dos canales espectrales en el infrarrojo (SO y LNO) y uno que opera en el rango espectral UV-visible (UVIS; 200-650 nm). El canal SO cubre el rango entre 2.3 y 4.3 μm (2320-4350 cm−1) y utiliza una rejilla Echelle con una densidad de ∼4 líneas/mm y tiene una resolución espectral de λ/Δλ ∼ 20000. El tiempo de integración de este canal es de ∼1 s, permitiendo un muestreo vertical en las observaciones de ∼1 km. NOMAD SO utiliza un Filtro Acusto-Óptico Sintonizable (AOTF) para seleccionar diferentes ventanas espectrales de un ancho de ∼30 cm−1 correspondientes a los órdenes de difracción disponibles para ser utilizados durante la observación. El cambio del AOTF de un orden de difracción a otro es rápido, lo que permite observar la atmósfera a una altitud dada a través de 6 intervalos espectrales diferentes en 1 segundo. Aquí presentamos perfiles verticales de vapor de agua obtenidos de los órdenes de difracción 134, 136, 168 y 169 de NOMAD, con los que analizamos: (i) la estructura vertical del agua, (ii) su variabilidad estacional, (iii) su distribución latitudinal, (iv) variaciones con la hora local, (v) los efectos de las tormentas de polvo, (vi) el estado de saturación de la atmósfera, y (vii) el papel del perihelio en el escape de hidrógeno al espacio. Para realizar esos estudios, hemos desarrollado una serie de herramientas dedicadas a la corrección de problemas de calibración presentes en las transmitancias del Nivel 1.0 de NOMAD, tales como desplazamientos espectrales y curvaturas en la línea base del espectro (continuo). Además, hemos realizado una caracterización detallada del ruido aleatorio en las mediciones. Durante esos pasos de preprocesamiento, utilizamos el Algoritmo de Transferencia Radiativa Optimizado y Preciso de Karlsruhe (KOPRA), que proporcionó transmitancias simuladas precisas teniendo en cuenta condiciones atmosféricas similares a las presentes durante las mediciones de NOMAD, y todas las características instrumentales introducidas en los espectros, tales como el AOTF de NOMAD y la forma de línea instrumental (ILS), que fue extensamente estudiada como parte de este trabajo. Para las inversiones de vapor de agua, hemos utilizado el Programa de Control de Recuperación (RCP) del Instituto de Meteorología y Climatología (IMK), asumiendo las densidades y los perfiles de temperatura-presión derivados del Modelo Climático Planetario de Marte (PCM) como atmósfera a priori. Durante la inversión, utilizando una regularización de primer orden de Thikonov, ideamos un esquema para combinar pares de diferentes órdenes de difracción en diferentes intervalos de altura, uno para la atmósfera inferior (típicamente por debajo de 60 km) y el otro para la atmósfera superior (por encima de 60 km), para evitar regiones ópticamente densas donde las líneas de absorción más fuertes se saturan y producen resultados erroneos. Un extenso análisis de errores y numerosas pruebas de sensibilidad nos han permitido determinar una regularización óptima para cada orden de difracción utilizado en las inversiones, y han demostrado la alta fiabilidad y precisión de nuestro método de procesamiento. El análisis de la Tormenta Global de Polvo (GDS) de 2018 reveló variaciones significativas en las abundancias de vapor de agua y el transporte vertical, influenciadas por la gran carga de polvo durante la tormenta. Observaciones detalladas durante el perihelio mostraron un fuerte transporte vertical de vapor de agua, particularmente en el hemisferio sur, repetido cada año marciano (MY), aunque con cierta variabilidad interanual debido a los efectos a largo plazo de la GDS. También presentamos una extensa climatología del vapor de agua recopilando observaciones durante cuatro años marcianos, destacando fuertes variaciones estacionales e interhemisféricas. La gran extensión del conjunto de datos ha permitido un análisis estadístico de agrupación (cluster analysis) de grupos, a través del cual identificamos seis condiciones atmosféricas claramente distintas a lo largo de los cuatro años marcianos analizados. Finalmente, hemos proporcionado comparaciones con resultados obtenidos de otros instrumentos similares, revelando un buen acuerdo dentro de las incertidumbres esperadas, validando así los resultados presentados en esta Tesis. Este trabajo ha involucrado colaboraciones en la Universidad de Tokio y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA durante 3.5 meses de estancia en el extranjero, durante los cuales se realizó una comparación de los modelos de transferencia radiativa utilizados por diferentes equipos dentro del consorcio NOMAD, demostrando la correcta implementación de la caracterización instrumental en los mismos.