Российский лазерный спектрометр для исследования атмосферы Марса готов к отправке на планету в 2022 году.

Специалисты Института космических исследований (ИКИ) РАН, лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ, и Реймсского университета (Франция) разработали новый лазерный спектрометр для длительного анализа изотопного состава марсианской атмосферы. Прибор способен вычислять количества изотопов основных составляющих атмосферы с процентной точностью. Продолжительность работы планируется не менее одного марсианского года. Описание прибора опубликовано в журнале Applied Sciences.

В настоящее время прибор в составе российской посадочной платформы «Казачок», которая содержит ещё целый ряд российских инструментов для исследования Марса, находится на площадке Европейского космического агентства во Франции и готовится к отправке на планету в 2022 году в составе миссии ExoMars. Посадочная платформа «Казачок» будет запущена на Марс вместе с марсоходом «Розалинд Франклин».

Марс представляет огромный научный интерес в силу близости условий на его поверхности к земным. На планете остались признаки наличия жидкой воды в далеком прошлом. На поверхности были найдены сети долин, а также склоны и осыпи, которые имеют признаки просачивания воды. Возможно, в древности атмосфера Марса была более плотной и в ней происходил круговорот воды, подобный земному. Для глубокого понимания процессов, происходящих в атмосфере Марса, требуются длительные непрерывные наблюдения за её составом. Измерения состава атмосферы марсоходами предоставляют данные о процессах обмена между атмосферой и поверхностью планеты. Однако со времени работы спускаемых аппаратов «Викинг» (1976–1984 гг.) ни одна стационарная платформа не обеспечивала постоянного длительного наблюдения основных составляющих атмосферы Марса — двуокиси углерода, водяного пара и их изотопологов. Напомним, что разновидности атомов с разной массой называют изотопами, составленные из них молекулы ¬ изотополагами. Изотопные отношения в атмосфере могут существенно изменяться из-за процессов конденсации и сублимации, поэтому непрерывный мониторинг изотопных отношений необходим для всестороннего исследования происходящих в атмосфере процессов.

В качестве основной измерительной части спектрометра создатели использовали ограниченную зеркалами аналитическую кювету, в которую воздухозаборная система набирает пробу атмосферного газа для анализа. Анализ спектральных свойств представляющих интерес изотопологов показывает, что оптимальные спектральные интервалы частот для измерения их концентраций могут быть перекрыты двумя перестраиваемыми полупроводниковыми лазерами.
Излучение лазера попадает через входное зеркало в заполненную газом область, при этом частота каждого лазера в течение цикла измерения слегка изменяется. Последовательно отражаясь от зеркал с высоким коэффициентом отражения, лазерные лучи многократно пересекают рабочий объем кюветы, проходя в сумме 55 м и 110 м в зависимости от лазера. Все пропущенные выходным полупрозрачным зеркалом лучи собираются линзой и попадают на фотодетектор для анализа. Именно значительный оптический путь, набегающий при многократном отражении, и обеспечивает высокую точность измерений. Время накопления информации большинством лазерных спектрометров не превышает нескольких секунд. В российском приборе, благодаря специальному алгоритму стабилизации частоты лазер, можно копить сигнал в течение десятков минут. Такой метод обеспечивает точность измерений на уровне 1–3% для разных изотопологов. Кроме того, прибор более устойчив к внешним воздействиям (ударам, вибрации) по сравнению с другими многопроходными оптическими системами.