Наполненные пылью марсианские вихри, они же «пылевые демоны», были записаны на микрофоны прибора SuperCam марсохода «Персеверанс». Одновременно с этим навигационная камера Navcam записывала передвижение вихря, проходящего через марсоход. Объединив полученные данные с данными датчиков Mars Environmental Dynamics Analyzer и моделированием исследователи выяснили, что вихрь был диаметром около 25 метров и высотой примерно 118 метров. Он двигался со средней скоростью примерно 5,3 м/с или 11 м/с в пике.

Так называемых «пылевых демонов» довольно много в кратере Езеро — месте посадки «Персеверанса» на Марсе. При этом не все вихри поднимают пыль. Так случилось, что из всех исследованных областей вихрей с наибольшим количеством пыли больше всего именно в Езеро.

Вихри образуются, когда тёплый воздух вблизи поверхности начинает подниматься и вращаться, создавая в центре сильные ветра и оставляя множество затейливых узоров на поверхности Марса. Эти вихри особенно интересны исследователям, поскольку являются важным элементом планетарного пограничного слоя (Planetary Boundary Layer, PBL) Красной планеты, смешивая тепло, пыль и не только. «Пылевые демоны» помогают учёным исследовать метеорологию планеты, турбулентность атмосферы и не только.

Как искали «демонов»

Как правило, «пылевых демонов» обычно фиксируют при помощи барометра. На показаниях они проявляются в виде резкого падения давления — на 0,3 или несколько Па в течение нескольких секунд (или десятков секунд). Наиболее экстремальные значения из всех зафиксированных, согласно данным учёных, — 10 Па и длительность более 250 секунд.

Кроме падения давления на появление вихрей указывают повышение температуры, кратковременные изменения скорости и направления ветра, магнитные сигналы, инфразвук и даже звуки деформации грунта. Микрофон прибора SuperCam, установленного на «Персеверансе», можно рассматривать как высокочастотный датчик скорости ветра, способный измерять колебания давления, связанные с кратковременными колебаниями скорости ветра, спровоцированные вихрями. Также вихри генерируют акустические волны в диапазоне <20 Гц, но эти сигналы находятся за пределами частотного диапазона микрофона SuperCam.

В своей научной работе, опубликованной в открытом доступе в журнале Nature, авторы описали прямое столкновение «пылевого демона» с марсоходом «Персеверанс», произошедшее 27 сентября 2021 года. Во время столкновения микрофон SuperCam записал звук вихря. Кстати, микрофон включен не постоянно. Он записывает примерно по три минуты каждые пару дней. Кроме того, вихрь зафиксировали навигационная камера марсохода Navcam и различные датчики, установленные в анализаторе динамики окружающей среды MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer). Объединив данные, исследователи смогли детально определить характеристики вихря и провести моделирование события.

Подробнее про вихрь

Благодаря MEDA и его датчикам излучения и пыли за 216 сол (марсианских суток) миссии удалось зафиксировать 91 пылевой вихрь. Вихрь, о котором идёт речь в исследовании, зафиксирован 27 сентября 2021 года на 215 сол. Его продолжительность составила 167 секунд. Падение давления при возникновении вихря составило 2 Па. С точки зрения показателей падения давления и количества поднятой пыли этот «демон» очень близок к средним значениям среди 91 вихрей. Уникальным это событие делает только то, что столкновение с вихрем одновременно наблюдалось микрофоном и таким количеством датчиков MEDA и Navcam.

После анализа собранных данных исследователи предположили, что в пике скорость вихря могла достигать значения 11 м/с. Средняя скорость составляла около 5,3 м/с. Это соотносится с максимальными зафиксированными значениями MEDA (10,7 м/с) и микрофона (10,5 м/с).

На изображении ниже представлены данные с Navcam. По цветовой шкале справа низкое содержание пыли соответствует синему цвету, высокое — жёлтому. Время, указанное в верхних правых углах изображений, относится к началу записи с микрофона SuperCam.

Сам звук можно послушать на видео, представленном ниже.

Вихрь видно за 9 секунд до начала записи микрофона. Он сначала появляется как небольшое облако пыли, движущееся к марсоходу, и после преобразуется в вихрь. Примерно через 4 секунды после записи с микрофона пыль заполняет поле зрения навигационной камеры, поскольку «пылевой дьявол» полностью окутывает марсоход. На изображениях Navcam вихрь первоначально появляется в виде пылевого облака с диаметром около 2 метров, а после — в виде облака диаметром 11 метров.

Перейдём к моделированию движения вихря. На изображении ниже можно увидеть направление «пылевого дьявола» (синяя пунктирная стрелка), расположение «Персеверанса» и диаметр вихря (25 метров по моделированию) с направлением движения ветра в нём (белые круги со стрелками). Поле зрения и направление «взгляда» Navcam обозначено бледным треугольником. t1, t2 и t3 обозначают, соответственно, позицию вихря по отношению к марсоходу, что пригодится нам для следующего изображения.

Акустическая запись вихря также содержит высокочастотные импульсные сигналы (2-4 кГц), связанные с ударами частиц пыли в микрофон. Исследователи предполагают, что за всё время взаимодействия с вихрем было не менее 308 столкновений за три вспышки продолжительностью 0,8, 1,2 и 1,4 секунд (77, 144 и 78 ударов в секунду соответственно). В целом данные указывают, что в конкретно этом вихре было сравнительно мало пыли.

Было зафиксировано только одно особо «громкое» событие, касающееся пыли. На изображении ниже оно ярко выделяется и происходит на этапе t2, то есть во время непосредственного прохождения вихря через марсоход. При этом этот показатель также может свидетельствовать об ударе особо крупной частицы пыли о микрофон, а не только близком прохождении вихря. Все три вспышки, описанные выше, выделены белыми кругами.

Что важно

Встреча марсохода с вихрем была абсолютно случайной, и исследователям очень повезло, что удалось его зафиксировать сразу на множество датчиков, включая микрофон. В самом вихре нет ничего особенного. Судя по описанным учёными значениям, полученные данные практически не выходят за пределы средних значений. Инцидент важен одновременной работой нескольких датчиков, микрофонов и видео, благодаря чему можно соотнести показатели и использовать полученный опыт для получения достоверной информации из одного набора данных при отсутствии другого, например из звука при отсутствии видео и наоборот.

Полученный опыт показывает, что акустические данные отлично подходят для определения структуры вихрей и дополняют остальные измерения. Акустические записи также можно использовать для определения того, является ли столкновение с вихрем прямым даже при отсутствии данных с датчиков ветра, температуры или пыли.

По специфике ударов частиц пыли о микрофон также можно судить о её составе и плотности вихря, даже если нет других данных. Кроме того, исследователи отмечают, что полученные данные о столкновениях будут учитываться при проектировании микрофонов для последующих миссий, чтобы сократить влияние столкновений на качество работы техники. В июле этого года был инцидент, в очередной раз заставивший исследователей вернуться к этому вопросу. Поднятые неожиданно сильными порывами марсианского ветра мелкие камни повредили датчики ветра MEDA. Датчики всё ещё работают, но столкновение заметно снизило их чувствительность.

***

• Использованные в исследовании акустические данные и данные MEDA можно найти здесь и здесь.

• Код для обработки данных тут — General tools for analysis of convective vortices (IDL and Fortran codes).