Wie kalt ist der Marshimmel nachts? Oder der Tag für diese Angelegenheit?

Wenn Sie ein einfaches Infrarot-"Thermometer" nehmen , das eigentlich einem Bolometer sehr ähnlich ist , und es auf einen klaren Himmel richten, sagt es "kalt!" denn in dem verwendeten Wellenlängenbereich (ca. 5 bis 15 Mikrometer) ist die Erdatmosphäre teilweise transparent und nicht wirklich ein effektiver Schwarzkörperstrahler, so dass das "Thermometer" der Kälte des Weltraums wirklich etwas ausgesetzt ist. Richten Sie es auf eine Wolke, und es wird "nicht so kalt" registriert. Das ist (ungefähr) der Grund, warum klare Nächte kälter sind als bewölkte Nächte.

Da die Martial-Atmosphäre ziemlich dünn ist (obwohl sie wahrscheinlich eine ungefähr ähnliche Menge an CO2 wie die der Erde enthält), gibt es etwas, wenn ich einen flachen Brocken eines „schwarzen Körpers“ auf einen Isolator lege und ihn nachts dem Marshimmel aussetze einfacher Ausdruck für die effektive Temperatur des Himmels - wie hoch wird die Strahlungsheizung/-kühlung sein? Schaut es auf 100K?

Es wird natürlich einen thermischen Kontakt (konvektiven Wärmeübergang) mit der Atmosphäre geben, und das kann separat berechnet werden. Bei dieser Frage geht es nur um die Strahlungsheizung / -kühlung durch die Exposition gegenüber der 2 π SR Halbkugel über der Horizontalen.

Ich denke, ein Weg, dies zu tun, wäre, die kälteste Oberflächentemperatur zu finden, die jemals irgendwo auf dem Mars gemessen wurde. Eine andere Möglichkeit wäre, auf Mars-Landern oder -Rovern nach Bolometern oder Infrarot-Thermometern zu suchen, die nach OBEN zeigen.
Interessante Frage, das muss bei vielen Gelegenheiten betrachtet worden sein. Ich habe tatsächlich eine vage Erinnerung daran, vor etwa 15 Jahren eine thermische Analyse für ein kleines Ausrüstungsteil auf einem Mars-Lander durchgeführt zu haben, aber ich habe keine Erinnerung an die Details. Im Allgemeinen muss der Wärmeanalytiker Werte für die drei Temperaturgrenzen angenommen haben – Konvektion, Strahlung (rundum, einschließlich Himmel) und Leitung (durch Beinpolster von der Oberfläche) und diese Bedingungen sollten zusammen mit der Sonneneinstrahlung angegeben werden saisonale heiße und kalte Fälle.
Ich würde vermuten, dass jemand eine Analyse veröffentlicht haben muss, also würde ich eine Suche basierend auf Missionsnamen vorschlagen, zB "xyz Lander Thermal Analysis", um zu sehen, was auftaucht.
Ich weiß, dass die direkte Temperatur in der Nacht in der Wüste von Arizona ungefähr das sein kann, was ein Jetliner erlebt ... Ungefähr -40 oder so.
@uhoh Hast du versucht, das IR-Thermometer auf den Mond zu richten? Wenn sein Sichtfeld nicht zu weit ist, können Sie sich eine Vorstellung von der Strahlbreite dieses Sichtfelds machen, indem Sie den Mond nicht in seinem Sichtfeld zentriert haben, sondern gerade genug davon weg zeigen, um die "kalte" Anzeige zu erhalten . Wenn das Sichtfeld zu weit ist, wird die Strahlungsenergie des Mondes durch den Himmel um ihn herum zu stark verdünnt und Sie werden immer noch "kalt", selbst wenn Sie direkt auf den Mond gerichtet sind. Aber meins sieht den Mond ganz gut. Probieren Sie auch verschiedene Mondphasen aus: voll, halb, viertel usw. Auch zunehmendes Viertel vs. abnehmendes Viertel.
@TomSpilker Ich habe im Moment nur ein Gedankenbolometer.
@uhoh Oh ... schwer zu kalibrieren!

Antworten (1)

Sie haben eine Frage gestellt, die ohne In-situ -Messungen, die wir anscheinend nicht haben, sehr schwer genau zu beantworten ist. Die kurze Antwort: Wir wissen nicht näher als ~100K!

Für den Mars Surveyor Lander war ein Experiment geplant , „ MTERC “ (Mars Thermal Environment and Radiator Characterization), das diese Messungen durchgeführt hätte. Aber dieser Lander war eine Kopie des Mars Polar Lander , der im Dezember 1999 versagte, ein Fehler, der auf Konstruktionsfehler zurückzuführen war, so dass die Mission des Surveyor Lander abgebrochen wurde.

Es scheint, dass diese Messungen noch nicht durchgeführt wurden. Ich rief David Brinza vom JPL an, den 2. Autor des MTERC-Papiers (der 1. Autor, Ken Johnson, ist nicht mehr am JPL), und er sagte mir, dass trotz der flugbereiten Hardware kein Versuch unternommen wurde, diese Untersuchung wiederherzustellen in Mottenkugeln bei JSC. Auch keine anderen Marslander, NASA oder nicht, haben diese Messungen versucht.

Die Berechnung der effektiven Himmelstemperatur aus "ersten Prinzipien" ist eine sehr schwierige Aufgabe und erfordert einige detaillierte Kenntnisse der Marsatmosphäre. Es ist im Wesentlichen ein Strahlungsübertragungsproblem durch eine reale Atmosphäre, kein vereinfachtes Modell. Während meiner Zeit in der Wissenschaftsabteilung am JPL war eine meiner Aufgaben die Strahlungstransportmodellierung von Planetenatmosphären, wobei ich versuchte, die Daten aus radioastronomischen Beobachtungen zu interpretieren. Um eine vernünftige Berechnung des Strahlungstransports für eine Atmosphäre durchzuführen, benötigen Sie:

  • vertikale Profile von Temperatur und Druck von der Oberfläche zum Weltraum
  • vertikale Profile des atmosphärischen Absorptionsvermögens bei allen Wellenlängen, für die eine signifikante Energie beteiligt ist, und von der Oberfläche bis zum Weltraum
  • vertikale Profile der atmosphärischen Staubbelastung und die Streueigenschaften dieses Staubs

Die zweite Kugel oben ist nicht einfach. Eine Atmosphäre ist nicht nur "nicht wirklich ein effektiver Schwarzkörperstrahler", wie Sie in der Frage erwähnen, eine Atmosphäre ist wild kein effektiver Schwarzkörperstrahler! Betrachten Sie als Beispiel die Durchlässigkeit der Erdatmosphäre von Radio zu UV. Es gibt überall Absorptionslinien (die auch Emissionslinien sind) aufgrund von O2, CO2, O3, CH4 ... eine ganze lange Liste von Dingen, die das Spektrum verkomplizieren. Mars wird etwas ähnlich sein. Die Linien werden aufgrund des geringeren Oberflächendrucks schmaler sein, aber CO2 wird bei einigen der Wellenlängen, bei denen die Sonne versucht, Dinge durch Strahlung zu erwärmen, und der Mars versucht, Wärme durch Strahlung loszuwerden, prominent sein. Andere Moleküle wie Wasser und CO modifizieren das Spektrum, aber wir sind nicht sicher, wie stark, da ihre Mischungsverhältnisse stark variieren.

Die dritte Kugel oben ist auch nicht einfach. Streueigenschaften sind eine starke Funktion der Partikelgröße und -form. Marsstaub ist eine Mischung aus Partikelgrößen und -formen, daher ist es wirklich schwierig, seine Streueigenschaften genau zu modellieren.

Darüber hinaus variieren alle drei mit Aufzählungszeichen versehenen Eigenschaften mit der Zeit, sodass Sie die effektive Himmelstemperatur nicht für ein Atmosphärenmodell berechnen und das Problem lösen können. 1970 führte Joseph Wachter einige Strahlungstransportberechnungen für verschiedene Modelle der Marsatmosphäre durch (leider hinter einer Paywall – komm schon, Leute, das Papier ist 48 Jahre alt! Lass es los!) und erhielt effektive Himmelstemperaturen von ~80K auf ~170.000, wie im MTERC-Papier wiedergegeben. Ich habe keine Beschreibungen der von Wachter verwendeten Modelle, daher weiß ich nicht, ob die 80K und 170K Unter- und Obergrenzen sind oder nur "repräsentativ" für das sind, was Sie erwarten würden.

Das Endergebnis ist, dass wir darüber keine zuverlässigen Erkenntnisse haben werden, bis tatsächlich jemand die Messungen auf dem Mars durchführt.

Ich mag es, wenn jemand verbindlich sagen kann „wir wissen es nicht“. OTOH, es überrascht mich, dass keine Mission ein solches Instrument beinhaltete. Ich habe mein IR-Thermometer von Aliexpress für etwa 5 US-Dollar bekommen und es hat die Größe einer AA-Batterie, Display und Batterien inklusive. Sicher, "für Platz" sind keine 5 US- Dollar , aber selbst beim 10.000-fachen des Preises wären es nach Platzstandards immer noch Peanuts und auch keine merkliche Auswirkung auf das Gewicht und das Energiebudget.
Es gibt einen Abschnitt dazu und Abbildung 4.4 zeigt sogar ein Diagramm von "... langwelliger Bestrahlungsstärke an der Oberfläche, ausgedrückt als Himmelstemperatur ..." in Mars Global Reference Atmospheric Model 2001 Version (Mars-GRAM 2001): Users Guide , das zeigt mittlere Breitenwerte um 150 bis 200K.
@uhoh Die hohen Himmelstemperaturen in Gere Justus ' MarsGRAM 2001, wie Sie in Ihrer Frage "... Warum der 'hot spot;?" Offensichtlich war die atmosphärische Erwärmung durch eine erhebliche Staubbelastung nahe dem Sonnenmittag nicht enthalten.
@SF. Der Verlust des Interesses an der Durchführung dieser Messungen hängt wahrscheinlich mit der Politik der NASA und ihrer Regierungsoberherren, der Exekutive, zusammen (die NASA berichtet dem Vizepräsidenten der USA). In den späten 1990er Jahren gab es auf höchster Ebene der NASA viele Diskussionen über die zukünftige Besiedlung des Mars und die dafür erforderliche Infrastruktur, wie z. B. die In-situ-Ressourcennutzung (ISRU). Das führte zu einem Interesse daran, Wärme von ressourcenverbrauchenden Maschinen abzuleiten, und damit zu Heizkörpern und Himmelstemperatur. Das ist für eine Weile ausgestorben (15-20 Jahre!), aber ISRU könnte ein Comeback feiern.
@TomSpilker In der Tat. Ich stellte diese Frage einige Wochen, nachdem ich diese Antwort auf die Frage gepostet hatte. Verlieren Anzüge, die auf dem Mars getragen werden, bei jedem Gebrauch Kilogramm „verbrauchbares Wasser“? Ich schlug vor, dass "Eisbatterien" (dh Kühlakkus), die draußen bleiben, sich über "... einige einfache Isolierklappen, die sich nachts passiv öffnen, damit sie in den Weltraum strahlen können ..." aufladen könnten. Ich stellte diese Frage zur Himmelstemperatur, als ich anfing auch tagsüber an "Aufladen" denken.
@TomSpilker: vielleicht in einer Hand. Andererseits wäre es nicht schwer, ein einfaches IR-Thermometer an Cutiositys Arm zu befestigen, und es könnte die Temperatur von Felsen überprüfen, es zur Selbstdiagnose verwenden oder in den Himmel zeigen.
@SF. Sie werden vielleicht überrascht sein, wie sehr die Teilnahme an einer interplanetaren Flugmission die Kosten selbst eines einfachen Instruments in die Höhe treiben kann. Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit in der Weltraumumgebung bedeuten, dass billige Komponenten durch getestete und dokumentierte, strahlungstolerante usw. Instrument. Und das ist vor all der Arbeit und Neugestaltung, die mit der Kompatibilität von Instrumenten und Raumfahrzeugen verbunden ist: keine elektromagnetischen Störungen, ungünstige mechanische oder thermische Belastungen usw. Beläuft sich auf Millionen !
@SF. Oft ist es nicht schwer, ein Instrument für eine Mission zu bekommen, wenn die Gesamtkosten beispielsweise 3 Megabucks betragen. Aber wenn der Projektwissenschaftler und der Projektmanager wirklich ein 22-Mbuck-Instrument für die oberste wissenschaftliche Priorität der Mission fliegen wollen und das Fliegen des 3-Mbuck-Instruments (das eine niedrigere wissenschaftliche Priorität anspricht) bedeutet, dass sie sich mit deutlich schlechteren 19 Mbuck zufrieden geben müssen Instrument für die Ziele mit der höchsten Priorität, dann werfen sie das 3-Mbuck-Instrument gerne weg. Manchmal kommt es darauf an, was die wissenschaftlichen Prioritäten des Tages sind.
Ich habe diese Seite mit Könnte Ingenuity nachts wärmer bleiben, indem er auf (oder in der Nähe) des RTG von Perseverance landet? . Um darauf vertrauen zu können, dass der Hubschrauber seine Batterie nicht vor dem Morgen entladen wird, um warm zu bleiben, mussten sie entweder einige sorgfältige Modellierungen vornehmen und möglicherweise einige Daten von Curiositys Thermometern verwenden oder einfach die Isolierung um den Hubschrauber herum überdimensionieren. Aber das könnte dazu führen, dass es beim Fliegen zu heiß wird. Hmm ... Ich werde weiter darüber nachdenken; Ich denke, es gibt hier einige neue Fragen.
Wie kalt ist der Marshimmel nachts? Oder der Tag für diese Angelegenheit?
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