Data	  analysis	  of	  Mars	  orbiters:	  	  	Rederiva(on	  of	  MGS	  radio	  occulta(on’s	  temperature	  with	  the	  considera(on	  of	  CO2	  condensa(on	  in	  the	  Mar(an	  atmosphere	
Katsuyuki	  Noguchi	  and	  Sayaka	  Ikeda	  (Nara	  Women’s	  University)	  Takeshi	  Kuroda	  (Tohoku	  University)	  Mar>n	  Pätzold	  and	  Silvia	  Tellmann	  (Köln	  University)	
Noguchi	  et	  al.	  [2014,	  JGR]:	  Es>ma>on	  of	  changes	  in	  the	  composi>on	  of	  the	  Mar>an	  atmosphere	  caused	  by	  CO2	  condensa>on	  from	  GRS	  Ar	  measurements	  and	  its	  applica>on	  to	  the	  rederiva>on	  of	  MGS	  radio	  occulta>on	  measurements	

Summary	• Mar>an	  atmospheric	  composi>on:	  	  CO2	  and	  other	  gases	  (N2,	  Ar,	  etc…)	  • Radio	  occulta>on,	  which	  can	  probe	  temperature	  proﬁles,	  needs	  the	  informa>on	  of	  composi>on	  rate	  • Problem:	  CO2	  condensa>on	  at	  polar	  night	  causes	  change	  of	  composi>on	  rate	  (CO2	  deple>on	  and	  other	  non-­‐condensa>on	  species’	  increase)	  ,	  which	  aﬀects	  radio	  occulta>on	  measurements	  • But	  no	  observa>on	  of	  the	  seasonal	  change	  of	  (all	  the)	  composi>on	  rate	  available	  • We	  show	  	  – how	  to	  es>mate	  the	  change	  of	  composi>on	  rate	  and	  – Radio	  occulta>on	  rederiva>on	  using	  the	  es>mated	  rate	Mar(an	  (neutral)	  atmosphere	• Composi>on	  →Observed	  by	  Viking	  lander	  (1970’s)	  Main	  species：	  	  CO2	  95％	  	   Other	  main	  species:	  	  N2	  2.7	  ％,	  Ar	  1.6％	  • Pressure	  àless	  than	  1/100	  of	  Earth	  Large	  seasonal	  change	  (20-­‐30%)	  caused	  by	  condensa>on	  of	  CO2in	  polar	  nights	  Dras(c	  pressure	  change	  by	  CO2	  condensa(on	Ls	summer	autumn	

winter	spring	summer	

Pressure	  [hPa]	

Pressure	  decreasing	  due	  to	  condensa>on	  of	  CO2	  Snyder	  [1979,	  JGR]	

Sol	  ader	  landing	Time	  on	  Mars	

Sol:	  One	  day	  on	  Mars	  (≒24	  hours)	  MY（Mars	  Year）:	  Year	  on	  Mars	  (≒2	  Earth	  years)	  Ls（Solar	  Longitude）:	  Seasons	  of	  Mars	  	Northern	  hemisphere	  (NH) 	  Sothern	  hemisphere	  (SH)	

Spring	  /	  Autumn	

Ls=0°	
Mars	

Summer /	  Winter	

Winter	  /	  Summer	

Mars	

Sun	

Ls=90°	Mars	

Ls180°	Mars	

Ls=270°	
Autumn	  /	  Spring	Ellip>cal	  orbitàSeasons	  in	  the	  SH	  are	  more	  extreme	  (i.e.,	  hoker	  summer	  and	  colder	  winter)	  in	  the	  NH.	

Condensa(on	  of	  CO2	  in	  the	  Mar(an	  atmosphere	
Frequently	  observed	  in	  the	  mesosphere	  and	  polar	  nights	  IR	  obs.	  (20um)	  by	  Viking	  orbiter		 Pathﬁnder’s	  decent	Nightside	
Wavy	  structures	  with	  CO2	  satura>on	  temperature	  in	  the	  mesosphere	
Polar	  night：	  140K	  Dayside：	  240K	  Below	  CO2	  condensa>on	  temperature	  in	  the	  polar	  night	

Radio	  occulta(on	  (RO)	  measurement	• Probes	  temperature	  proﬁles	  (T	  precision<1K,	  alt.	  resolu>on<1km）	  • U>lizes	  radio	  waves	  transmiked	  from	  spacecrad	  to	  receiver	  on	  Earth,	  which	  pass	  through	  planetary	  atmosphere	  • Records	  radio	  waves‘	  frequency	  changes	  according	  to	  ver>cal	  distribu>on	  of	  atmospheric	  refrac>vity	  • Provides	  refrac>vity	  → number	  density	  of	  air	  à	  temperature	

Mars	Receiver	  on	  Earth	Data	  ﬂowchart	
Time	  series	  of	  frequency	  changes	  of	  radio	  waves	Abel	  transform	  	Ver>cal	  proﬁle	  of	  refrac>vity	  μ	  	Electron	  number	  density	f	  [Hz]	

t	  [s]	  	z	  [km]	

Using	  composi>on	  rate!	

Ver>cal	  proﬁle	  of	  air	  number	  density	  N	ionosphere	

neutral	  atmosphere	1	μ	z	  [km]	

Hydrosta9c	  equilibrium	

Using	  composi>on	  rate!	
Ver>cal	  proﬁle	  of	  pressure	  P	P	  [Pa]	z	  [km]	

ideal	  gas	  law	

Ver>cal	  proﬁle	  of	  temperature	  T	T	  [K]	Temperature	  retrieval	  by	  RO	Needs	  atmospheric	  composi>on	  ra>o	  when	  	  1. Conver>ng	  refrac>vity	  μ	  to	  number	  density	  of	  air	  n	  →κ：factors	  speciﬁc	  for	  gases	  2.	  	  	  Using	  mean	  molecular	  weight	  to	  retrieve	  temperature	  from	  number	  density,	  assuming	  hydrosta>c	  equilibrium	  →However,	  previous	  studies	  did	  not	  consider	  the	  change	  of	  atmospheric	  composi>on	  ra>o	  caused	  by	  CO2	  condensa>on	  Purpose	  of	  study	
This	  study	  	  • Es>mates	  the	  change	  of	  composi>on	  rate	  including	  CO2	• Rederives	  the	  MGS	  RO	  temperature	  to	  discuss	  CO2	  condensa>on	  (satura>on)	  and	  ver>cal	  distribu>on	  of	  mixing	  ra>o	  -­‐	  About	  70	  proﬁles	  of	  MGS-­‐RO	  in	  the	  southern	  polar	  night	  region,	  where	  the	  eﬀect	  of	  CO2	  condensa>on	  is	  strongest.	  	Method:	  es(ma(on	  of	  seasonal	  change	  of	  composi(on	  rate	
• Main	  three	  cons>tuents:	  CO2,	  Ar,	  N2	  • Only	  Ar	  ‘s	  mixing	  ra>o	  can	  be	  available	  from	  observa>ons	  (Gamma	  Ray	  Spectrometer	  of	  Mars	  Odyssey	  [Sprague	  et	  al.,	  2012])	  àhow	  to	  obtain	  N2	  and	  CO2?	  
• N2	  :	  Ra>o	  of	  Ar	  and	  N2	  (2.7%	  :	  1.6%)	  should	  be	  kept	  because	  N2	  and	  Ar	  do	  not	  condensate.	  
	  	  	  	  	  	  N2=2.7/1.6	  Ar	  • CO2=100	  -­‐（N2+Ar）[％]	  àEmpirical	  model	  of	  seasonal	  changes	  of	  the	  three	  gases’	  mixing	  ra>o	  obtained!	  	  Note:	  Constant	  ver>cal	  proﬁles	  assumed	  in	  this	  step	  (We	  will	  discuss	  this	  point	  later).	

Results	• Rederived	  temperature	  of	  MGS-­‐RO	  u>lizing	  the	  newly	  es>mated	  composi>on	  rate	  Sample:	  Rederiva>on	  with	  78%	  CO2	  • Overes>ma>on	  of	  temperature	  without	  considera>on	  of	  CO2	  condensa>on	  Rederived	  proﬁle	

CO2	  satura>on	  curve	Original	  proﬁle	• We	  u>lize	  the	  updated	  MGS-­‐RO	  temperature	  and	  pressure	  data	  to	  calculate	  the	  degree	  of	  CO2	  supersatura>on	  	Increasing	  -­‐ frequency	  of	  supersatura>on	  and	  	  -­‐ degree	  of	  supersatura>on	Discussion:	  ver(cal	  proﬁles	  of	  gases	  Problem:	  there	  is	  no	  direct	  measurements	  of	  ver>cal	  structures	  of	  atmospheric	  composi>on	  during	  CO2	  condensa>on	  in	  polar	  nights.	  
Results	  when	  applying	  ver>cal	  distribu>on	  of	  MCD	  Ar	  for	  MGS-­‐RO	  rederiva>on:	  	Result	  rederived	  looks	  realis(c…	  	P	  [Pa]	

Looks	  unrealis(c…	P	  [Pa]	

CO2	  VMR	CO2	  VMR	-­‐	  Needs	  good	  es>ma>on	  of	  ver>cal	  proﬁles	  (especially	  in	  the	  lower	  layer)	  -­‐	  Other	  way	  around,	  we	  might	  be	  able	  to	  obtain	  the	  informa>on	  on	  the	  mixing	  ra>o	  if	  we	  adjust	  temperature	  to	  CO2	  satura>on	  temperature	  (or	  35%	  supersatura>on	  temperature)	  à	  future	  work!	

Conclusion	
• We	  rederive	  MGS-­‐RO	  temperature	  and	  pressure	  proﬁles	  with	  the	  considera>on	  of	  CO2	  condensa>on	  in	  the	  Mar>an	  atmosphere	  • Overes>ma>on	  of	  RO	  temperature	  occurs	  if	  we	  do	  not	  consider	  CO2	  condensa>on	  	  • Uncertainty	  of	  the	  ver>cal	  proﬁles	  of	  the	  cons>tuents	  causes	  large	  errors	  of	  temperature	  Adver(sement:	  	  A	  symposium	  on	  radio	  science	  for	  Earth	  and	  planetary	  atmospheres	  will	  be	  held	  at	  Nara	  Women’s	  university	  on	  June	  1,	  2015.	  Please	  join!!