Investigations of planetary boundary layer processes and particle formation in the atmosphere of planet Mars

The planet Mars is the Earth's neighbour in the Solar System. Planetary research stems from a fundamental need to explore our surroundings, typical for mankind. Manned missions to Mars are already being planned, and understanding the environment to which the astronauts would be exposed is of utmost importance for a successful mission. Information of the Martian environment given by models is already now used in designing the landers and orbiters sent to the red planet. In particular, studies of the Martian atmosphere are crucial for instrument design, entry, descent and landing system design, landing site selection, and aerobraking calculations. Research of planetary atmospheres can also contribute to atmospheric studies of the Earth via model testing and development of parameterizations: even after decades of modeling the Earth's atmosphere, we are still far from perfect weather predictions. On a global level, Mars has also been experiencing climate change. The aerosol effect is one of the largest unknowns in the present terrestrial climate change studies, and the role of aerosol particles in any climate is fundamental: studies of climate variations on another planet can help us better understand our own global change. In this thesis I have used an atmospheric column model for Mars to study the behaviour of the lowest layer of the atmosphere, the planetary boundary layer (PBL), and I have developed nucleation (particle formation) models for Martian conditions. The models were also coupled to study, for example, fog formation in the PBL. The PBL is perhaps the most significant part of the atmosphere for landers and humans, since we live in it and experience its state, for example, as gusty winds, nightfrost, and fogs. However, PBL modelling in weather prediction models is still a difficult task. Mars hosts a variety of cloud types, mainly composed of water ice particles, but also CO2 ice clouds form in the very cold polar night and at high altitudes elsewhere. Nucleation is the first step in particle formation, and always includes a phase transition. Cloud crystals on Mars form from vapour to ice on ubiquitous, suspended dust particles. Clouds on Mars have a small radiative effect in the present climate, but it may have been more important in the past. This thesis represents an attempt to model the Martian atmosphere at the smallest scales with high resolution. The models used and developed during the course of the research are useful tools for developing and testing parameterizations for larger-scale models all the way up to global climate models, since the small-scale models can describe processes that in the large-scale models are reduced to subgrid (not explicitly resolved) scale.

Planeettatutkimus versoo ihmiskunnalle tyypillisestä perustavanlaatuisesta tarpeesta tutkia ympäristöään. Mars on Maan naapuri Aurinkokunnassa ja ollut siten ihmisen eriasteisen mielenkiinnon kohteena jo vuosisatoja. Nykyään suunnitellaan jo miehitettyjä Mars-lentoja, joiden onnistumiseksi on äärimmäisen tärkeää ymmärtää ympäristöä, jolle astronautit planeetalla altistuisivat. Suunniteltaessa punaiselle planeetalle lähetettäviä laskeutujaluotaimia ja kiertolaisia käytetään hyväksi tietokonemallien antamaa tietoa Marsin ympäristöstä. Marsin ilmakehän tutkimuksesta on hyötyä erityisesti instrumenttien ja laskeutumisjärjestelmän suunnittelussa, laskeutumispaikan valinnassa ja ilmajarrutuslaskelmissa. Muiden planeettojen kaasukehien tutkimus voi edistää myös Maan ilmakehätutkimusta mallien testaamisen ja parametrisaatioiden kehittämisen kautta: vuosikymmenien ilmakehämallinnuskokemuksen jälkeen emme vieläkään pysty tuottamaan esimerkiksi tarkkoja sääennusteita. Ilmastonmuutosten tutkiminen toisella planeetalla voi auttaa meitä ymmärtämään oman planeettamme globaalia muutosta. Aerosolihiukkasten rooli missä tahansa ilmastossa on perustavanlaatuisen tärkeä, mutta niiden vaikutus on yksi suurimmista tuntemattomista tekijöistä Maan ilmastonmuutostutkimuksessa. Globaalissa mittakaavassa myös Mars on kokenut ilmaston muuttumisen, ja aerosolihiukkasten roolin tutkiminen sen kaasukehässä voi antaa arvokasta tietoa myös Maan ilmastonmuutostutkimukseen. Tässä väitöskirjassa tutkin kaasukehän alinta kerrosta, planetaarista rajakerrosta (PBL), käyttäen Marsin ilmakehää kuvaavaa pylväsmallia, minkä lisäksi kehitin myös nukleaatio- eli hiukkasmuodostusmalleja Marsin oloihin. Tutkimuksessani mallit myös yhdistettiin, jotta niiden avulla voitiin tutkia rajakerroksen sumun muodostumista. Rajakerros on kenties kaikkein merkittävin ilmakehän osa sekä laskeutujaluotaimille että ihmisille, koska elämme sen vaikutuksen alla ja koemme sen tilan esimerkiksi tuulen puuskaisuutena, yöpakkasina ja sumuina. Rajakerroksen mallintaminen säänennustusmalleissa on kuitenkin edelleen vaikea tehtävä. Toinen keskeinen tarkastelun kohde väitöskirjassani ovat Marsissa esiintyvät erityyppiset pilvet ja niiden syntyprosessi. Enemmistö Marsin pilvistä on muodostunut vesijäästä, mutta niiden lisäksi hyvin kylmässä napayössä ja muilla alueilla korkealla ilmakehässä muodostuu myös CO2-pilviä. Pilvikiteet muodostuvat höyrystä suoraan jääksi Marsin kaasukehässä leijuvien pölyhiukkasten päälle. Nukleaatio onkin hiukkasmuodostuksen ensiaskel ja siihen liittyy aina olomuodon muutos. Nykyilmastossa Marsin pilvillä on pieni vaikutus säteilynkulkuun, mutta niiden vaikutus on voinut olla suurempi menneisyydessä. Tämä väitöskirja esittelee Marsin kaasukehän pienimpien skaalojen ilmiöiden mallinnusta mahdollisimman tarkalla erotuskyvyllä ja tarkkuudella. Tutkimustyössä kehitetyt mallit soveltuvat työkaluiksi suuren (jopa pallonlaajuisen) skaalan malleihin tehtävien parametrisaatioiden kehittämiseen ja testaamiseen. Pienen skaalan mallit pystyvät kuvaamaan prosesseja, jotka laajan skaalan malleissa jäävät hilakokoa pienemmiksi eivätkä siis ole niissä suoraan ratkaistavissa.