火星上的甲烷：通过NOMAD/ExoMars光谱仪的首次在轨校准，深入洞察CH4的敏感性

摘要： 搭载于“火星太空生物学”痕量气体轨道器（TGO）的“火星大气探测与掩星光谱仪”（NOMAD）旨在通过太阳掩星、天底和临边观测几何构型对火星进行探测，能够获取以大气特性为主的丰富多样数据。该仪器红外通道采用中阶梯光栅光谱仪与声光可调谐滤光器（AOTF）组合工作模式。基于在轨数据，我们完成了仪器性能表征与校准参数化：实现了精确的频率校准并量化了光栅热效应导致的频率漂移；测定了AOTF特性与传递函数，开发验证了计算光栅-AOTF耦合系统透射光谱连续谱的现实方法。这些校准成果为研究NOMAD对大气甲烷含量的灵敏度这一关键问题提供了前所未有的认知。我们还深入评估了其在典型任务周期内预期变化的尘埃含量、地表反照率和光照条件下的实际性能表现。结果表明：在低尘环境下，太阳掩星观测时NOMAD单次光谱对20公里高度甲烷的1σ灵敏度约0.33 ppbv，在30公里以下高度优于1 ppbv；在多尘条件下，10公里以下灵敏度降至零值。天底观测几何中，数据显示NOMAD能通过5×5°空间网格积分生成覆盖行星大部分表面的甲烷季节分布图，灵敏度约5 ppbv。数据网格合并可使该数值提升约10至30倍。总体而言，我们的量化结果证实了NOMAD解析火星气候多变特性的能力。