Advancing atmospheric humidity measurements on Mars through improved calibration methods
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2026-04-10
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
65 + app. 64
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 81/2026
Abstract
Although Mars is an extremely dry planet with a thin atmosphere dominated by carbon dioxide, water vapor is one of the central components of its climate system, alongside dust. Therefore, understanding the behavior of water vapor is essential for characterizing the Martian water cycle, the regolith–atmosphere exchange processes, assessing whether liquid water could briefly exist at the surface, and improving Mars climate models. Accurate near-surface humidity measurements obtained directly at the surface are therefore indispensable as the lowest atmospheric layers cannot be reliably characterized from orbit. This dissertation focuses on improving measurements from the humidity sensors flown on NASA’s Mars missions, specifically the Curiosity and Perseverance rovers. It presents new laboratory calibrations and an improved calibration methodology in order to obtain near-surface relative humidity measurements that are more accurate than previously possible. The flight calibration of the MEDA HS humidity sensor onboard the Perseverance rover was planned and executed, consisting of extensive calibration measurements at multiple test facilities. The previous calibration of REMS-H, the humidity sensor onboard the Curiosity rover, was re-evaluated using the same methodology, improving the quality of the dataset. The results cover the MEDA HS flight calibration and its assessment after landing, as well as the revised calibration of REMS-H. The MEDA HS calibration resulted in reduced uncertainty and demonstrated a robust instrument performance on Mars. These calibrations revealed the way extremely low temperatures, low pressures and the atmospheric composition of Mars influence sensor behavior, highlighting the importance of testing under a representative environment. The reprocessed REMS-H dataset now provides a revised and more accurate long-term record covering 13 years of observations. Together, the two resulting datasets constitute the most comprehensive and intercomparable near-surface humidity records obtained from Mars to date, supporting studies of the Martian water cycle and surface–atmosphere exchange phenomena.Vaikka Mars on äärimmäisen kuiva planeetta, vesihöyry vaikuttaa silti olennaisesti sen nykyilmastoon hiilidioksidin ja pölyn ohella. Vesihöyryn käyttäytymisen ymmärtäminen on keskeistä Marsin veden kiertokulun ja kaasukehän sekä pinnan välisen vuorovaikutuksen tutkimuksessa. Lisäksi se on olennaista nestemäisen veden esiintyvyyden arvioinnissa sekä Marsin ilmastomallien kehittämisessä. Suoraan pinnalla käsin tehdyt kaasukehän kosteuden mittaukset ovat erityisen arvokkaita, sillä ilmakehän alimpia kerroksia ei voida luotettavasti havainnoida kiertoradalta käsin. Tässä väitöskirjatyössä on kehitetty ja parannettu kalibrointimenetelmiä, joiden avulla voidaan tuottaa luotettavampia suhteellisen kosteuden mittauksia Marsin pinnalta. Keskeisessä osassa ovat uudet laboratoriokalibrointitulokset, joiden avulla on pystytty parantamaan myös historiallisia mittaussarjoja. Työn tuloksena suunniteltiin ja toteutettiin Nasan Perseverance-kulkijassa olevan MEDA HSkosteusinstrumentin kalibrointi, sekä Nasan Curiosity-kulkijan REMS-H-instrumentin aiemman kalibroinnin uudelleenanalysointi. MEDA HS -instrumentin mittausepävarmuutta voitiin pienentää aiempaan verrattuna, ja instrumentin suorituskyky osoittautui Marsissa erittäin vakaaksi. Kalibrointitestit osoittivat, miten Marsin äärimmäisen matalat lämpötilat, alhainen paine ja hiilidioksidipitoinen kaasukehä vaikuttavat kosteusanturin käyttäytymiseen, ja korostavat tarvetta suorittaa myös kalibroinnit Marsin olosuhteita riittävästi vastaavassa ympäristössä. Uudelleenprosessoitu REMS-H:n mittausaineisto tarjoaa aiempaa luotettavamman kuvan kaasukehän suhteellisen kosteuden vaihteluista. Nämä kaksi aineistoa muodostavat yhdessä tähän mennessä kattavimman ja keskenään vertailukelpoisimman Marsin pinnalta mitatun suhteellisen kosteuden kokonaisuuden. Nämä havainnot tukevat laajasti Marsin ilmaston tutkimusta ja mallinnusta.Description
Supervising professor
Kallio, Esa, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandThesis advisor
Harri, Ari-Matti, Prof., the Finnish Meteorological Institute, FinlandOther note
Parts
-
[Publication 1]: Maria Hieta, Maria Genzer, Jouni Polkko, Iina Jaakonaho, Shahin Tabandeh, Andreas Lorek, Stephen Garland, Jean-Pierre de Vera, Erik Fischer, Germán M. Martínez, Ari-Matti Harri, Leslie Tamppari, Harri Haukka, Matias Meskanen, Manuel de la Torre Juárez, José Antonio Rodriguez Manfredi. MEDA HS: Relative humidity sensor for the Mars 2020 Perseverance rover. Planetary and Space Science, Volume 223, pp. 105590, October 2022.
DOI: 10.1016/j.pss.2022.105590 View at publisher
-
[Publication 2]: Maria Hieta, Iina Jaakonaho, Jouni Polkko, Andreas Lorek, Stephen Garland, Jean-Pierre de Vera, Maria Genzer, and Ari-Matti Harri. Improving relative humidity measurements on Mars: New laboratory calibration measurements. Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems, Volume 13, pp. 337–351, November 2024.
DOI: 10.5194/gi-13-337-2024 View at publisher
-
[Publication 3]: Maria Hieta, Iina Jaakonaho, Jouni Polkko, Hannu Savijärvi, Maria Genzer, Ari-Matti Harri, Andreas Lorek, Stephen Garland, Jean-Pierre de Vera, Germán Martínez, Erik Fischer, Eduardo Sebastián Martínez, José Antonio Rodríguez-Manfredi, Leslie Tamppari, Manuel de la Torre Juárez and Timothy McConnochie. REMS-H Revisited: Updated calibration and results of the humidity sensor of the MSL Curiosity. Space Science Reviews, Volume 221, article number 58, June 2025.
DOI: 10.1007/s11214-025-01187-1 View at publisher