Сравнительный анализ мерзлотных условий Антарктиды и полярных областей Марса

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Геокриология является частью более общей науки криологии планет, которая в свою очередь является составляющей сравнительной планетологии. Мерзлые, морозные или переохлажденные породы, как естественно-исторические образования, не являются чем-то исключительным, присущим только Земле. Они широко развиты в пределах других планет Солнечной системы и их спутников. Поэтому разработка этой проблемы представляет как самостоятельный интерес, так и даст новые импульсы для понимания и, возможно, переосмысления ряда представлений о процессах, протекающих в криолитозоне Земли. Как сформулировал один из основоположников сравнительной планетологии К.П. Флоренский: < в настоящее время Земля является единственным эталоном при изучении планет, на который мы вынуждены опираться и с которым сравниваем другие планеты, учитывая их специфичность>, то есть одним из основных методов исследования является метод аналогий. Методы сравнительной планетологии отражают расширенное понимание принципа актуализма - подхода, при котором к объяснению прошлого идут от изучения современных процессов, но с учетом, конечно, неизбежных оговорок (Геологический словарь, 1978). Изучение планет открывает новые страницы в понимании Земли, которые мы не можем изучать на нашей планете в настоящий момент, но которые могли иметь место в прошлом.

Среди планет земной группы особое место в этом плане занимает Марс - планетное тело с ощутимой атмосферой, мощной криосферой и постоянным присутствием льда в полярных шапках. На Земле наиболее близким аналогом полярных областей Марса, в первую очередь северной полярной шапки, состоящей преимущественно изо льда H₂O, является Антарктида, сопоставимая по площади и мощности ледяного щита. Она характеризуется наиболее суровым климатом (на станции <Восток> зарегистрирован абсолютный минимум температуры -89,2^oС) и минимальным влиянием антропогенного фактора на ее природные условия.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы является проведение сравнительного анализа мерзлотных условий Антарктиды и полярных областей Марса, для выявления границ применимости метода аналогий, оценки мощности криолитосферы Марса в его полярных регионах и проявлений там экзогенных криогенных процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:
1. Обобщить и проанализировать последние данные по мерзлотным условиям полярных областей Марса и геокриологическим условиям Антарктиды;
2. Провести натурные исследования составляющих радиационно-теплового баланса поверхности, теплофизических свойств пород, глубины их сезонного оттаивания и температурного режима, для чего обустроить исследовательскую площадку в районе оазиса Ширмахера (станция <Новолазаревская>, Антарктида);
3. С использованием информации, обработанной при помощи статистических методов, провести сравнительный анализ широтно-временной изменчивости составляющих радиационно-теплового баланса поверхности для районов полярных шапок Марса и расположения пяти российских полярных станций в Антарктиде (<Новолазаревская>, <Молодежная>, <Беллинсгаузен>, <Мирный>, <Восток>);
4. С учетом полученных оценок о температурном режиме поверхности, мощности и топографии полярных шапок, скорректировать известные представления о мощности криолитосферы Марса;
5. Выявить особенности проявлений экзогенных криогенных процессов в полярных областях Марса;
6. Разработать гипотезу о механизме развития и эволюции формы морозобойной трещины в высоких широтах Марса.

Фактический материал представлял собой: космоснимки высокого разрешения <Марсианской Орбитальной Камеры> с орбитального комплекса и аппарата <Марс-3>; исследовательской аппаратуры, установленной на космических аппаратах миссии (нейтронный и гамма- спектрометр , лазерный дальномер <МОLA>, теплоэмиссионный спектрометр и др.); данные о составе и характеристиках грунтов, полученные в ходе посадочных миссий 1 и 2, (альфа-протоновый рентген-спектрометр APXS), (спектрометр ), и ; фондовые материалы по составляющим радиационного баланса, температурным и другим условиям по антарктическим станциям <Новолазаревская>, <Молодежная>, <Беллинсгаузен>, <Мирный>, <Восток>; данные по составляющим радиационно-теплового баланса поверхности, теплофизическим свойствам пород, температурному режиму района исследований, полученные автором за период сезонных работ 2007-2008 гг. на станции <Новолазаревская>.

Для анализа климатических данных атмосферы и поверхности Марса использовалась База данных Европейского агентства (the Mars Climate Database of the European Space Agency, Laboratoire de Meteorologie Dynamique du C.N.R.S., the UK Particle Physics and Astronomy Research Council).

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Обобщены последние данные по климатическим условиям, составу, строению, специфике формирования и динамике мощности полярных шапок Марса, полученные, в основном, с помощью методов дистанционных измерений с орбиты;

2. В районе оазиса Ширмахера (станция <Новолазаревская>, Антарктида) в ходе сезонных работ 2007-2008 гг. были получены данные по составляющим радиационно-теплового баланса поверхности и теплопроводности приповерхностных слоев массива, глубине сезонного оттаивания и температурному режиму пород. Исследовательская площадка была оборудована нами с использованием аппаратуры, предоставленной кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова и логгерами, предоставленными Университетом г. Фэйрбэнкса (США). Исследовательская площадка (проект ) занесена в единую базу данных по всему миру;

3. Для пяти полярных станций Антарктиды (<Новолазаревская>, <Молодежная>, <Беллинсгаузен>, <Мирный>, <Восток>) выявлены закономерности временной и пространственной изменчивости составляющих радиационного баланса поверхности, среднемесячных температур поверхности и их амплитуд. Эти же закономерности были выявлены для пространственной сетки полярных регионов Марса. Показано, что они носят во многом аналогичный качественный характер, однако наблюдаются существенные количественные различия;

4. С учетом климатических особенностей, состава и строения отложений полярных регионов Марса скорректирована средняя величина мощности криолитосферы Марса и построены ее гипотетические разрезы в меридиональном направлении;

5. В полярных регионах Марса обнаружены проявления криогенных экзогенных процессов, которые могут быть дифференцированы на 4 группы аналогично классификации экзогенных геологических процессов в криолитозоне, разработанных для земных условий Л.С. Гарагулей;

6. В соавторстве с Р.О. Кузьминым, И.А. Комаровым, В.С. Исаевым в 2-х проекциях составлена карта проявления процесса морозобойного растрескивания для 420 участков Марса, где наблюдаются полигональные сети. Полигональные сети внутри ударных кратеров характеризуются наличием полигонов разных генераций. Предложен механизм процесса изменения формы и размеров первоначально образованной морозобойной трещины.

Защищаемые положения.

1. Для Антарктиды и полярных регионов Марса фиксируется аналогичный в качественном отношении пространственно-временной характер закономерностей изменения составляющих радиационно-теплового баланса, температуры поверхности, однако по абсолютной величине наблюдаются существенные различия;

2. Оценена мощность криолитосферы Марса с учетом последних данных, полученных с орбитальных и спускаемых аппаратов, специфики условий в полярных регионах, а также исходя из гипотезы о наличии в недрах Марса высокоминерализованных рассолов;

3. Наблюдаемая ширина раскрытия трещин в высоких широтах Марса, достигающая в ряде районов нескольких метров, не противоречит гипотезе о том, что фиксируемые полигональные сети в высоких широтах Марса образованы за счет процесса морозобойного растрескивания.

Практическое значение работы. Практическое значение работы связано с отработкой новых методик для исследования криогенных процессов и явлений на Марсе, использующих современные методы дистанционного и непосредственного зондирования (высокая разрешающая способность аппаратуры, ее компактные размеры, работа в автономном режиме и т.д.), которые со временем найдут или уже находят применение для аналогичных исследований при освоении северных территорий России. Определенные результаты могут быть использованы для планирования и осуществления последующих миссий освоения планеты Марс.

Ряд материалов и разработок используется при чтении курсов: <Введение в специальность>, <Криология планет>, <Общая геокриология>, а также в ходе выполнении студентами курсовых, бакалаврских и магистерских работ.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано - 22 работы, из них 6 докладов в трудах международных конференций проводимых за рубежом (Германия, Потсдам, 2005 - 2 доклада; США, Хьюстон, 2006; Китай, Ланьчжоу, 2006; США, Фэйрбэнкс, 2008; США, Сан-Диего, 2008), 7 докладов в трудах международных конференций по сравнительной планетологии (Москва, 2003, 2004-2 доклада, 2006, 2008-2 доклада); 4 - доклада на международных конференциях по криологии Земли (Пущино, 2003, 2004; Тюмень, 2004, 2006); доклад в трудах 3-ей конференции геокриологов России (Москва, 2005); одна статья опубликована в журнале, рекомендуемом ВАК РФ, <Вестник Московского Университета> (Москва, 2009); 2 доклада на международной конференции <Ломоносов-2004> и <Ломоносов-2006> (Москва, 2004, 2006), 1 доклад на международной конференции <Ломоносовские чтения> (Москва, 2008).

В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором, или при его участии в ходе исследований, проведенных на кафедре геокриологии, а также в ходе экспедиции в Антарктиду на станцию <Новолазаревская> в составе 53 Российской антарктической экспедиции в течение полевого сезона 2007-2008 гг.

Автор являлся лауреатом стипендии Президента Российской Федерации в 2007/2008 учебном году и конкурса <Гранты Москвы - 2005>, а также участвовал в работах по грантам РФФИ (04-05-65110, 08-05-00566).

Структура и объем работы. Диссертация объемом 174 страницы печатного текста состоит из введения, пяти глав, выводов. Список использованной литературы содержит 123 наименования. Работа проиллюстрирована 121 цветным рисунком и 16 таблицами. К ней дано приложение в количестве 106 страниц, из которых 94 таблицы и 50 цветных графиков.

Диссертация выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ под руководством доктора геолого-минералогических наук И.А. Комарова, которому автор выражает глубокую признательность. Автор благодарит за помощь, ценные советы и замечания сотрудников кафедры геокриологии Н.Н. Романовского, Г.П. Пустовойта, К.А. Кондратьеву, С.Н. Булдовича, В.Н. Зайцева, сотрудника ГЕОХИ РАН Р.О. Кузьмина, также сотрудников университета им. Брауна (США) J. Head III и M. Kreslavski. Автор очень признателен начальнику Российской антарктической экспедиции (РАЭ) В.В. Лукину и руководителю группы в составе 53 РАЭ С.Р. Веркуличу, а также всему персоналу станции <Новолазаревская> за содействие при проведении исследований.