Сравнительный анализ мерзлотных условий Антарктиды и полярных областей Марса

Глава 5. Экзогенные криогенные процессы в полярных регионах Марса и их проявления

Пятая глава посвящена анализу проявлений экзогенных криогенных процессов в полярных регионах Марса. В полярных регионах Марса наблюдаются проявления мерзлотных процессов, которые характерны и для земных условий, такие как: провальные и термоэрозионные образования, жидкостной снос, полигональный рельеф, солифлюкция и полярные шапки. Они свидетельствуют об активности мерзлотных процессов, имеющих место в прошлом и действующих в настоящее время. Эти процессы непосредственно наблюдаются с помощью визуального инструментария (марсианская орбитальная камера и камера высокого разрешения ) и оцениваются косвенным образом при интерпретации данных дистанционного зондирования поверхности (с помощью аппаратуры , , , и др.). Несмотря на морфологическое сходство с аналогичными проявлениями этих процессов на Земле, генезис может быть отличным.

Для обобщения проявления мерзлотных процессов на Марса может быть использована классификация Л.С. Гарагули, разработанная для земных условий. Экзогенные криогенные процессы на Марсе могут быть подразделены на: собственно криогенные - полигональные формы рельефа, криогенное выветривание, морозное пучение пород; ледниковые образования; флювиальные склоновые формы и овраги; гравитационные - оползневые явления, останцовые формы образований в основании склонов (аналоги каменных глетчеров); эолового происхождения - ветровая эрозия и аккумуляция, приводящие к образованию котловин, дюн, барханов.

Работ, посвященных факту проявления полигональных форм рельефа в высоких широтах Марса достаточно много (Р.О. Кузьмин, E.J. Brook, B.K. Lucchitta, M.T. Mellon и др.). Однако в плане разработки механизма процесса они носят отрывочный и фрагментарный характер. Наиболее подробно и комплексно этот вопрос разбирается в работах И.А Комарова и В.С. Исаева, а также ряде совместных публикаций с автором диссертации (Абраменко и др., 2004; Isaev et al., 2005; и др.).

Проведенная морфометрическая и статистическая обработка типичных участков полигонального рельефа Земли (в арктических областях России и в Антарктиде) и Марса показала сходство геометрии полигонов и подобный характер гистограмм распределения их линейных размеров, но средний линейный размер марсианских полигонов оказался значительно больше их земных аналогов. Эти проявления наблюдаются в области высоких широт Марса, где по данным гамма - и нейтронной спектроскопии возможно наличие льда-I Н₂О. Расчетная оценка линейных размеров марсианских полигонов, проведенная в рамках двухслойной термоупругой модели (Комаров И.А.), показала удовлетворительную сходимость с размерами полигонов, оцененными с помощью морфометрии. Таким образом, сравнительный морфометрический и статистический анализ формы и линейных размеров полигонов на Земле и Марсе, результаты математического моделирования, а также наличие стабильного льда Н₂О в приповерхностных горизонтах Марса позволили предположить, что полигональные формы микрорельефа, отмеченные на его высоких широтах, сформировались в результате морозобойного растрескивания.

Нами совместно с Р.О. Кузьминым, И.А. Комаровым и В.С. Исаевым была создана база данных, основанная на выборке из 420 участков полигональной поверхности (Приложение 5.1). На ее основе была составлена классификация и карта распространения полигональных форм в двух проекциях. Данная классификация отражает взаимосвязь встречающихся полигональных форм с другими формами рельефа, географическим положением участка и между собой внутри классификации. Классификация позволяет выделить наиболее характерные группы полигонального рельефа по размеру, характеру пересечений полигональной сети, и сочетаний разных типов на одной территории (генерации полигонов). За основу были взяты представления о классификации полигонального рельефа на Земле, разработанной Н.Н. Романовским.

Вне рассмотрения остались вопросы: о специфике формы полигонов в районе ударных кратеров и наблюдаемой <кажущейся> ширине раскрытия ряда морозобойных трещин на Марсе, которая может достигать первых метров, что на порядок больше, чем в земных условиях. Это ставит под вопрос гипотезу о том, что наблюдаемые трещины образовались за счет процесса морозобойного растрескивания.

В качестве объекта исследования был выбран типичный марсианский кратер диаметром около 2800 м. Внутри кратера наблюдаются полигоны 2-х генераций: первая - крупные размером десятки метров, вторая - мелкие полигоны размером первые метры. Для полигональной сети первой генерации целесообразно было выделить 3 типичные зоны по морфологии полигональной сети (рис. 5). Первая зона характеризуется, в основном, четырехлучевыми пересечениями трещин и разбросом размеров полигонов от 45 до 170 м при среднем значении в 90 м, вторая зона - трехлучевым и от 35 до 290 м при среднем значении в 120 м, третья зона - это центр кратера. По мере отступления от края днища кратера пересечение трещин приобретает неупорядоченную форму. Размер полигонов второй генерации внутри первой зоны изменяется от 3 до 14 м, преобладают полигоны размером 7 м, внутри второй зоны - от 2 до 13 м с наибольшим числом 6-тиметровых полигонов. Средние величины раскрытия трещин для первой генерации составляют от 3 до 8 м, для второй - до 1,5-2 м.

Предложен механизм развития и эволюции морозобойных трещин, который обусловлен сублимацией льда со стенок трещины с последующим обсыпанием пород со стенок и преобразование первоначальной клиновидной формы в воронкообразную. Предполагается, что трещина зарождается в самое холодное время зимнего периода. В силу того, что температура по разрезу возрастает, а парциальное давление водяных паров зависит от температуры экспоненциально, то интенсивность сублимации у основания трещины будет на порядок выше, чем из приповерхностных слоев. В результате обезвоживания стенки трещины происходит ее обсыпание и образуется ниша. У основания трещины первоначальная плоскостная форма фазового перехода преобразуется в объемную, что приводит к дальнейшей интенсификации процесса. Заполняющий трещину реголит не является существенным сопротивлением переносу влаги, зато, обладая большим термическим сопротивлением, сохраняет температурный фон в нижней части трещины более высоким.

В летний период времени процесс может интенсифицироваться из-за возможного появления жидкой фазы, связанного с повышением температуры выше температуры эвтектики, и того факта, что интенсивность испарения более высока, чем интенсивность сублимации, за счет более низкой величины теплоты испарения.

Проведённое нами моделирование задачи о сублимационном иссушении марсианских пород с помощью математических моделей для летнего и зимнего периода, разработанных совместно с И.А. Комаровым, показывает, что наблюдаемое раскрытие трещины может сформироваться в течение 10000 земных лет при современных климатических условиях Марса.