Демидов Никита Эдуардович
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
|
содержание |
Актуальность темы
На ранних стадиях эволюции Марс и Земля развивались по сходному сценарию - на Марсе существовала плотная атмосфера и океан. Примерно 4 млрд. лет назад на Красной планете, возможно вследствие глобальной катастрофы, произошла климатическая перестройка - была потеряна плотная атмосфера и поверхностные водоемы. Современный Марс по совокупности условий на поверхности является холодной и сухой пустыней, но, тем не менее, это наиболее близкий аналог Земли из планет Солнечной системы.
Изучение Марса является одним из приоритетных направлений в исследовании планет Солнечной системы. В течение последнего десятилетия совершен качественный скачок в изучении планеты, который затронул такие области науки как геология, геохимия, климатология, теория атмосферы, гидросферы и криолитосферы. Основными вопросами в науке о Марсе являются поиски причин глобальной климатической перестройки и ответов на вопрос, успела ли на нем зародиться жизнь. Решение этих задач важно не только для фундаментальной науки о зарождении и эволюции Жизни и ее связи с геологическими факторами и Космосом, но имеет и большое мировоззренческое значение.
Путеводной нитью для решения этих вопросов является вопрос об истории марсианской гидросферы и ее современном статусе, что отражено в девизе марсианской исследовательской программы НАСА "Follow the water" (следуй за водой). Современные климатические условия обуславливают лишь ограниченное в пространстве и времени существование жидкой воды на поверхности Марса. Тем не менее, в приповерхностном грунте планеты имеются существенные запасы воды в форме льда и в форме связанной минералами адсорбированной и химически связанной воды.
В 2001 году с выходом на орбиту вокруг Марса космического аппарата НАСА Марс Одиссей с научным комплексом гамма-спектрометра ГРС (Gamma-Ray Spectrometer) (Boynton et al., 2002), включающего американский нейтронный спектрометр NS (Neutron Spectrometer) и российский нейтронный спектрометр ХЕНД (High Energy Neutron Detector), начался качественно новый этап изучения гидросферы планеты. Измерения нейтронного излучения от поверхности Марса этим комплексом аппаратуры позволили впервые обнаружить огромные залежи льда H2O в приповерхностном слое грунта и установить их региональное распределение (Boynton et al., 2002; Feldman et al., 2002; Mitrofanov et al., 2002; Митрофанов и др., 2004).
Диссертационная работа посвящена выявлению закономерностей распределения воды в приповерхностном грунте Марса на основе интерпретации данных нейтронного картографирования российским прибором ХЕНД. До старта межпланетной миссии 2001 Mars Odyssey нейтронное картографирование ни разу не применялось для анализа элементного состава марсианской поверхности. Обработка первых нейтронных данных позволила выявить протяженные полярные области с высоким содержанием воды, а также два района с повышенным содержанием воды на низких и умеренных широтах (Boynton et al., 2002; Feldman et al., 2002; Mitrofanov et al., 2002). В тоже время основные вопросы о природе воды в этих районах оставались нерешенными, что обусловило постановку задачи геологической интерпретации нейтронных данных, которая решается в диссертационной работе.
Цель работы
Основной целью диссертационной работы являлось выявление закономерностей распределения воды в приповерхностном грунте Марса на основе интерпретации данных нейтронного картографирования российского прибора ХЕНД. Для однозначной геологической интерпретации данных нейтронного картографирования, т.е. определения формы существования воды в грунте, уточнения ее вертикального распределения в исследуемом слое, выявления факторов, контролирующих содержание воды и объясняющих обнаруженные пространственные вариации в ее содержании, необходим совместный анализ нейтронных данных с данными других приборов, характеризующих физические свойства вещества грунта. Особый интерес в этом отношении представляют районы Северной Льдонасыщенной Мерзлоты (СЛМ) и Южной Льдонасыщенной Мерзлоты (ЮЛМ) Марса, в которых, по данным нейтронных измерений, содержание льда H2O в грунте может достигать нескольких десятков процентов (по весу).
Результаты, выносимые на защиту
1. Разработан новый метод интерпретации результатов нейтронного картографирования поверхности Марса, основанный на оценке корреляции нейтронных данных и данных по альбедо для пространственных элементов поверхности с одинаковой широтой, позволяющий выявлять закономерности распределения воды в различных широтных поясах.
2. Выполнена проверка наличия корреляции между нейтронными данными и данными по альбедо на различных широтных интервалах. Показано наличие значимой корреляции между этими данными на широтах выше 40o в северном и на широтах 40o - 60o в южном полушарии. В полосе широт 40o ю.ш. - 40o с.ш. и 60o ю.ш. - 80o ю.ш. значимая корреляция между нейтронными данными и данными по альбедо отсутствует.
3. Показано, что корреляция нейтронных данных и данных по альбедо на широтах выше 40o в северном и на широтах 40o - 60o в южном полушарии свидетельствует о наличии в этих районах стабильного грунтового льда H2O под сухим слоем грунта. Толщина сухого слоя определяется условием равновесия между конденсацией воды из атмосферы и ее сублимацией под воздействием солнечного излучения.
4. Показано, что отсутствие корреляции нейтронных данных и данных по альбедо в полосе широт 60o ю.ш. - 80o ю.ш. свидетельствует, что толщина сухого грунта, перекрывающего льдонасыщенный грунт, не соответствует условию равновесия между поверхностью льдонасыщенного грунта и атмосферой.
5. Для широт выше 40o в северном и для широт 40o - 60o в южном полушарии получена эмпирическая зависимость между потоком поглощенного солнечного излучения и толщиной верхнего сухого слоя над льдонасыщенным грунтом, позволяющая на основании наблюдательных данных приборов ХЕНД и МОЛА проводить оценку глубины залегания льдонасыщенного грунта с суб-километровым разрешением.
Научная новизна
Диссертация основана на интерпретации наблюдений, полученных в результате нейтронного картографирования Марса российским прибором ХЕНД на борту КА 2001 Mars Odyssey. Часть используемых в работе данных прибора ХЕНД нигде ранее не публиковалась.
Впервые предложена методика поиска взаимосвязи между нейтронными данными и физическими характеристиками поверхности на основе расчета парных коэффициентов корреляции для групп пикселей с одинаковой широтой. Такой подход позволил впервые обнаружить области, где существует значимая корреляция между нейтронными данными и другими характеристиками поверхности.
Впервые выявлен один из главных факторов, контролирующих глубину залегания льдонасыщенного грунта в определенных районах в пределах ЮЛМ и СЛМ. Объяснены причины широтных отклонений ЮЛМ и СЛМ.
Впервые удалось доказать наличие на Марсе льда H2O под слоем сухого грунта в полосе широт 40-60o с.ш. и 40-60o ю.ш. В результате, существенно расширились в сторону средних широт области мерзлотных районов.
Впервые получена эмпирическая зависимость между потоком поглощенного солнечного излучения и толщиной верхнего сухого слоя, которая позволяет предсказывать глубину залегания льдонасыщенного грунта с субкилометровым разрешением, основываясь на данных измерений альбедо в ближнем инфракрасном диапазоне.
Научная и практическая ценность работы
Первые результаты нейтронного картографирования Марса прибором ХЕНД позволили выявить области, грунт которых содержит значительные количества воды. Геологическая интерпретация этих данных, проведенная в данной работе путем совместного анализа с данными измерения разных физических характеристик поверхности другими приборами, позволила сделать ряд фундаментальных выводов о природе мерзлотных областей и современном распространении и поведении воды в приповерхностных горизонтах на Марсе, которые не могли быть сделаны только на основе нейтронных данных. Выявлен один из главных факторов, контролирующий глубину залегания льдонасыщенного грунта в определенных районах в пределах ЮЛМ и СЛМ, уточнены границы этих районов, объяснены их широтные отклонения и выяснены особенности распределения льда воды в районах ЮЛМ и СЛМ.
Если первые результаты нейтронного и ядерного картографирования показали наличие льда воды, начиная примерно с 60-ой широты, то результаты, составляющие диссертационную работу, говорят о наличии воды под маломощным слоем грунта, начина с широты уже 40o в обоих полушариях. Средние широты более благоприятны для работы посадочных аппаратов на поверхности Марса, что значительно повышает срок их работы по сравнению с высокими широтами. Поэтому, будущие эксперименты по поиску марсианской воды, ее доставке на Землю и поиску жизни могут быть проведены на средних широтах, Основываясь на эмпирической зависимости, возможно определение районов с наиболее близким к поверхности залеганием льдонасыщенного грунта, которые могут стать потенциальными точками посадки спускаемых аппаратов со специальной аппаратурой для поиска простейших форм жизни.
В результате анализа данных прибора ХЕНД созданы методики геологической интерпретации нейтронных данных, которые могут быть применены для обработки данных нейтронной спектрометрии других планет земной группы. Наиболее осязаемые перспективы в этой области связаны с исследованиями Меркурия (к которому недавно стартовал межпланетный американский космический аппарат Messenger) и Луны (в июне 2009 года на орбиту Луны выведен космический аппарат NASA LRO, на борту которого начал поиск воды в полярных вечно затененных кратерах российский нейтронный детектор LEND).
Апробация работы
По теме диссертации автором были сделаны доклады на 3-ем Съезде геокриологов России (МГУ, 2005) и следующих международных конференциях: IV European Astrobiology workshop (Англия, 2004); II European Permafrost Conference (Германия, 2005); American Geophysical Union Meeting (2006, США); Lunar and Planetary Conference XXXVII, XXXVII (2007, 2008 США); Second MSL landing site selection workshop (США, 2007), European Planetary Science Congress (2009, Германия); Международные совещания посвященные анализу данных ХЕНД (Россия, 2007-2010).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она изложена на 197 страницах текста и сопровождается 53 иллюстрациями и 10 таблицами. Список литературы включает 97 наименований.
Благодарности
Автор искренне благодарен своим научным руководителям: д.г. - м.н. Гиличинскому Д.А. и д.ф. - м.н. Митрофанову И.Г. за возможность совместного научного поиска. Д.А. Гиличинский сделал много для самой постановки задачи "геологического взгляда" на результаты нейтронного картографирования Марса. Большое значение также имело участие в экспедиционных работах в Арктике и Антарктике на земных аналогах мерзлоты Марса под руководством Д.А. Гиличинского. Данная работа была бы невозможна без непосредственного участия руководителя эксперимента ХЕНД И.Г. Митрофанова, с которым тщательно прорабатывались все выявленные эффекты, и который учил меня "разговаривать" с Природой на языке физики и математики. Отдельное спасибо д.ф.-.м.н. Литваку М.Л. и к.ф.-м.н. Санину А.Б. за постоянную помощь в грамотном использовании методов программирования и статистики, выходящих за пределы стандартного "арсенала" геологических методов, но без которых невозможна работа с данными нейтронного картографирования.
| 
