Закономерности распределения воды в приповерхностном грунте Марса, установленные на основе интерпретации данных нейтронных измерений

Глава 5. Обсуждение и интерпретация результатов корреляционного анализа.

Экваториальный широтный пояс I (40^o ю.ш. - 40^o с.ш) - область вероятного нахождения связанной воды и/или реликтовых льдов

Отсутствие корреляции в экваториальном широтном поясе I (40^o ю.ш. - 40^o с.ш) означает, что содержание воды в грунте не находится в зависимости от температурных условий на поверхности. Вариация потока нейтронов в этом поясе определяется, главным образом, вариациями в содержании в нем связанных форм воды. Солнечная радиация не является главным фактором, определяющим содержание воды в грунте этого пояса.

Широтные пояса II (выше 40^o с.ш) и III (40^o - 60^o ю.ш.) - районы льдосодержащего грунта, перекрытого равновесным сухим слоем

Сопоставление нейтронных данных прибора ХЕНД (Mitrofanov et al., 2002; Митрофанов и др., 2004: Litvak et al., 2006) и данных по гамма-излучению прибора ГРС (Boynton et al., 2007) показало, что распределение льда в приповерхностном слое хорошо описывается простой двухслойной моделью. Эта модель предполагает наличие верхнего сухого слоя с переменной толщиной h и нижнего слоя с переменным содержанием воды ς. Для объяснения обнаруженного эффекта корреляции в поясах II и III с использованием двухслойной модели грунта предполагается, что верхний сухой слой имеет физическую природу РСС и, что именно с изменением его толщины hРCС связаны пространственные вариации нейтронного потока.

Для проверки этого предположения были выбраны четыре широтных интервала в пределах поясов II и III с высокой корреляцией нейтронного потока и альбедо (а) (50^o с.ш. - 55^o с.ш.), (б) (60^o с.ш. - 65^o с.ш.), (в) (70^o с.ш. - 75^o с.ш.) в северном полушарии и (г) (55^o ю.ш. - 60^o ю.ш.) в южном полушарии (рис. 5). На основе анализа данных прибора ХЕНД было оценено наилучшее значение параметра толщины верхнего сухого слоя h_РCС^(*) для двухслойной модели отдельно для каждого пространственного элемента 5^o õ 5^o, принимая содержание воды в нижнем слое равным максимальному значению для соответствующего широтного интервала (описание процедуры этой оценки см. в Литвак и др., 2006). Для каждого пространственного пикселя мы провели расчет параметра нагрева W, равного потоку поглощаемой грунтом солнечной энергии в полдень в середине лета. Параметр нагрева зависит от доли потока поглощенной солнечной радиации (100 - A₁₀₆₄), от угловой высоты Солнца над горизонтом (|φ| - ε) в полдень в середине лета, (где φ - широта места и ε = 25.2^o - наклон оси вращения Марса к плоскости орбиты) и от расстояния до Солнца. Его можно представить в следующем виде:

W = μF0 (100 - A1064).cos (|φ| -ε)

(1)

где F₀ - поток солнечной энергии при среднем за год расстоянии Марса от Солнца, а коэффициент μ отражает разницу расстояний Марса до Солнца в середине северного и южного лета вследствие эллиптичности орбиты. Он равен μ_N = 0.85 для северного и μ_S = 1.2 для южного полушарий (Демидов и др., 2008).

Расчеты показали, что для каждого из четырех выбранных широтных интервалов имеется значимая корреляция между значениями h_РCС^(*) и W : C_{[50^o с.ш. -55^o с.ш.]} = +0.49, C_{[60^o с.ш. -65^o с.ш.]} = +0.64, C_{[70^o с.ш. -75^o с.ш.]} = +0.73 и C_{[55^o ю.ш. - 60^o ю.ш.]} = +0.58. При объединении значений всех четырех интервалов в одну совокупность, коэффициент корреляции возрастает до +0.77. Физическая зависимость толщины верхнего сухого слоя от величины нагрева показана на рисунке 7. Таким образом, проверяемое предположение можно считать верным - пространственная вариация потока нейтронов в широтных поясах II (40^o с.ш. - 80^o с.ш.) и III (40^o ю.ш. - 60^o ю.ш.) хорошо объясняется изменением толщины РCС, которая определяется величиной поглощаемой солнечной энергии.

Рис. 7. Диаграммы рассеяния значений (h(*), W) для четырех широтных интервалов с высокой корреляцией [50o с.ш. - 55o с.ш.] (*), [60o с.ш. - 65o с.ш.] (Δ), [70o с.ш. - 75o с.ш.] (+), [55o ю.ш. - 60o ю.ш.] (◊).

Широтный пояс IV (выше 60^o ю.ш) - район льдосодержащего грунта, перекрытого неравновесным сухим слоем

Из данных измерений потоков нейтронов и гамма-лучей известно, что в грунте широтного пояса IV присутствует большое количество льда H₂O (от 20 до 50% по массе) под слоем сухого грунта толщиной 10 - 15 см (Litvak et al., 2006; Boynton et al., 2007). Отсутствие в этом поясе корреляции между потоком нейтронов и альбедо в ближнем ИК диапазоне указывает, что в настоящий момент глубина залегания льдосодержащего грунта не определяется равновесием между конденсацией и сублимацией воды - т. е. льдосодержащий грунт покрыт Неравновесным Сухим Слоем (НСС). Образование НСС в широтном поясе IV может быть объяснено двумя причинами. Во-первых, можно предположить, что НСС в поясе IV образовался в других климатических условиях и имеет достаточную большую толщину для изолирования льда от атмосферы и низкую проницаемость для предотвращения диффузии водяного пара. Во-вторых, можно предположить, что в настоящее время поверхность льдонасыщенного грунта сохраняет контакт с атмосферой, но толщина верхнего сухого слоя не находится в равновесном состоянии. Известно, что весна и, в меньшей степени, лето, на высоких широтах южного полушария сопровождаются регулярными пылевыми бурями с перемещениями больших масс пылевого материала (Smith, 2004). Именно в районе широтного пояса IV зафиксированы максимальные изменения альбедо со времени наблюдений поверхности Марса приборами проекта Викинг (Fenton, 2007). Если в широтном поясе IV за характерное время формирования РСС, выпадают или сносятся значительные массы пылевого вещества и происходят значительные изменения альбедо поверхности, то равновесная глубина льдосодержащего грунта не успевает установиться. По нашему мнению, основной эффект от пылевых бурь, влияющий на процесс установления равновесной глубины льдосодержащего слоя, состоит в изменении ИК альбедо поверхности. Появление на поверхности нового слоя пыли толщиной в несколько микрон может существенно изменить поток поглощаемой солнечной энергии путем изменения альбедо поверхности и, следовательно, изменить величину равновесной глубины залегания льда.

В заключительной пятой главе диссертации отдельное внимание уделено описанию методики оценки глубин залегания льдонасыщенного грунта в широтных поясах 40^o с.ш. - 80^o с.ш. и 40^o ю.ш. - 60^o ю.ш.. Используя значения параметров (h_РCС^(*) и W) для всех четырех широтных интервалов (рис. 7), можно найти простую эмпирическую зависимость между толщиной h_РСС слоя РСС над льдосодержащим грунтом и параметром нагрева W:

hРCС = k( W - W0),

(2)

где коэффициент прогрева k = 0.95 см/% имеет физический смысл приращения толщины сухого слоя (в см) в данной точке при уменьшении альбедо на 1%. Предельное значение параметра нагрева W₀ = 20% соответствует такому потоку энергии вглубь от поверхности, при котором толщина верхнего сухого слоя обращается в 0, т.е. при котором лед может стабильно существовать на поверхности.

Количество солнечной энергии, попадающей в грунт, в первом приближении определяется широтой местности и альбедо поверхности, что позволяет, используя нейтронные оценки средней глубины залегания льдонасыщенных пород, строить карты залегания льдонасыщенного грунта с субкилометровым разрешением на основании данных по альбедо поверхности. Этот метод уже сейчас может быть применен для поиска оптимальных районов посадки мобильного аппарата Марсианской Научной Лаборатории 2011 года и перспективных аппаратов, в задачу которых будет входить отбор образцов грунта и доставка на Землю. Посадка такого аппарата в районе с неглубоким залеганием водяного льда позволит выполнить важнейшую научно-техническую задачу по доставке для исследований на Земле образцов марсианского льда Н₂О.