Содержание к диссертации
Глава 1. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ФОБОСА1.1. История открытия Фобоса
1.2. Телескопические наземные и орбитальные наблюдения Фобоса
1.3. Исследования Фобоса космическими аппаратами
1.4. Гипотезы происхождения Фобоса
1.4.1. Гипотезы аккреции
1.4.2. Гипотезы захвата
1.5. Заключение к Главе
Глава 2. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ФОБОСА
2.1. Ударные кратеры
2.1.1. Морфологические типы кратеров
2.1.2. Режимы кратерообразования
2.1.3. Определение плотности кратеров
2.2. Борозды
2.2.1. Классы и типы борозд
2.2.2. Гипотезы происхождения борозд
2.3. Морфометрия кратеров и борозд с учетом новых данных
2.3.1. Построение топографических профилей и их анализ
2.3.2. Совместный анализ новых снимков Фобоса и карты высот Солнца над горизонтом
2.4. Отложения выбросов и реголит
2.4.1. Морфология камней и их пространственное распределение
2.4.2. Методика подсчета камней и их распределение по размерам
2.4.3. Распределение каменистых фрагментов на поверхности Фобоса с учетом данных по астероиду Эрос
2.5.Склоновые процессы на поверхности Фобоса
2.5.1. Первый тип склоновых процессов
2.5.2. Второй тип склоновых процессов
2.5.3. Причины склоновых процессов на Фобосе
2.5.4. Крупномасштабный оползень в кратере Стикни
2.5.5. Принцип построения модели
2.5.6. Моделирование движения оползня в кратере Стикни
2.5.7. Обсуждение результатов моделирования
2.6. Заключение к Главе
Глава 3. ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ФОБОСА
3.1. Обзор спектральных данных Фобоса
3.2. Процессы космического выветривания на безатмосферных небесных телах и их моделирование
3.3. Изучение возможного влияния микрометеоритной бомбардировки на оптические свойства поверхности Фобоса
3.3.1. Описание экспериментов
3.3.2. Описание результатов экспериментов
3.3.3. Минералогическое и петрографическое изучение полученного вещества
3.3.4. Спектры отражения полученного вещества
3.4. Обсуждение результатов
3.5. Заключение к Главе
Глава 4. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МОДЕЛИ И МОДЕЛЕЙ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ФОБОСА ДЛЯ ПРОЕКТА «ФОБОС-ГРУНТ»
4.1. Выбор места посадки КА «Фобос-Грунт»
4.2. Инженерная модель поверхности Фобоса
4.2.3. Характеристики поверхности районов предполагаемого места посадки
4.4. Заключение к Главе
Введение к работе
Ближайший спутник Марса - Фобос — является малым телом неправильной формы (рис. 1.1) со средним радиусом сферы эквивалентного объема 11 км. Его основные размеры составляют 27x22x19 км (Duxbury, 1978). Среднее геометрическое альбедо поверхности Фобоса оценивается в 0.068 + 0.007 (Simonclli et al., 1998) - поэтому его принято сравнивать с низкоальбедными астероидами. Масса Фобоса равна (1.082+0.001)х10'^г (Колюка и др., 1994), а его средняя плотность составляет 1.9+0.1 г/см^ (Жуков, Мёрчи, 1994), по другим данным - 1.53+0.1 г/см (Smith et al., 1995). Столь низкая величина средней плотности может объясняться очень высокой пористостью -50% (Bell et al., 1993). Если же считать, что Фобос это захваченный Марсом представитель тел внешнего пояса астероидов (Fanale, Salvail, 1990), не подвергавшихся значительному нагреву, то причиной его малой плотности может быть присутствие в его недрах значительного количества льда (Bell et а!., 1993).
Сравнительно низкая средняя плотность Фобоса и его небольшие размеры обусловливают, в свою очередь, очень низкие значения ускорения силы тяжести на его поверхности от 0.33 см/с^ до 0.63 см/с^ (Davis et al., 1981), то есть в 1500-3000 раз ниже, чем на Земле.
Поверхность Фобоса может быть аппроксимирована трехосным эллипсоидом с полуосями А=13.5 км; В=11 км и С=9.5 км (Duxbury, 1978). Большая ось такого эллипсоида (А) пересекает главный меридиан Фобоса и направлена к центру Марса. Спутник вращается вокруг малой оси (С), направленной перпендикулярно к плоскости орбиты к северу, против часовой стрелки. Фобос обладает синхронным вращением с Марсом, то есть, обращаясь около планеты по почти круговой орбите, он всегда повернут к Марсу одной и той же стороной.
Орбита Фобоса лежит практически в плоскости экватора Марса, ее радиус составляет
9378 км от центра планеты. Фобос при своем обращении обгоняет вращение планеты и три раза в сутки восходит на западе и заходит на востоке небосвода Марса. Таким образом, его угловая скорость втрое выше скорости вращения самого Марса. Дело в том, что орбита Фобоса расположена ближе к Марсу, чем орбита синхронного (или стационарного) спутника, угловая скорость обращения которого совпадает с угловой скоростью вращения планеты вокруг собственной оси. Такой спутник мог бы находиться на расстоянии около
6RM (RM - радиус Марса), а Фобос находится на расстоянии 2.76RM (Берне, 1981). Причем, из-за приливного трения Фобос постепенно приближается к планете. Кроме того, орбита Фобоса находится ближе к Марсу, чем предел Роша (Dobrovolskis, Bums, 1980). Под этой Рис. 1.1. Изобрамсения Фобоса: а - вид Фобоса на фоне Марса (снимок КА «Фобос-2»); б - кратер Стикни (9 км в
диаметре) на снимке 854а1,2 КА «Viking Orbiter»; в - кратер Стикни и борозды (снимок 357аб4 КА «Viking Orbiter»); г - фронтальный вид кратера Стикни на снимке 73Ь03 КА « Viking Orbiter».
величиной понимают предельное расстояние, на котором жидкий спутник данной плотности (1.9 г/см )^ был бы разорван приливными силами. В настоящее время Фобос не разрушается только за счет сил внутреннего сцепления.
Со времени открытия (с конца XIX века) появилось несколько направлений исследований Фобоса. Особую актуальность они получили в 70-е годы XX века, когда началась эра космических полетов к Фобосу, с тех пор можно выделить следующие основные направления в его изучении.
1. Изучение геологического строения Фобоса. Прежде всего, это изучение морфологии поверхности. В настоящее время можно судить о геологическом строении Фобоса только по изображениям, полученным с помощью межпланетных космических аппаратов. Снимки КА «Mariner-9» и «Viking-Orbiter» позволили выделить и изучить на Фобосе такие формы рельефа, как кратеры и борозды. Но до недавнего времени в литературе не было никаких описаний заметных форм склонового перемещения реголита на поверхности Фобоса, за исключением неотчетливых альбедных полос на стенках нескольких кратеров, которые интерпретировались как возможные осыпные шлейфы. Такие характеристики кратеров и борозд, как их глубины и крутизна их склонов до недавнего времени были изучены только качественно. Доступное на сегодняшний день изучение гранулометрического состава реголита Фобоса — это изучение распределения камней на его поверхности. Изучение новых изображений, полученных с помощью КА «Mars Global Surveyor», «Mars Express» и «Mars Reconnaissance Orbiter», дает возможность расширить наши знания о склоновых процессах, морфометрии кратеров и борозд, а также о строении реголита Фобоса.
2. Изучение веш,ественного состава Фобоса, о котором пока можно судить только по оптическим свойствам его поверхности в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра. Эти данные неоднозначны и противоречивы. Низкое альбедо поверхности и низкая средняя плотность Фобоса, а также спектральные характеристики, полученные еще в конце 70-х годов, привели к предположению, что по составу материал этого спутника Марса больше всего похож на углистые хондриты типа СМ. Однако дальнейшие исследования показали, что поверхность Фобоса неоднородна и состоит из двух оптически разных материалов, ни один из которых не соответствует спектрам СМ-хондритов. Спектры Фобоса, полученные впоследствии разными космическими аппаратами, а также с помощью орбитального телескопа Хаббла и наземных телескопов, во многом не согласуются между собой и не соответствуют ни одному из известных спектров астероидов и метеоритов. Одним из объяснений такого несоответствия может быть тот факт, что спектральные кривые содержат информацию только о самом внешнем слое реголита, подверженном процессам космического выветривания, факторами которого являются микрометеоритная бомбардировка и различные виды космического излучения. Лабораторное моделирование таких процессов с помощью вещества-аналога реголита Фобоса позволяет приблизиться к решению этой проблемы.
3. Остается загадочным происхождение Фобоса. На сегодняшний день существует, по крайней мере, две гипотезы. 1) Фобос образовался из протопланетного облака одновременно с Марсом. 2) Фобос - это астероид, захваченный Марсом из главного пояса. Детальное изучение геологического строения и вещественного состава Фобоса с помощью полета КА «Фобос-Грунт» в конечном итоге приведет к прогрессу в разрешении загадки его происхождения. Обобщение имеющихся на сегодняшний день данных о Фобосе, создание инженерной модели его поверхности, а также моделей шероховатости, необходимых для успешной посадки КА, является научным вкладом в подготовку этой миссии.
Актуальность работы: Фобос привлекает особое внимание тех, кто исследует Солнечную систему. Во-первых, Фобос удобный форпост для детальных исследований Марса. Доставка на Землю образцов вещества Фобоса — логичный первый шаг для организации доставки на Землю образцов с самого Марса, и такой шаг запланирован в рамках российского проекта «Фобос-Грунт». В свою очередь, для осуш,ествления проекта необходимо знать, что собой представляет поверхность Фобоса — ведь на нее надо сесть, взять образцы и улететь на Землю. Необходимо представлять, каков рельеф Фобоса в разных масштабах: типичные формы рельефа, уклоны поверхности на разных базах, наличие опасных для посадки камней. Кроме того, для определения типа грунтозаборного устройства надо иметь представление о типе вещества, которое планируется забирать. Для решения перечисленных задач необходимо, используя космические снимки, дистанционные определения оптических спектров поверхности и модельные эксперименты, изучать геологическое строение Фобоса, его вещественный состав и разработать инженерные модели поверхности, что и сделано в представляемой работе.
Во-вторых, Фобос интересен независимо от планов исследования Марса. Он интересен сам по себе, как представитель многочисленного семейства малых тел Солнечной системы, а малые тела интересны в контексте сравнительно-планетологического анализа всех твердых тел Солнечной системы. На малых телах нет вулканизма и тектоники, нет атмосферы и гидросферы, и главными процессами, определяющими их облик, являются ударное кратерообразование, склоновые процессы и космическое выветривание вещества поверхности. В работе исследуются разные стороны этих природных процессов реализующихся в весьма специфической обстановке: космический вакуум, очень малая сила тяжести и т.д.
В-третьих, Фобос интересен загадкой его происхождения. Является ли он захваченным астероидом или это остаток тех блоков исходного вещества - планетезималей - из которых был «собран» Марс? В представляемой работе не исследуется проблема происхождения Фобоса, но успех проекта «Фобос-Грунт», очевидно, приведет к прогрессу в решении этого вопроса.
Целью работы было на основе обобщения результатов своих исследований и данных других авторов продвинуться в понимании той совокупности процессов, которые создали наблюдаемые в настоящее время рельеф и вещество поверхности Фобоса, что, в свою очередь, необходимо для научного обеспечения и сопровождения миссии «Фобос-Грунт».
Задачи работы. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
• изучить морфометрию кратеров и борозд, склоновых процессов и строения реголита (в части распределения каменистых фрагментов на поверхности Фобоса);
• исследовать возможноое влияние микрометеоритной бомбардировки на оптические свойства поверхности Фобоса и происходящие в результате минералогические и петрографические изменения вещества;
• принять непосредственное участие в создании инженерной модели и моделей шероховатости поверхности Фобоса.
Научная новизна работы: 1. Впервые детально описаны морфологические признаки склоновых процессов на поверхности Фобоса. Выделены два типа перемещения материала на склонах: 1) объемные внутрикратерные оползни; 2) перемещение поверхностного слоя реголита. В результате оценки объема оползня в кратере Стикни и моделирования его движения доказывается, что он относится к дальнопробежному типу оползней. 2. Впервые экспериментально продемонстрировано значительное влияние импульсного плавления и повторной кристаллизации вещества-аналога реголита Фобоса на его оптические характеристики. В частности, причиной спектрально наблюдаемой дегидратации поверхности D- и Р-астероидов, а также спутников Марса, очевидно, является микрометеоритная бомбардировка, приводящая к образованию на этих телах зрелого дегидратированного реголита. 3. В соавторстве с коллегами по ГЕОХИ РАН разработана инженерная модель поверхности Фобоса, рекомендованная для проекта миссии «ФобосГрунт». 4. В развитие инженерной модели разработаны три уровня моделей шероховатости поверхности Фобоса.
Практическое значение работы: Результаты работы используются в космической промышленности для проектных разработок миссии «Фобос-Грунт».
Защищаемые положения: I. 1. На поверхности Фобоса нами обнаружены склоновые процессы двух типов: объемное смещение материала в виде внутрикратерных оползней; смещение несвязного материала в виде осыпных шлейфов, простирающихся от разрушенных кратеров на крутом внутреннем склоне Стикни, а также локальное оползание тонкого поверхностного слоя материала вдоль пологого внешнего вала Стикни.
2. Катастрофический оползень в кратере Стикни (объёмом 1-2 км''), сошедший с западной и северо-западной внутренних стенок кратера, можно уверенно отнести к дальнопробежному типу оползней.
II. I. Импульсное плавление и повторная кристаллизация веш,ества могут оказывать значительное влияние на минералогические, петрографические и оптические свойства самого верхнего слоя реголита безатмосферных тел. В результате этого процесса происходит дегидратация веш;ества, а, следовательно, сглаживание спектров отражения.
Минералогические изменения включают в себя образование стекол плавления, кристаллизацию оливина, состав которого отличен от состава оливина исходного вещества, и накоплению богатых железом субмикронных частиц в остаточном расплаве, что приводит к затемнению и «покраснению» спектров отражения реголита Фобоса.
2. Вещество поверхности безатмосферных тел, имеющих состав углистых хондритов типа СМ и, возможно, CI, обладает значительно большей легкоплавкостью и подвергается большим изменениям при микрометеоритных ударах, по сравнению с телами, имеющими состав обыкновенных хондритов.
III. I. Инженерная модель поверхности Фобоса характеризует как физические свойства грунта, так и морфологию поверхности в планируемых районах посадки ПМ «Фобос-Грунт».
2. Разработка моделей шероховатости поверхности является необходимым элементом планирования посадки космического аппарата «Фобос-Грунт».
Апробация работы: Основные результаты работы обсуждались и докладывались: 1) на семинарах лаборатории сравнительной планетологии (г. Москва, ГЕОХИ РАН); 2) на международных конференциях по сравнительной планетологии «Vemadsky-Brown Microsymposium» (2000-2008), г. Москва, ГЕОХИ РАН; 3) на международных конференциях по планетологии «Lunar and Planetary Science Conference» (2000-2008), г. Хьюстон, США; 4) на Ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (2003, 2004) г. Москва, ГЕОХИ РАН; 5) на международной конференции «1^' Mars Express Science Conference», 2005, г. Ноордвик, Нидерланды.
Публикации по теме диссертации. По результатам исследований опубликовано 20 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из одного тома, включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы и два приложения. Содержит 58 рисунков и 24 таблицы. Библиографический список включает 165 наименования.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность своему научному руководителю Александру Тихоновичу Базилевскому, а также Руслану Олеговичу Кузьмину, который был научным руководителем во время обучения автора в аспирантуре, за помощь в организации исследований, терпение и творческую поддержку. Автор благодарит за помощь, поддержку, ценные советы и обучение методам работы сотрудников лаборатории сравнительной планетологии и лаборатории метеоритики. Особую благодарность автор выражает Е.В. Забалуевой, без активного содействия которой эта работа могла не состояться. Автор благодарит Л.В. Мороз за огромную помощь и поддержку. Автор выражает искреннюю благодарность А.В. Фисенко и Л.Ф. Семеновой за проведение экспериментов по облучению образцов импульсным лазером, И.А. Рощиной зарентгенофлуоресцентные анализы, Н.Н. Коротаевой, Е.В. Гусевой и Н.Г. Зиновьевой (МГУ) за электронно-зондовые анализы и фотографирование образцов в отраженных электронах, Т.Хирои и К. Питере (Университет Брауна, США) за измерение спектров отражения, Г. Нойкуму, Б. Гизе, К. Гвиннеру и Вернер (Институт планетных исследований, Берлин, Германия) за предоставление новых данных и помощь в их обработке, Е.Г. Рузского (НПО им. А. Лавочкина) за сотрудничество. Вещество метеоритов для исследования было получено из коллекции КМЕТ РАН. Образцы серпентина и кальцита любезно предоставлены А.В. Ухановым, а керита — А.В. Корочанцевым. Автор посвящает работу своей маме К.Б. Шингаревой.
