Изучение эволюции поверхности Марсапо данным статистического анализакратерной популяции тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга

На правах рукописи У$£523.3

МАЙКЛ Грегори Гордон

Изучение эволюции поверхности Марса по данным статистического анализа кратерной популяции

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

по специальности 01.03.02 - астрофизика и радиоастрономия

МОСКВА 2000

Работа выполнена в Государственном астрономическом институте им. П.К.Штернберга Московского государственного университета им. М.В Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

В.В.Шевченко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Е.Л.Рускол

доктор физико-математических наук Л.В.Ксанфомалити

Ведущая организация: Институт прикладной математики РАН

Защита состоится 16 ноября 2000 г. в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д 053.05.51 Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова по адресу Москва 119899, Университетский проспект, 13, в конференц-зале ГАИШ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАИШ (Университетский пр., 13).

Автореферат разослан 16 октября 2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

кандидат физико-математических наук Л. Н. Бондаренко

ВСГУ./У-ЩОЗ

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Кратерные популяции на поверхностях твердых тел Солнечной системы являются одной из самых существенных характеристик рельефа. Они представляют собой свидетельство периода окончания формирования, внешних оболочек планет и одновременно говорят о свойствах популяции ударников в прошлом и настоящем. Кратеры могут служить не только инструментом исследования ударников, но и самих планет. Исследуя реакцию поверхностных слоев на удар высокоскоростного метеороида, можно понять физические свойства материала поверхности.

У кратеров на поверхности Марса имеется несколько особенностей, которые указывают на уникальность этой планеты.

Распределение кратеров по плотности позволяет оценить относительный возраст избранных районов поверхности и построить стратиграфическую шкалу для исследуемых элементов рельефа. Вместе с другими данными, такими как независимо измеренные радиоизотопные возрасты пород, можно осуществить калибровку стратиграфической шкалы, и таким образом получить абсолютную временную шкалу эволюции тела.

С другой стороны, тщательный анализ популяции кратеров на поверхности планеты при определенных предположениях позволяет оценить общую интенсивность потока возможных ударников и ее вариации в течение времени существования планетной системы. Следовательно, популяции кратеров любого планетного тела -

бесценная историческая летопись всей совокупности ударных процессов, происшедших в течение эволюции Солнечной системы. Задача состоит в том, как правильно читать эту летопись.

Каталоги кратеров обеспечивают гибкий источник данных, который можно применять в решении ряда различных задач: при анализе возраста поверхностей, определяемому по отношению размера кратеров к их частоте; при исследовании структуры флюидизированных выбросов, определяющих уровни залегания льда и т.д.

В связи с открытием остаточного магнетизма в южном полушарии Марса в 1999г. естественно исследовать, как он связан с ударными кратерами. Поскольку магнетизм возник при формировании коры, кратеры, которые мы видим сегодня, наверняка образовались позже, и крупнейшие из них должны были влиять на структуру остаточных магнитных полей.

Данные по измерениям высот на Марсе, полученные с высоким разрешением, свидетельствуют в пользу идеи о существовании древнего океана в области северных равнин. Если климатические условия были благоприятны для существования воды в течение длительного геологического времени, то можно предположить существование резервуаров поверхностной воды и в других местностях и попытаться найти соответствующие доказательства. Очень низкая плотность кратеров в районах былого присутствия воды оказывается одним из таких доказательств.

Цель исследования

В работе были поставлены следующие цели:

1. общий статистический анализ кратерной популяции Марса на основе Морфологического каталога кратеров Марса, составленного в ГАИШ МГУ;

2. сравнение Морфологического каталога кратеров Марса ГАИШ и Каталога кратеров Марса, составленного Н. Барло (США);

3. составление регионального каталога всех разрешаемых кратеров по данным съемок области кратера Ньютон и его статистический анализ;

4. построение компьютерных моделей эволюции кратерных популяций на Марсе;

5. выявление особенностей кратерных популяций, связанных с наличием в прошлом открытых водоемов на поверхности Марса;

6. исследование взаимосвязи кратерных популяций с наличием областей остаточного магнетизма на Марсе.

Научная новизна

1. Впервые были составлены глобальные карты плотности распределения кратеров с различными морфологическими признаками и параметрами.

2. Создан новый региональный каталог 7480 кратеров, разрешаемых в области кратера Ньютон (150-210° з.д., 30-60° ю.ш.), по изображениям, полученным космическими аппаратами «Викинге с разрешением 270 м/пиксел.

3. Разработаны компьютерные модели эволюции поверхности под воздействием потока тел-ударников.

4. Выполнено оригинальное совмещение изображений рельефа поверхности с высотными данными для изучения областей предполагаемых древних озер на марсианских материках.

5. Впервые выполнено отождествление морфологической структуры областей предполагаемых ударов в неглубокую воду.

6. Впервые исследовано соотношение крупных кратеров и остаточного магнетизма коры и общих закономерностей распределения кратеров в районе сильных магнитных полей.

Практическая значимость работы

Следующие разработки, созданные при выполнении диссертации, могут быть использованы для методического обеспечения аналогичных исследований:

1. Полуавтоматическая методика для измерения координат и диаметров по электронным изображениям.

2. Программа для построения перекрестных ссылок между двумя каталогами, позволяющая выполнять детальное сравнение независимо полученных данных.

3. Методика совмещения фотографических и высотных данных для исследования структуры планетной поверхности.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Общий объем рукописи 150 страниц, в списке литературы приведено 73 ссылок. Диссертация содержит 69 рисунков и 8 таблиц. В приложении приведены компьютерные программы, разработанные в процессе проведенного исследования, и составленные автором каталоги кратеров Марса.

Личный вклад автора

1. Автор участвовал в обработке данных Морфологического каталога кратеров Марса ГАИШ и самостоятельно подготовил файлы для его издания.

2. Разработал методику сравнительного анализа каталогов.

3. Разработал программы математического моделирования кратерных популяций.

4. Разработал и применил методику совмещения альтиметрических данных Марс Глобал Сервейера с фотографическими изображениями поверхности.

5. Выявил наличие возможных палеоозер и отождествил морфологические характеристики образований, связанных с ударными процессами.

6. Оценил толщину коры в районе остаточного магнетизма по влиянию крупных ударов.

Апробация

Основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертации, докладывались автором и обсуждались на следующих конференциях:

1. 32nd Vernadsky-Brown Microsymposium, Moscow, Russia 2000

2. 30th Vernadsky-Brown Microsymposium, Moscow, Russia 1999.

За доклад на этой конференции автор получил специальную награду "Outstanding Student Award" Университета им.' Броуна, США.

3. САММАС 99 International conference, Vinnytsia, Ukraine 1999

Посетил астроблему Иллинцы, возраст которой 400 млн. лет, диаметром 6 км.

4. ESF Impacts and the Early Earth Workshop, Cambridge, UK 1998

5. 28th Vernadsky-Brown Microsymposium, Moscow, Russia 1998

6. 3rd International Conference on the Exploration and Utilization of the

Moon, Moscow, Russia 1998

7. Short course on the Geochemical evolution of the Solar System,

Pescaro, Italy 1998

8. 26th Vernadsky-Brown Microsymposium, Moscow, Russia 1997

Краткое содержание работы

Во введении дается краткое описание проблем, затронутых в диссертации, ставятся цели и обосновывается актуальность данной работы.

В первой главе «Ударные явления» дан краткий обзор исследования ударных процессов: история исследования, морфология ударных форм, процесс образования кратеров, характеристики кратерных популяций и классификация тел-ударников.

Во второй главе «Каталоги кратеров Марса» рассматриваются и сравниваются различные каталоги кратеров Марса, в частности Morphological Catalogue of the Craters of Mars, созданный в ГАИШ МГУ и опубликованный Европейским Космическим Агентством в связи с подготовкой европейских космических миссий по исследованию Марса, и каталог Н. Барло из Университета центральной Флориды, США.

Излагается методика построения перекрестных ссылок между двумя каталогами, разработанная и использованная автором для оценки точности распознавания кратеров и измерения их морфологических параметров. Анализируются построенные автором распределения марсианских кратеров по различным морфологическим параметрам и признакам.

Описан новый, созданный автором, каталог 7480 кратеров района кратера Ньютон. В каталог включены все кратеры, разрешаемые на изображениях, полученных космическими аппаратами Викинг (разрешение 270 м/шпссел). Этот район материка, ограниченный координатами 150-210° з.д. и 30-60°ю.ш., включает части Киммерийской Земли и Земли Сирен и был выбран для специального исследования, поскольку он находится в центре области остаточного магнетизма, обсуждаемого далее в главе 5.

В итоге проведенных исследований автором сформулированы рекомендации по совершенствованию морфологических каталогов кратеров.

В третьей главе «Моделирование эволюции кратерной популяции» рассматриваются вопросы моделирования процесса формирования кратерной популяции на поверхности планеты.

В литературе обсуждается несколько гипотез соответствия наблюдаемой популяции кратеров и интенсивности потока ударников. Сложность проблемы связана со стиранием ранее существовавших кратеров более поздними ударами и процессами эрозии, поскольку при этом теряется необходимая информация об истории поверхности. Особенно трудно учитывать тот факт, что крупный удар способен удалить следы многих мелких ударов и тогда, из-за одного события значительно меняется статистика поверхности в целом. Но, несмотря

на это, с помощью компьютерного моделирования можно выявить некоторые характеристики эволюции кратерированной поверхности.

С использованием специально разработанной компьютерной модели проведено исследование эволюции кратерной популяции в зависимости от распределения исходных кратеров по размерам.

В первом варианте рассматривается модель кратерирования двумерной поверхности. В этой модели, кратеры представляются дисками определенного диаметра Удары происходят последовательно, согласно хронологической шкале, и каждый из них обнуляет возраст той части поверхности, на которую он воздействует, т.е. ранее существовавшие кратеры или части кратеров полностью стираются.

Во втором варианте рассматривается трехмерная модель, которая включает вертикальную размерность. Постулируется, что удары формируют кратерные «цилиндры» от поверхности до глубины, пропорциональной диаметру. Так как интерес представляет лишь относительное проникновение ударов, то используется логарифмическая шкала глубины, где каждый дискретный слой обозначает глубину в два раза большую предыдущего. В результате такого моделирования происходит построение нескольких слоев, относящихся к одному и тому же расчету. При этом очевидно, что только крупнейшие удары проникают до самой большой глубины. В отличие от двухмерной модели, в трехмерной модели площадь, занимаемая кратером, считается в самом глубоком слое, где он присутствует. Таким образом, площадь большого кратера, покрытого более мелкими, статистически учитывается полностью.

Теоретические результаты, полученные в результате описанного компьютерного моделирования, сравниваются с параметрами кратерной популяции в исследуемом районе кратера Ньютон.

Относительно низкая плотность кратеров в этом районе по сравнению с модельной указывает на сложное взаимодействие геологического и ударного процессов преобразования данной поверхности.

В четвертой главе «Палеоозера и удары в воду» обсуждается проблема существования палеоозер.

Исследования районов с низкой плотностью кратеров в области остаточной намагниченности древней марсианской коры в сочетании с новейшими альтиметрическими данными выявили несколько возможных впадин, названных озерами, расположенных вне кратеров. По крайней мере две из этих впадин содержат морфологические признаки ударов в мелкую воду, находившуюся в жидком состоянии. Три из четырех рассмотренных впадин имеют хаотический рельеф, который можно объяснить выходом подповерхностного льда или воды. Характерными деталями являются береговые гребни, кратеры с ямками и каналами притока воды.

Согласно совместному анализу изображений, полученных космическими аппаратами Викинг, и новых данных лазерной альтиметрии MOLA, полученных с борта Марс глобал сервейер, глубина озера Хеггинса оценивается величиной 325 м. В заключении главы обсуждается связь предполагаемых озер с Долиной Ма-адим.

В пятой главе «Удары в районе остаточной намагниченности коры» рассматривается взаимосвязь существования крупных кратеров в районе Ньютона с остаточным магнетизмом, открытым в 1999 г., который охватывает центр района самых сильных магнитных источников.

Остаточнцй магнетизм связан с образованием материковой коры и понимание ее структуры может выяснить причину дихотомии полушарий планеты. Удар крупного тела вызывает плавление и разлом

до определенной глубины, которые должны уничтожить присутствовавший магнетизм породы так, как это наблюдается в области бассейнов Аргира и Эллады.

Наблюдения с высоты более 200 км над тремя крупнейшими кратерами, плавление и разлом которых, как предполагается, произошли до глубины более 80 км, не обнаружили радиального магнитного поля. Этот факт совпадает с оценкой толщины коры в 45-60 км в этом районе.

Согласно некоторым гипотезам природа марсианских магнитных линеаментов в южном полушарии аналогична природе подобных образований на океанском дне Земли. Исследование кратерной популяции в рассматриваемом районе Марса не подтверждает положение о том, что возраст поверхности меняется вдоль направления, перпендикулярного линеаментам. Таким образом, природа магнитных линеаментов на Марсе не может быть идентична природе подобных образований на океанском дне Земли.

В заключительном разделе главы обсуждаются некоторые особенности структуры остаточного магнетизма в других районах планеты.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Оценка точности и представительности Морфологического каталога кратеров Марса, составленного в ГАИШ МГУ.

2. Вывод о том, что насыщение поверхности кратерами зависит от «производительной функции», даже когда преобладают малые кратеры (А >2)

3. Обнаружение и обоснование признаков того, что жидкая вода существовала в течение длительного геологического периода в озерах в районе кратера Ньютон, при этом глубина древнего озера возле кратера Хеггинса оценивается в 325 м.

4. Оценка толщина коры в районе интенсивного остаточного магнетизма на марсианских материках по степени уничтожения магнетизма крупными ударами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Michael G. G. (2000) Impacts into shallow water in Terra Sirenum, Mars Abstracts of the 32nd Vernadsky-Brown Microsymposium pi 12113

2. Rodionova J. F., Michael G. G. (2000) Distribution of pit craters on Mars Abstracts of the 32nd Vernadsky-Brown Microsymposium pl26-127

3. Jakupova A. E., Michael G. G., Rodionova J. F., Serapinas B.B., Suetova I.A., Kosikov A.G. (2000) Preparation of an atlas of the cratering of Mars Abstracts of the 32nd Vernadsky-Brown Microsymposium p72-73

4. Kozlova E. A., Michael G. G., Rodionova J. F. (2000) Preparation of Morphological catalogue of craters of Mercury Abstracts of the 32nd Vernadsky-Brown Microsymposium p96-97

5. Rodionova J. F., Dekhtyareva К. I., Khramchikhin A. A., Michael G. G., Ajukov S. V., Pugacheva S. G., Shevchenko V. V. (2000) Morphological Catalogue of the Craters ofMars, Noordwijk (ESA) 158p.

6. Michael G. G. (1999) Crater populations of the magnetic lineations of Mars Abstracts of the 30th Vernadsky-Brown Microsymposium p75-76

7. Michael G. G. (1999) Impact traces in the surface magnetism of Mars Abstracts of the 30th Vernadsky-Brown Microsymposium p77-78

8. Michael G. G. (1998) Steady state crater degradation on the highlands of Mars and the Moon. Abstracts of Geochemical evolution of the solar system, Pescaro, p216

9. Michael G. G., Rodionova J. F. (1999) The difference between the crater distribution on the highland and plains of mars in terms of rim degradation LPS XXIX Abs. #1361

10.Michael G. G. (1998) Steady state crater degradation on the highlands of Mars and the Moon LPS XXIX Abs. #1407

1 l.Michael G. G., Rodionova J. F., Shevchenko V. V. (1998) Morphological catalogue of Martian craters: an overview Proceedings of Impacts and the Early Earth Workshop, Cambridge (CUP) p78-87

12.Michael G. G. (1998) Crater degradation on the lunar maria, Annales Geophysicae v.16/111, pi 031

13.Khramchikhin A. A., Michael G. G., Rodionova J. F. (1997) A comparison of lunar and Martian cratering, Abstracts of the 26th Vernadsky-Brown Microsymposium p52-53

Michael G. G. (1997) Crater degradation on the Martian plains Abstracts of the 26th Vernadsky Brown Microsymposium p86-87