Giovanni Picardi1, Jeffrey J. Plaut2, Daniela Biccari1, Ornella Bombaci3, Diego Calabrese3, Marco Cartacci1, Andrea Cicchetti1, Stephen M. Clifford4, Peter Edenhofer5, William M. Farrell6, Costanzo Federico7, Alessandro Frigeri7, Donald A. Gurnett8, Tor Hagfors9, Essam Heggy4, Alain Herique10, Richard L. Huff8, Anton B. Ivanov2, William T. K. Johnson2, Rolando L. Jordan2, Donald L. Kirchner8, Wlodek Kofman10, Carlton J. Leuschen11, Erling Nielsen9, Roberto Orosei12, Elena Pettinelli14, Roger J. Phillips15, Dirk Plettemeier16, Ali Safaeinili2, Roberto Seu1, Ellen R. Stofan17, Giuliano Vannaroni13, Thomas R. Watters18, Enrico Zampolini3
Подповерхностные слои Марса были прозондированы на глубину нескольких километров с помощью прибора MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding) аппарата Mars Express. С помощью сигналов, проникавших в толщу осадочных пород полярных областей, удалось картографировать подлегающие под ними скальные породы. Данные с северных низменностей области Хриса выявили занесенную квазикруговую структуру ударного происхождения 250 км в диаметре. Кроме того, плоская отражающая поверхность, связанная с дном этой структуры может указывать на наличие слоя слабопоглощающих осадочных пород более чем 1 км толщиной.
2Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91109, USA.
3Alcatel Alenia Space Italia, 00131 Rome, Italy.
4Lunar and Planetary Institute, Houston, TX 77058, USA.
5Fakultaet fuer Elektrotechnik und Informationstechnik Ruhr-Universitaet Bochum, D-44780 Bochum, Germany.
6NASA/Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USA.
7Dipartimento di Scienze della Terra, Universita degli Studi di Perugia, 06123 Perugia, Italy.
8Department of Physics and Astronomy, University of Iowa, Iowa City, IA 52242, USA.
9Max Planck Institute for Solar System Research, 37191 Katlenburg-Lindau, Germany.
10Laboratoire de Planetologie de Grenoble, 38041 Grenoble Cedex, France.
11Applied Physics Laboratory, Johns Hopkins University, Laurel, MD 20723, USA.
12Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica, 00133 Rome, Italy.
13Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario, Istituto Nazionale di Astrofisica, 00133 Rome, Italy.
14Dipartimento di Fisica, University of Rome 3, 00146 Rome, Italy.
15Department of Earth and Planetary Sciences, Washington University, St. Louis, MO 63130, USA.
16Fakultaet fuer Elektrotechnik und Informationstechnik, Technische Universitaet Dresden, D-01062 Dresden, Germany.
17Proxemy Research, Laytonsville, MD 20882, USA.
18Center for Earth and Planetary Studies, National Air and Space Museum, Smithsonian Institution, Washington, DC 20560, USA.
Недра Марса - еще неисследованная территория. Некоторое представление о третьем измерении марсианской геологии было получено при изучении обнажений на склонах кратеров и долин и при реконструкции среза пород по данным геологического картографирования. Однако вплоть до входа в строй прибора MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding) на борту европейской АМС "Марс Экспресс" в июне 2005 года непосредственное изучение внутренних слоев глубже нескольких метров было невозможно. В этой статье мы описываем результаты зондирования слоев до глубины более чем 1 км.
MARSIS и данные
MARSIS - это многочастотный орбитальный зондирующий радар с синтезированной апертурой. Сбор данных идет, когда "Марс Экспресс" движется по орбите на участке высот 250-800 км над поверхностью. Это условие выполняется примерно в течении 26 минут на каждом 6.7-часовом витке. В режиме глубинного зондирования MARSIS работает в четырех частотных диапазонах между 1.3 и 6.5 МГц с мгновенной шириной полосы частот 1 МГц, что обеспечивает точность определения дальности около 150 м. Поперечное пространственное разрешение зависит от неровности поверхности, но в большинстве случаев "зайчик" от радара имеет в поперечном направлении размер 10-30 км, и около 5-10 км в направлении движения (это уменьшение связано с процедурой синтезирования апертуры). Пиковая излучаемая мощность 40-метровой дипольной антенны ~10 Вт. На борту производится суммирование импульсов по 100 штук, частота повторения импульсов 127 Гц, итоговое отношение сигнал/шум для типичного участка поверхности Марса составляет от 30 до 50 дБ. Представленные здесь данные получены во время ввода в эксплуатацию и начального периода работы в июне и июле 2005 года. В течении этого периода перицентр орбиты приходился на вечерний терминатор. Сигналы MARSIS'a не достигнут поверхности, если плазменная частота ионосферы будет близка или выше частоты импульса. Поэтому рабочие диапазоны были выбраны таким образом, чтобы минимизировать ионосферные искажения. В частности частоты 1.8 и 3.0 МГц использовались на ночной стороне, а 4.0 и 5.0 МГц - на дневной. Здесь мы обсуждаем данные, полученные на витках № 1855, 1892 и 1903 26 июня, 6 июля и 9 июля соответственно. Сбор данных шел в режиме глубинного зондирования, при котором для каждого из двух частотных диапазонов генерируется комплексный спектр просуммированных импульсов от трех каналов синтезирования апертуры. После получения на Земле, спектры конвертировались из частотной области во временную. Обработка включала коррекцию фазовых искажений ионосферы.
Слоистые осадочные породы северных полярных областей
Окружающие северный полюс области со слоистыми осадочными породами (north polar layered deposits, NPLD) представлены преимущественно верхним пластом пород, который состоит из водного льда вперемешку с слоями пыли. Второй, более нижний пласт, отсутствующий на некоторых долготах, содержит заметное количество песка, сцементированного льдом. Предыдущие интерпретации состава и структуры этих пластов основывались на фотоснимках, спектральных, термальных и топографических данных. На первой орбите № 1855 MARSIS наблюдал NPLD на участке 10° - 40°E с высот 800-900 км на ночной стороне планеты в диапазонах 3.0 и 5.0 МГц. Радарограммы показывают, что когда траектория станции выходит с северных равнин в область со слоистыми осадочными породами, отраженный сигнал расщепляется на 2 четких сигнала. Нижняя отражающая поверхность простирается до конца траектории, там временная задержка между сигналами составляет 21 мкс. Для интерпретации данных зондирования требуется различить сигнал от глубинного горизонта и сигнал от поверхностных деталей рельефа с той же временной задержкой ("поверхностный шум"). Высокоточная модель "поверхностного шума" , основанная на данных измерения рельефа марсианским орбитальным лазерным альтиметром (MOLA), не выявляет никаких видимых топографических деталей с таким эффектом. Отсюда делается вывод, что вторая отражающая поверхность - это подстилающий слой базальтовых пород.
|
|
Временная задержка и интенсивность сигнала, отраженного от базальта, согласуется с наблюдаемыми в предположении, что вышележащий материал имеет диэлектрическую проницаемость и тангенс потерь близкие к таковым у почти чистого водяного льда. Это согласуется с отсутствием более нижнего песчаного пласта (в области 290° - 90°E не наблюдается его обнажений). Временная задержка от базальтового слоя увеличивается по отношению к окружающим равнинам по мере удаления от границы NPLD. Это вызвано меньшей скорости распространения в материале NPLD по сравнению с марсианской атмосферой. Полагая диэлектрическую проницаемость чистого льда ~3, можно пересчитать временную задержку в расстояние : получается, что максимальная глубина до базальта практически совпадает с уровнем равнин, то есть толщина NPLD - это высота местности (1.8 км) над окружающими низменностями. Это или совпадение, или ледяной материал NPLD лежит сразу поверх подстилающего материала равнин.
Особенности затухания волны говорят в пользу практически чистого льда. Среди возможных материалов только чистый или немного грязный лед имеет достаточно низкий тангенс потерь, что дать такую интенсивность наблюдаемого отраженного сигнала. Для оценки тангенса потерь 1.8- километрового слоя применялась простая двуслойная модель. На частоте 5 МГц измеренное MARSIS'ом соотношение отраженного сигнала составляет ~10 дБ. Это согласуется с проницаемостью льда ~3, проницаемостью подстилающего материала 4.5 (базальтовый реголит) и тангенсом потерь льда ниже 0.001 (проводимость 10-6 сименс/м). Малый тангенс потерь 1.8-км слоя льда приводит к слабому затуханию сигнала, что позволяет надежно обнаружить основание. Проводимость льда зависит от температуры. Малая проводимость льда указывает на то, что он содержит не более 2% примесей и имеет среднемассовую температуру ниже 240 К. Это не согласуется с наличием зоны плавления у основания NPLD.
Обнаружение круговой структуры
Область среднеширотных северных низменностей известных как равнины Хриса (Фиг.2) давно признавалась в качестве места отложения приносимого с высокогорья осадочного материала. На снимках и топографических данных MOLA поверхность характеризуется разнообразным ландшафтом, от гладкого до холмистого с многочисленными одиночными возвышенностями, несколькими затертыми складчатыми разломами и сильно разрушенными или занесенными кратерами. Считается, что некоторые элементы рельефа конца гесперианской, начала амазонской эпох на северо-востоке равнин Хриса образовались из осадочных пород в водных условиях, хотя некоторые исследователи не исключают потоки лавы. Эта территория была недавно закартографирована в качестве внутренней области образования Vastitas Borealis (VBF). Подстилающий VBF материал, видоизменивший равнины Хриса и более древнюю кору северных низменностей, похоже имеет вулканическое происхождение. На основании данных MOLA были идентифицированны многочисленные огромные (десятки и сотни км) слабозаметные круговые структуры. Они были истолкованы как выступающие на поверхность древние разрушенные и/или занесенные ударные кратеры.
|
|
|
|
Радарограммы из временных координат были переведены в пространственные, в предположении малой глубины обнаруженных структур. Параболические дуги превратились в дуги постоянной кривизны, указывающие на большую круговую структуру. Такое преобразование имеет неопределенность "право/лево". Траектории двух витков прошли в 50 км друг от друга, что позволило составить стереокартинку. Когда мы наложили данные на пересекающихся участках некоторые дуги совпали, значит MARSIS дважды заснял одно и тоже и наша реконструкция структуры верна. Мы интерпретируем получившиеся кольца как края засыпанного ударного бассейна максимальным диаметром ~250 км. Схематическая картинка, поясняющая построение показана на Фиг. 4. Мы приписываем структуры в данных MARSIS'a отражению от благоприятно расположенных стенок кратера или аналогичных структур, где проявляется контраст в диэлектрической проницаемости.
|
|
Плоская отражающая поверхность, обнаруженная на витке 1903, отличается от дугообразных. Во-первых, она заметно более однородна по времени задержки (в среднем 29 мкс при отклонении <2 мкс в 26 измерениях). Во-вторых, интенсивность эха куда сильнее, чем для дуг, и достигает 16 ± 6 дБ. Этой поверхности нет аналога на витке 1892, хотя и наблюдается слабая окологоризонтальная полоса. Возможно это более глубокая поверхность, чем на 1892-м витке.
Мы снова применили простую двуслойную модель и перевели время задержки в глубину - получилось 2-2.5 км в зависимости от материала. Интенсивность сигнала подразумевает очень малое затухание в верхнем слое , тангенс потерь <0.005. Это может означать, что кратер заполняет (по крайней мере частично) большой объем богатого льдом материала. Глубина кратера примерно соответствует наблюдаемым ударным бассейнам 200-300 км в диаметре. Мы не исключаем, что это может быть какая-то скрытая плоская структура, случайно давшая такой результат. Возможно восточная часть кратера повреждена другим мелким кратером. Круговая структура и отражающая поверхность находятся возле аномалии магнитного поля, но наш анализ не выявил заметного влияния поля на радарограммы.
Обсуждение и выводы
MARSIS продемонстрировал способность обнаруживать структуры и слои, которые нельзя обнаружить другими способами. При наблюдении NPLD сигнал проник более чем на километр вглубь и возможно выявил границу с базальтом. Очень малое затухание указывает на наличие чистого водного льда. Отсутствие заметного прогиба поверхности под слоем NPLD указывает на очень толстую эластичную литосферу. В средних широтах на равнинах Хриса MARSIS обнаружил круговую структуру ~250 км в диаметре, предположительно ударного происхождения. Отражающая поверхность может быть дном той структуры, хотя других возможностей нельзя исключать. Результаты первого месяца наблюдений позвоволяет надеяться на дальнейшие открытия в ходе глубинного зондирования Марса. Например, если дальнейшие наблюдения NPLD будут иметь столь же глубокую проникающую способность, мы сможем составить детальную карту подстилающих пород и лучше оценить объем материала.
