Результаты мульспектральной съемки панорамной камерой марсохода Spirit в кратере Гусева

J. F. Bell, III1, S. W. Squyres1, R. E. Arvidson2, H. M. Arneson1, D. Bass3, D. Blaney3, N. Cabrol4, W. Calvin5, J. Farmer6, W. H. Farrand7, W. Goetz8, M. Golombek3, J. A. Grant9, R. Greeley6, E. Guinness2, A. G. Hayes1, M. Y. H. Hubbard1, K. E. Herkenhoff10, M. J. Johnson1, J. R. Johnson10, J. Joseph1, K. M. Kinch11, M. T. Lemmon12, R. Li13, M. B. Madsen8, J. N. Maki3, M. Malin14, E. McCartney1, S. McLennan15, H. Y. McSween, Jr.16, D. W. Ming17, J. E. Moersch16, R. V. Morris17, E. Z. Noe Dobrea1, T. J. Parker3, J. Proton1, J. W. Rice, Jr.6, F. Seelos2, J. Soderblom1, L. A. Soderblom10, J. N. Sohl-Dickstein1, R. J. Sullivan1, M. J. Wolff7, A. Wang2

Опубликовано: Science 06.08.2004


Снимки панорамной камеры в кратере Гусева показали усеянную камнями поверхность с участками мелкозернистого песка, местами в виде ветровых наносов, местами в виде небольших округлых низин или лощин. На светлых участках почвы и камнях налет из мелкодисперсной богатой железом пыли. Спектры некоторых темных камней после очистки и шлифовки в ближней ИК области выявили признаки, согласующиеся с наличием темных (мафических) силикатов типа пироксена и оливина. Атмосферные наблюдения показали устойчивое повышение прозрачности атмосферы с течением времени, а в ходе астрономических наблюдений были засняты прохождения по диску солнца марсианских лун, Фобоса и Деймоса, а также Земля.


1Cornell University, Ithaca, NY 14853-6801, USA.
2Washington University, St. Louis, MO 63130, USA.
3Jet Propulsion Laboratory-California Institute of Technology, Pasadena, CA 91109, USA.
4National Aeronautics and Space Administration (NASA) Ames Research Center-Search for Extraterrestrial Intelligence Institute, Moffett Field, CA 94035, USA.
5University of Nevada, Reno, NV 89501, USA.
6Arizona State University, Tempe, AZ 85287, USA.
7Space Science Institute, Boulder, CO 80301, USA.
8University of Copenhagen, DK-2100 Copenhagen O, Denmark.
9National Air and Space Museum, Washington, DC 20560, USA.
10U.S. Geological Survey, Flagstaff, AZ 86001, USA.
11Aarhus University, DK-8000 Aarhus C, Denmark.
12Texas A&M University, College Station, TX 77843, USA.
13Ohio State University, Columbus, OH 43210, USA.
14Malin Space Science Systems, Incorporated, San Diego, CA 92191, USA.
15State University of New York at Stony Brook, Stony Brook, NY 11794, USA.
16University of Tennessee, Knoxville, TN 37996, USA.
17NASA Johnson Space Center, Houston, TX 77058, USA.

 

4 января 2004 года марсоход "Спирит" совершил посадку в точке с координатами 14.5692°S, 175.4729°E внутри кратера Гусева, ударного кратера нойской эпохи 160 км диаметром. Предшествовавшие исследования с орбиты наводили на мысль, что когда-то кратер был частично заполнен осадочными породами озерного происхождения. Мы использовали мультиспектральные панорамные снимки высокого разрешения с места посадки и его окрестностей для описания морфологии, состава, физических и атмосферных свойств данного района. Нашей основной целью было связать эти характеристики с происхождением и эволюцией марсианской коры, особенно в плане поиска доказательств наличия здесь в прошлом жидкой воды.


Аппаратура и калибровка

Панорамная камера (Pancam) это цифровая система, состоящая из двух разнесенных на расстояние 30 см камер с 1024х1024 ПЗС-матрицами. Она установлена на стойке высотой 1.5 метра над марсианской поверхностью. Каждая камера имеет поворотное колесико со светофильтрами и способна получать цветные изображения поверхности или неба в 11 узких спектральных диапазонах или изображения солнца через нейтрально-серый фильтр для определения прозрачности на двух длинах волн. Ввиду ограничений пропускной способности канала связи большинство изображений сжимались с использованием высококачественного вейвлетного алгоритма с потерями. Ограничения также заставили использовать лишь небольшой набор (обычно 5-6) из всех 13 фильтров.

Калибровка осуществлялась при предполетных лабораторных измерениях и ежедневно с помощью бортовой калибровочной мишени. За счет оседания пыли мишень с течением времени становилась более красной. Степень покраснения и ее влияние на калибровку моделировалось с использованием простой двуслойной модели Хапке для тонкого слоя пыли со спектральными характеристиками близкими к измеренным Викингами и Патфайндером. С учетом поправки на пыль погрешность калибровки камеры по абсолютной яркости была в пределах 5-10%, относительная погрешность определения отражательной способности оценивалась в 5-10%. Во время основной миссии продолжительностью 90 солов ("сол" - марсианский день) было получено и передано на Землю более 9300 снимков Pancam общим объемом более 750 Мб. Среди них было несколько мульспектральных панорам, снятых в месте посадки, на полпути к кратеру Бонневиль и на краю самого кратера. Эти панорамы были получены при помощи набора фильтров, предназначенных для создания стерео изображений, и охватывают весь доступный прибору диапазон, включая некоторые особенно важные длины волн, которые могли бы дать ценную информацию для планирования миссии.


Наблюдения окрестностей

Панорамные виды места посадки и пройденных участков показывают преимущественно плоскую равнину, 5% поверхности которой покрыты сравнительно малыми (десятки сантиметров и меньше) камнями. Большинство камней имеют угловатую или близкую к ней форму, малые камни более округлы. На расстоянии 300 м к северо-востоку от места посадки виден край 210-метрового кратера Бонневиль. В отдалении 3-4 км к востоку находится гряда невысоких (100-150 м) холмов, названных холмами Колумбии. В 8-26 км к югу, возле входа в долину Ма'адим расположены уединенные возвышенности и холмы с плоскими вершинами. Окрестности кратера Бонневиль усеяны большим числом выброшенных при ударе камней, они покрывают ~10% поверхности. Рельеф места посадки характеризуется неровностями размерами порядка метра, малыми (<200 м) ударными кратерами и еще меньшими (десятки метров) кругообразными лощинами. Сжатые без потерь снимки максимального разрешения показывают морфологические, цветовые вариации и вариации альбедо на холмах Колумбии, что может указывать на обрывы, террасы, пласты вроде тех, что обнаружены на снимках камеры Mars Global Surveyor.


Камни и пыль

Обломочные материалы, заснятые Pancam на месте посадки, охватывают большой набор морфологий и физических свойств (Фиг.1). Образцы пыли включают тонкую корку красноватой эоловой пыли, мелкозернистые частицы почвы, пески, гранулы и гравий. По альбедо и вариациям цвета песчаных дюн был сделан вывод, что они образованы из крупнозернистого песка и гранул размером от 0.5 до нескольких мм; это впоследствии подтвердилось на снимках микроскопической камеры. Судя по следам колес марсохода, отпечатков надувных мешков и контактной площадки мессбауэровского спектрометра большая часть мелкодисперсного материала обладает заметными когезионными свойствами. Есть также признаки расслоения пыли на участках, прикрытых камнями и гравием (Фиг.2).




Фиг.1. Увеличенный вид образцов камней, обломков и мелкодисперсных отложений на участке прямо перед марсоходом (при максимальном разрешении Pancam). Объекты в 1.6 м от камеры, каждый снимок 40-50 см в поперечнике.Мельчайшие детали, различимые на снимках, имеют размер 0.8-1.0 мм. (A) Sol 12, sequence P2269, filter L7 (430 nm). (B) Sol 12, sequence P2269, filter L2 (754 nm). (C) Sol 30, sequence P2558, filter L7 (430 nm). (D) Sol 33, sequence P2563, filter L2 (754 nm). (E) Sol 36, sequence P2282, filter L2 (754 nm). (F) Sol 39, sequence P2593, filter L2 (754 nm). (G) Sol 50, sequence P2420, filter L7 (430 nm); (H) Sol 50, sequence P2566, filter R1 (430 nm). (I) Sol 51, sequence P2425, filter L2 (754 nm). (J) Sol 54, sequence P2581, filter L2 (754 nm). (K) Sol 63, sequence P2530, filter R1 (430 nm). (L) Sol 66, sequence P2514, filter R1 (430 nm). (M) Sol 74, sequence P2560, filter L7 (430 nm). (N) Sol 75, sequence P2562, filter L7 (430 nm). (O) Sol 76, sequence P2566, filter R1 (430 nm). (P) Sol 90, sequence P2514, filter R1 (430 nm).
 




Фиг.2. Примеры ветровых наносов за небольшими камнями и корка пыли на снимках отпечатков от надувных мешков. (Вверху) сол 11, sequence P2536, 10:45 местного солнечного времени (LST); (внизу) сол 7, sequence P2530, 13:20 LST. Оба изображения сгенерированы из снимков через фильтры на 600, 530 и 480 нм и близки к реальным цветам.
 

 



Фиг.3 Примеры разнообразных камней в месте посадки в кратере Гусева. (А) 77-сантиметровый булыжник с трещинами , снятый в 68 сол возле края кратера Бонневиль. (B) Камень размером 25 см, 68-й сол, видна гладкая морфология с полостями. (C) 49-й сол, вид на границу между лощиной Laguna Hollow и окружающей равниной, заметно увеличение концентрации камней на периферии лощины. (D) снимок 5-сантиметрового камня Мими, сол 42. (E) камни Сашими (в центре, размер 30 см) и Суши (справа внизу, 10 см), снято возле лэндера на 14 сол.Сашими имеет признаки сильной ветровой эрозии. (F) сол 76, камень Мацацаль длиной 2.1 м, высотой 45 см. (G) 5 сол, вид на небольшие камни и эоловые образования возле лэндера. Видно, что большинство наиболее округлых камней также и самые темные. Небольшой камень повыше центра имеет размер 15 см.
 

Большинство камней в месте посадки покрыты трещинами или разломаны, некоторые все в оспинах и могут иметь полости (Фиг.3). Отдельные камни частично занесены песком, тогда как другие торчат на поверхности. Округлые камни довольно редки, обычно они более темные и имеют признаки скорее ветровой эрозии, чем флювиальной. На месте посадки не обнаружено никаких осадочных пород или ударных брекчий.


Фотометрические наблюдения

Калиброванные снимки, сделанные через широкополосный фильтр (L1, 739 ± 338 нм), были использованы для определения альбедо в месте посадки. Оценка дала альбедо 0.25 ± 0.05, это умеренно высокая величина для Марса по сравнению с болометрическим альбедо, полученным термоэмисионным спектрометром MGS для места посадки Викинга 1 (0.26 ± 0.05), немного выше альбедо в месте посадки Викинга 2 (0.23 ± 0.01) или в месте посадки Марс Патфайндера (0.22 ± 0.01). Некоторая неопределенность определения альбедо по снимкам Pancam связана с вариациями на снимках района посадки. Сам марсоход сел в более темной области (полосе выдувания или следе пылевого дьявола) с альбедо 0.20 ± 0.02, которая тянется с северо-запада на юго-восток. В течении первых 90 солов марсоход пересек границу этой темной области и более светлой (0.30 ± 0.02) области у кратера Бонневиль(Фиг.4).




Фиг.4. Мозаика, сделанная у края кратера Бонневиль, вид на юго-восток, назад к лэндеру (центр, вверху). Видно, что лэндер оказался в более темном следе пыльного дьявола или полосе выдувания с альбедо более низким, чем дальние области кратера Гусева или ближайшая местность у края кратера Бонневиль. Это близкое к реальным цветам изображение было получено около 10.20 LST на 66 сол через фильтры 750 нм, 530 нм и 480 нм.
 

Мультиспектральные снимки, сделанные Pancam в разное время дня, запечатлевают вариации отражательной способности, связанной с такими свойствами поверхности как ее структура, пористость и зернистость. Например фотометрическое наблюдение участков возле тени, отбрасываемой стойкой Pancam, показывает большой контраст на некоторых типах грунта. Чтобы обеспечить достоверные данные по отражательной способности в видимой и ближней ИК области фотометрические наблюдения согласовывались с пролетом над кратером Гусева станций Mars Odyssey, Mars Express и MGS.


Мультиспектральные наблюдения

Мультиспектральные панорамы, полученные возле места посадки и по маршруту марсохода, показывают большое разнообразие элементов, обнаруживаемых по спектральным признакам. На самой первой 360° панораме менее запыленные камни или части камней кажутся более голубым. Показатель "красный/синий" часто использовался для различения степени запыленности камней (абсолютно чистых камней не встречалось). Основные спектральные и цветовые типы в районе посадки включают : (I) красные почвы и ветровые наносы с высоким альбедо (от 0.25 до 0.35), (II) почвы лощин с умеренным альбедо (0.2-0.25), (III) поверхности красных камней со средним и высоким альбедо (0.2-0.3), (IV) средне- и низкоальбедные (0.15-0.2) красные наносы и дальние участки, (V) низкоальбедные (0.1-0.15) красные взрыхленные участки и (VI) темно-серые поверхности камней (0.1-0.15). 11-цветные мультиспектральные наблюдения отдельных участков дали дополнительную информацию о минералогии этих спектральных типов. Спектры почв со средним и высоким альбедо (Фиг.5 А,B и Фиг.6 A,B) напоминают спектры марсианской пыли из предыдущих наблюдений с орбиты и связаны с мелкозернистыми, плохо кристаллизованными оксидами железа. Слабое поглощение возле 860-930 нм в спектрах почв с высоким альбедо может быть вызвано этими оксидами, но для окончательной идентификации нужно привлечь данные других приборов. Полосу в ближнем ИК можно объяснить мелкозернистым гематитом, гётитом, гидритом железа, маггемитом или шверманнитом. Спектры темным участков почвы можно смоделировать тем же спектром светлых участков при допущении большего размера частиц. Такая зависимость альбедо от размера частиц также согласуется с наблюдениями альбедо эоловых дюн. Pancam также заснял три магнита, установленных на марсоходе для изучения состава и свойств частиц пыли с магнитными свойствами. Первые результаты говорят о том, что практически вся пыль имеет магнитные свойства и что пылинки имеют сложный многоминеральный состав.




Фиг.5. Спектры, соответствующие этим изображениям, нарисованы на Фиг.6. Все композитные снимки в условных цветах , сделаны через фильтры 750, 530 и 480 нм. (A) сол 14, камень Адирондак, (B) сол 26, камень Бланко, (C) сол 12, камни в поле зрения прибора, (D) сол 9, кусок №1 из 120-элементной мозаики, (E) сол 9, кусок №8 из 120-элементной мозаики, (F) сол 7 , "Волшебный ковер".
 




Фиг.6. Спектр, полученный с помощью 13 фильтров, показывает спектральное разнообразие почв и камней кратера Гусева (см Фиг.5). Цвет каждого спектра соотвествует цвету аналогичных элементов на Фиг.5.
 

Спектры поверхности камней составляют континуум характеристик от светлых красных поверхностей со спектром похожим на спектр светлых почв (Фиг.5 А,B и Фиг.6 A,B), что указывает на налет железистой пыли, до более темных, спектрально отличных поверхностей (Фиг.3,5 C и F и Фиг.6 C и F). У них низкое альбедо, большая, чем у пыли, отражательная способность в голубой части спектра и слабое поглощение в ближней ИК области. Эти характеристики согласуются с материалами из силикатов железа, типа пироксена или оливина. Похожие характеристики наблюдались у "черных камней" в месте посадки Патфайндера. Спектры темного материала, обнаженного следами надувных мешков, более близки спектрам камней, чем темных почв. В частности у них низкое альбедо, низкое соотношение "красный/синий", более крутой наклон спектра и сильнее поглощение в ИК области. Спектральные данные Pancam из канавки, прокопанной марсоходом в Laguna Hollow показывают, что верхний более окисленный слой почвы весьма тонок, на стенках и дне канавки отсутствуют характерные для пыли спектральные признаки. Этот результат подтверждается также и мёссбауэровским спектром канавки.

Возле места посадки были детально исследованы 3 камня, в частности угловатый камень Адирондак, запыленный камень Хэмфри и большой камень Мацацаль. На основании снимков Pancam на камнях были выбраны участки для исследования мёссбауэровским и альфа-спектрометром и участки для работы абразивного устройства (RAT). RAT удалил с поверхности слой красной пыли и открыл взору истинный серый цвет камней. Данные Pancam совпали с результатами спектрометров, которые говорят, что камни состоят из богатого оливином базальта.


Атмосферные и астрономические наблюдения

Для оценки прозрачности атмосферы ежедневно делались снимки солнца через 2 нейтральных фильтра на 440 и 880 нм. Непрозрачность атмосферы на начало миссии составляла 0.9, довольно большая величина, что может быть связано с глобальной пылевой бурей в ноябре-декабре 2003 года. К 90-ому солу непрозрачность снизилась до 0.5, что 5 солами ранее позволило сфотографировать стенки кратера Гусева на расстоянии 80 км от места посадки (Фиг.7). Для изучения распределения пыли по высоте и в рамках поиска облаков из водяного льда, формирующихся в утренние и вечерние часы, проводились покадровые съемки рассветов и закатов. На 63 сол во время очередного сеанса поиска облаков в кадр сумеречного предрассветного неба попала Земля (Фиг.8). В том же сеансе на одном из снимков была обнаружена аномально яркая полоска (Фиг.9). Ориентация полоски не совпадает с траекториями ни одного из обращающихся вокруг Марса аппаратов, кроме разве орбитального модуля Викинга 2, так что вполне вероятно, что удалось наблюдать хвост метеора. Дневные наблюдения неба и ночные наблюдения звезд и Деймоса использовались для поиска облаков, но вплоть до конца основной 90-дневной миссии (ареоцентрическая долгота солнца ~ 15°, что соответствует началу осени в южном полушарии) никаких признаков облаков не было обнаружено, равно как и ни одного пыльного дьявола.




Фиг.7. Панорама на 85 сол через голубой фильтр (430 нм). (Вверху) холмы Колумбии - хороший фоновый объект в 3 км от марсохода. (Внизу) после усиления контраста на удалении можно различить край кратера Гусева.
 




Фиг.8. Предрассветный снимок восточного горизонта и неба. Сделан в 04.47 LST , сол 63, навигационной камерой и Pancam'ом. Земля видна в виде слабой звезды в центре кадра.
 




Фиг.9. Серия из 3 снимков, сделанных в ходе фотографирования Земли. (A) снимок 2P131930902ESF1300P2733L4M1, сделан в 04:49:44 LST. (B) снимок 2P131930937ESF1300P2733L5M1, 04:50:19 LST видна очень яркая полоска, возможно след от метеора. (C) снимок 2P131930972ESF1300P2733L6M1, 04:50:52 LST. Все 3 снимка сделаны в одном ракурсе, экспозиция 15 с.
 

Наконец, приэкваториальное местонахождение Спирита сделало возможным наблюдение прохождения по диску солнца марсианских лун. Было заснято 2 прохождения: Деймос, 68 сол, и Фобос, 104 сол (Фиг.10). Расхождения между предсказанным и наблюдаемым временем начала прохождения и фазового угла были использованы для корректировки орбитальных элементов спутников (ни за одним из них нет регулярного наблюдения) Эти вычисления дадут информацию об эволюциях орбит, что пригодится в будущем изучении спутников.




Фиг.10. Прохождение Фобоса и Деймоса по диску солнца. (Слева) Фобос, сол 104 (18 апреля 2004), (справа) Деймос, сол 68 (13 марта 2004).
 


Страница обновлена 29-01-2006
Hosted by uCoz