УДК 523.41
ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ РЕЛЬЕФ НЕИЗУЧЕННОЙ РАНЕЕ ПОВЕРХНОСТИ МЕРКУРИЯ © 2014 г. С. Г. Пугачева, В. В. Шевченко
Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ, Москва Поступила в редакцию 29.11.2012 г.
В статье приводятся результаты исследования рельефа поверхности Меркурия методом классической фотометрии. Фотометрический метод изучает интенсивность отраженного излучения света поверхностью планеты. Основным материалом фотометрических исследований являются фотоснимки Меркурия высокого разрешения, переданные межпланетной космической станцией Messenger во время первого пролета вблизи Меркурия. Изображения поверхности Меркурия сгружались с сайта NASA (http://messenger.jhuapl.edu) и преобразовывались в цифровую форму для проведения фотометрических измерений. Отражательные характеристики поверхности рассчитывались согласно модели пространственной интегральной индикатрисы рассеяния света (Шевченко, 1979; 2004; Shevchenko, 2006). В результате фотометрической обработки космических снимков определена отражательная способность 4 морфологических типов поверхностной структуры Меркурия. С помощью модели Hapke, двунаправленного рассеяния света, выполнена оценка структурной неоднородности участков морфологических структур с неровностями сантиметрового размера (Hapke, 2001).
DOI: 10.7868/S0320930X1306008X
ВВЕДЕНИЕ
Впервые поверхность Меркурия была сфотографирована американской автоматической станцией Mariner-10 в 1974—1975 гг. На снимках, полученных КА Mariner-10, поверхность Меркурия испещрена множеством кратеров различного диаметра и сохранности, многие кратеры рассечены уступами и бороздами. Исследования фотометрических свойств рельефа Меркурия подтвердили выводы наземных наблюдений о схожести отражательных характеристик Меркурия и Луны. Последующее изучение планеты Меркурий позволило установить уникальные физические характеристики планеты.
Меркурий имеет огромное железное ядро, которое составляет 80% от объема планеты, 10% от диаметра планеты занимает твердая силикатная кора и мантия. Железное ядро является источником слабого магнитного поля, напряженность которого в 300 раз меньше напряженности магнитного поля Земли (Purucker др., 2009).
Поверхность Меркурия испытывает значительные амплитудные колебания температуры. Так, минимальная температура поверхности в полярных кратерах опускается до 90 К (—180°С), а максимальная температура на равнинах бассейна Жары достигает 700 К (430°С). Радарные исследования полярных областей показывают наличие льда в затененных частях кратеров. В своей работе Blondel и Mason предполагают, что мощность ледникового слоя может достигать 2 м (Blondel, Mason, 2006). Перепады температуры на поверхности Меркурия вызваны особенностями орбитального движения планеты и ее вращением. Период вращения Меркурия вокруг
оси составляет 58.65 земных суток, период обращения вокруг Солнца составляет 87.97 земных суток. При прохождении Меркурием перигелия два противоположных меридиана 0° и 180° ("горячие долготы") попеременно обращены в сторону Солнца. В этот период расстояние планеты до Солнца минимальное и составляет ~45.9 млн км. В районе аномально высоких температур расположен гигантский бассейн "Жара" диаметром 685.18 км с центром 32.57° N, 197.69° W (http//planetarynames. wr.usgs.gov/).
Меркурий имеет чрезвычайно тонкую атмосферу, в состав атмосферы входят атомы, захваченные солнечным ветром и выбитые солнечным ветром с поверхности планеты. В атмосфере Меркурия найдены атомы водорода, гелия, кислорода, натрия, калия, кальция, магния (Solomon и др., 2008).
Кроме кратеров на поверхности Меркурия имеется целый ряд других форм рельефа гряды, борозды, горы, равнины, уступы, долины. Для рельефа поверхности Меркурия характерно присутствие многочисленных уступов (эскарпов) протяженностью в сотни километров, образование которых связывают с процессами сжатия поверхности в результате остывания планеты (Watter, Nimmo, 2009).
СЪЕМКА ПОВЕРХНОСТИ МЕРКУРИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИЕЙ MESSENGER
Запуск космического аппарата Messenger состоялся 3 августа 2004 г. В течение 6.5 лет аппарат преодолел более чем 7.8 млрд км, он сделал 15 оборотов вокруг Солнца, два вокруг Венеры и выполнил три сближения с Меркурием. Схемы орбитального движения и основные элементы
Рис. 1. Карта покрытия поверхности Меркурия фотосъемкой КА Mariner-10 и КА Messenger (карта NASA).
орбиты КА Messenger, а также время сближения космического аппарата с планетой приведены на сайте NASA, http://www.nasa.gov/Messenger. Орбита КА Messenger эллиптическая, сильно вытянутая, высота КА над поверхностью в самой низкой точке 200 км и более 15193 км в самой высокой точке. Результаты первого сближения Messenger с планетой впервые показали неизученное ранее полушарие Меркурия, значительную площадь которого покрывают равнины, залитые лавой.
Из 90% отснятой территории снимки неизученной ранее части Меркурия составили 24%. Ранее сфотографированная Mariner-10 поверхность планеты была рассмотрена KA Messenger при других условиях освещения и в цвете. В марте 2011 года КА Messenger сфотографировал дополнительно 6% территории Меркурия и завершил съемку экваториальной области планеты. Площадь поверхности Меркурия, сфотографированная космическими аппаратами Mariner-10 и Messenger, составляет 98% территории планеты (Dominque и др., 2011). На рис. 1 приведена карта NASA, на которой показана площадь покрытия поверхности Меркурия фотосъемкой Mariner-10 и Messenger.
По данным КА Messenger в NASA составлена глобальная карта рельефа поверхности Меркурия с охватом территории более 90% и построены стереографические изображения более 80% территории. Глобальная цветовая карта Меркурия имеет пространственное разрешение 2 км/пиксель, точность определения высот рельефа северного полушария в среднем составляет 1.5 м (http://astrogeology.usgs/ gov/maps/mercury-messenger-global-mosaic).
ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ МЕРКУРИЯ
Интегральные фотометрические характеристики поверхности Меркурия аналогичны лунным фотометрическим параметрам. Фазовая функция и главные фотометрические постоянные (геометрическое альбедо, сферическое альбедо, фазовый интеграл) Луны и Меркурия имеют близкие значения, что позволяет нам исследовать структуру поверхности Меркурия методами лунной фотометрии (Shevchenko, 2004; Pugacheva, 2006). Для изучения вариаций фотометрического рельефа использовался снимок поверхности Меркурия MDIS EW0108829708G, переданный с орбиты Messenger в течение первого сближения космического аппарата с планетой 14 января 2008 года (рис. 2а).
Изображение EW0108829708G было получено узкоугольной камерой NAC (Narrow Angle Camera) системы MDIS (Mercury Dual Imaging System) во время пролета аппарата над планетой. Для наблюдений использовался фильтр с эффективной длиной волны 486 нм, расстояние от центра Меркурия составляло 27635 км. В момент съемки положение КА Messenger в планетоцентрической координатной системе соответствовало координатам 3.0° N; 224.9° W. Планетоцентрические координаты подсолнечной точки имели значения 1.0° S; 170° W. Долгота центрального меридиана снимка 225° W, значение планетоцентрического фазового угла 56°.
Для оценки освещенности поверхности Меркурия фотоснимок планеты был преобразован программой CIMG STI системы SpaceBar в цифровую
1 15 29 43 57 71 85 99 113127141155169183197 211 The photographic density
The relative brightness, intensity
Рис. 2. (а) Снимок MDIS EW0108829708G неизученной стороны Меркурия, переданный с орбиты Messenger во время первого сближения космического аппарата с планетой.
(б) Гистограмма фотографической плотности снимка Меркурия MDIS EW0108829708G.
форму с размером матрицы 1024 х 1024 пикселей. На основе статистической обработки цифровой матрицы была построена гистограмма фотографической плотности снимка (рис. 2б).
Гистограмма распределения фотографической плотности имеет трехмодальный характер. Две основные моды 80 и 127 единиц соответствуют
областям, освещенным Солнцем. Мода затененных областей имеет нечеткий, меньший максимум в 30 единиц. Значения фотографической плотности были прокалиброваны по эталонной шкале с полями измеренной относительной яркости.
Для отождествления элементов рельефа снимок MDIS EW0108829708G был преобразован в цвето-
Рис. 3. (а) Снимок неизученной стороны Меркурия, преобразованный многомерной системой сегментации снимков с помощью фильтров красного, зеленого, синего и инфракрасного. На снимке выделены контуры рельефа Меркурия разной степени яркости и фрагменты тонкой фракции. (б) На снимке Меркурия проведены изолинии равных значений яркости поверхности (идеальные изофоты). (в) Освещенность поверхности Меркурия солнечным светом. Пунктирные линии соответствуют углам падения солнечных лучей.
вое изображение системой многомерной сегментации Ми^рес. Система сегментации имеет четыре фильтра: красный, зеленый, синий и инфракрасный. С помощью системы MultiSpec на снимке выделены разным цветом контуры рельефа по степени яркости поверхности, а также фрагменты тонкой фракции морфологических структур. Для публикации в статье цветной снимок, обработанный системой многомерной сегментации, был преобразован в черно-белое изображение (рис. 3а).
Для изучения структуры фотометрического рельефа Меркурия использовалась модель средней пространственной индикатрисы рассеяния света. Модель позволяет представить среднее распределение яркости по видимому диску планеты (Шевченко, 1979; 1980; Р^асЬеуа и др., 2001).
Геометрически индикатриса рассеяния изображается поверхностью, описываемой текущим вектором в области положительных значений угловых параметров /, е, А (/ — угол падения солнечных лучей, е — угол отражения, А — азимут между плоскостями падения и отражения). Аналитическое выражение единичного радиус-вектора текущей точки имеет вид:
р = ax х i + a х j + az x k,
(1)
где ax, ay, az являются прямоугольными декартовыми координатами вектора р в системе векторов Т, г, A.
Скалярная функция единичного радиус-вектора фотометрической яркости в текущей точке равна:
р = (sin б sin A) i + (sin 6 cos A) j +
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.