АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2014, том 48, № 3, с. 183-191
УДК 523.3
НАРУШЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВБЛИЗИ МЕСТА ПОСАДКИ КА ЛУНОХОД-1 © 2014 г. В. Г. Кайдаш, Ю. Г. Шкуратов
НИИ астрономии Харьковского национального университета им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина
Поступила в редакцию 24.01.2013 г.
Американский космический аппарат Lunar Reconnaissance Orbiter выполнил съемку высокого разрешения мест посадок пилотируемых кораблей серии Apollo и автоматических станций серии Луна. На снимках, полученных с помощью узкоугольной камеры LROC NAC, видны следы антропогенного воздействия на лунную поверхность в этих местах. Однако такие следы не всегда заметны достаточно хорошо, поскольку маскируются неоднородностями яркости исследуемого участка поверхности, которые вызваны его топографическими особенностями и альбедными вариациями. Возможность распознавания нарушений первоначальной структуры лунной поверхности существенно возрастает, если для анализа данных используется так называемый метод фазовых отношений. Суть его состоит в вычислении отношения двух совмещенных снимков одного и того же участка поверхности, полученных при разных фазовых углах. Мы применили этот метод для изучения места посадки советской АМС Луна-17, которая доставила на лунную поверхность КА Луноход-1. Было обнаружено нарушение структуры, вызванное газовыми струями двигателей станции, и следы колес КА Луноход-1, которые на обычных снимках видны недостаточно хорошо.
DOI: 10.7868/S0320930X14030037
ВВЕДЕНИЕ
Оптическая съемка Луны с высоким пространственным разрешением позволяет обнаруживать следы взаимодействия космических аппаратов с ее поверхностью. Это могут быть следы передвижных лабораторий, а также следы удара газовых струй посадочных модулей. Струи ракетных двигателей разрушают первоначальную структуру поверхности, вздымая пыль.
Для оценки масштабов и степени изменения структуры поверхности при таком взаимодействии необходимы изображения с пространственным разрешением не хуже, чем несколько десятков сантиметров на пиксел изображения. Такие данные были получены на протяжении последних лет в ходе выполнения американской лунной миссии LRO — Lunar Reconnaissance Orbiter; аппарат LRO был запущен к Луне в июне 2009 г. Цель этой миссии — поиск перспективных мест лунной поверхности для будущих космических исследований (Chin и др., 2007; Robinson и др., 2010). Разрешение снимков поверхности, полученных узкоугольной камерой LROC NAC в ходе регулярной и научных фаз миссии, составляет в среднем около 50 см/пиксел. Для обнаружения следов антропогенного воздействия такие изображения эффективны в сочетании с методом фазовых отношений (см., например, Kaydash и др., 2011).
Метод фазовых отношений позволяет оценивать шероховатость светорассеивающей поверхности в масштабах меньше элемента разрешения изображения. Характеристикой шероховатости служит наклон фазовой функции /(а), которая описывает зависимость отражательной способности от фазового угла а. Обычно эту функцию нормируют. Она имеет максимум при а = 0. С увеличением а функция /(а) быстро падает. Скорость этого падения, или наклон функции, зависит от того, насколько поверхность шероховата, так как у шероховатых поверхностей эффект затенений, влияющий на /(а), более выражен. Естественно, что разные участки лунной поверхности имеют немного разный наклон /(а). Изменение яркости поверхности, наблюдаемой при одинаковом освещении, но при разных углах визирования, связано с изменением относительного вклада теней, влияющим на величину рассеянного светового потока. Таким образом, по частному от деления двух совмещенных изображений одного и того же участка поверхности, полученных при разных углах фазы, можно судить о вариациях шероховатости. Мы назвали это направление лунной фотометрии методом фазовых отношений (phase-ratio imaging). Этот метод был разработан и многократно апробирован в работах сотрудников Харьковской обсерватории (Shkuratov и др., 1994; 2010; 2011; 2012; 2013; Korokhin, Aki-
mov, 1997; Kreslavsky, Shkuratov, 2003; Kaydash и др., 2009; 2011; 2012a; 2012b; Кайдаш, Шкуратов, 2012). В последнее время он стал применяться и другими исследователями (например, Clegg, Jol-liff, 2012). Он напоминает метод цветовых отношений (color-ratio imaging), предложенный Вай-текером (Whitaker, 1972), но в данном случае определяется отношение изображений, полученных не в разных спектральных диапазонах, а при различных фазовых углах, что технически гораздо сложнее (Kaydash и др., 2012а).
С помощью метода фазовых отношений были обнаружены фотометрические аномалий лунной поверхности в Океане Бурь; вероятно, это области недавних выпадений небольших метеороидных роев, которые оставили следы в реголите (Shkuratov и др., 2010). Также исследовались склоновые процессы в кратере Джордано Бруно (Shkuratov и др., 2012), кратерах Кеплер и Коши (Shkuratov и др., 2011; Kaydash и др., 2012a) и долине Шретера (Kaydash и др., 2012b).
Следы человеческой деятельности на лунной поверхности были обнаружены впервые методом фазовых отношений по данным КА Clementine (Kreslavsky, Shkuratov, 2003). Это были следы удара о поверхность газовых струй посадочного модуля КК Apollo-15. Разрешение данных камеры UVVIS КА Clementine составляло всего 100 м, поэтому обнаружение нарушений структуры оказалось на пределе возможного.
Позднее аналогичные исследования были продолжены для мест посадок КК Apollo-11, -12, -14, -15, -16 и -17 по данным LRO (Kaydash и др., 2011; Кайдаш, Шкуратов, 2012; Kaydash, Shkuratov, 2012). Для всех мест посадок пилотируемых КК Apollo нам удалось обнаружить нарушения структуры лунной поверхности, вызванные ударом струй двигателей посадочных модулей и деятельностью астронавтов на поверхности. Воздействие газовых струй ракетных двигателей сглаживает микрорельеф (Kreslavsky, Shkuratov, 2003; Immer и др., 2011) и приводит к появлению фотометрических аномалий. Используя данные LRO, мы также изучали место жесткой посадки КА Ranger-9. В месте падения этой станции виден кратер размером около 15 м с лучевой системой, которая заметна слабо на яркостном изображении, но очень контрастна на изображении фазовых отношений (Кайдаш, Шкуратов, 2012).
Этот же подход был использован нами для исследования мест посадок советских АМС Луна-16, -20, -23 и -24 (Shkuratov и др., 2013). В этом случае фотометрически аномальные пятна, связанные с посадочными модулями, имеют меньший размер, чем в случае КК Apollo, поскольку двигатели на-
ших станций были не столь мощными. Исключение составляет пятно, ассоциирующееся с местом посадки АМС Луна-24; оно оказалось вдвое больше, чем у других станций, возвратившихся с лунным грунтом на Землю. Кроме того, его центр смещен на 150 метров на северо-запад от места посадки.
В настоящей работе мы применяем метод фазовых отношений для изучения места посадки советской АМС Луна-17, которая доставила на лунную поверхность КА Луноход-1. Как оказывается, в этом случае наш метод также позволяет эффективно обнаруживать нарушения структуры, вызванные газовыми струями двигателей аппарата, и следы колес КА Луноход-1, которые на обычных снимках видны слабо.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
АМС Луна-17 была запущена 10 ноября 1970 г. Станция осуществила мягкую посадку 17 ноября в северо-западной части Моря Дождей в точке с координатами 38.32507° с.ш., и 36.9949° з.д. Станция несла на себе КА Луноход-1, который в тот же день съехал на грунт по аппарелям. Напомним основные характеристики самоходного аппарата. Его вес около 756 кг, длина с открытой солнечной батареей — 4.42 м, ширина — 2.15 м, высота — 1.92 м. Диаметр колес равен 510 мм, их ширина — 200 мм, а ширина колеи — 1600 мм. Программа работы КА Луноход-1 была рассчитана на 3 месяца, но проработал он почти втрое дольше — до 15 сентября 1971 г. За время своей работы аппарат проехал 10540 м, передав на Землю многие тысячи фотографий. Координаты КА Луноход-1 в конечной точке маршрута: 38.31870° с.ш., 35.00374° з.д. Определения координат сделаны с помощью снимков LRO. Приведенные характеристики аппарата заимствованы c сайта НПО им. С.А. Лавочкина: http://www.laspace.ru/rus/luna.html.
Для поиска следов КА Луноход-1 методом фазовых отношений мы использовали снимки, полученные узкоугольными камерами NAC, установленными на аппарате LRO. Светоприемниками камер являются ПЗС линейки Kodak KLI-5001G с динамическим диапазоном 12 бит. Камеры имеют поле зрения 2.85°; они работают в спектральном диапазоне от 400 до 750 нм (Robinson и др., 2010; 2012). Большая часть изображений Луны была получена с разрешением 50 см/пиксел, но некоторые участки — места посадок космических аппаратов серии Apollo и Луна были отсняты с разрешением 30 см.
Фрагмент одной из панорам, снятой КА Луно-ход-1, показан на рис. 1 (Виноградов, 1971). Он дает представление о характере нарушений струк-
Рис. 1. Часть панорамы, снятой камерой КА Луноход-1, на которой видны следы колес аппарата (Виноградов, 1971).
туры лунной поверхности, вызванных колесами этого аппарата. На рис. 2а, 2б представлены снимки высокого разрешения, полученные ЬЯОС NAC с 33 км лунной орбиты района посадки станции АМС Луна-17 (а) и района нахождения КА Луноход-1 (б). Здесь пространственное разрешение снимков около 30 см. На рис. 2а хорошо видны следы колес аппарата, но на рис. 2б их можно различить с трудом (http://lroc.sese.asu.edu/ news/index.php?/archives/538-Lunokhod-1-Revisited. html). К сожалению, даже такое разрешение не позволяет в полной мере идентифицировать следы нарушения начальной структуры лунной поверхности, вызванные антропогенной деятельностью. Это вызвано тем, что слабоконтрастные следы легко маскируются пространственными вариациями яркости, которые, в свою очередь, вызваны особенностями видимого рельефа и аль-бедными неоднородностями.
Для исследования следов КА Луноход-1 методом фазовых отношений мы использовали снимки, информация о которых дана в таблице. Снимки выбирались так, чтобы они мало отличались по азимутальному углу и углу падения света; все различия по фазовому углу обусловлены различиями угла отражения. Это позволяет
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.