УДК 523.3
НАРУШЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ВЫЗВАННЫЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ © 2012 г. В. Г. Кайдаш, Ю. Г. Шкуратов
НИИ астрономии Харьковского национального университета им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина Поступила в редакцию 16.06.2011 г.
По данным съемки лунной поверхности, выполненной узкоугольной камерой космического аппарата Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), построены изображения, передающие распределение фазовых отношений мест посадки космических кораблей Äpollo-11 и -12, а также места падения станции Ranger-9. На полученных изображениях видны следы нарушения структуры лунного реголито-вого слоя, вызванные воздействием газовых струй; в месте падения станции Ranger-9 виден кратер размером около 15 м с лучевой системой, которая заметна слабо на яркостном изображении, но очень контрастна на изображении фазовых отношений. Характер фотометрической аномалии лучей этого кратера показывает, что они сформированы выбросами камней, создающих сложный рельеф, который порождает сильный теневой эффект. В то же время воздействие газовых струй ракетных двигателей сглаживает рельеф и приводит к появлению фотометрических аномалий другого знака. Оценка степени зрелости лунного реголита для мест посадки Äpollo-11 и -12 по данным спектральной съемки КА SELENE указывает на малую глубину воздействия ракетных двигателей на грунт; поверхность ударного кратера, образованного КА Ranger-9, содержит много незрелого грунта.
ВВЕДЕНИЕ
Отражательная способность (видимое альбедо) Луны зависит от состава и структуры поверхности. Таким образом, измерения альбедо могут дать важную информацию об этих характеристиках, которую не всегда можно получить другими методами дистанционного зондирования. Существует много работ по картографированию химико-минералогического состава лунной поверхности с помощью изображений, полученных в разных длинах волн видимого и ближнего инфракрасного диапазона (Johnson и др., 1991; Lucey и др., 1998; 2000а; Lucey, 2004; Pieters и др., 2006; Shkuratov и др., 1999; 2003). Попыток картографирования структурных характеристик поверхностного слоя Луны предпринято гораздо меньше.
Фотометрическим методом можно исследовать вариации шероховатостей лунной поверхности, размеры которых меньше элемента разрешения изображения. Степень шероховатости оценивается с помощью измерений отражательной способности как функции фазового угла а. Фазовая функция яркости имеет пик при а = 0; с ростом а она быстро спадает. Скорость падения (крутизна функции) зависит от степени шероховатости, поскольку с увеличением шероховатости усиливается эффект затенений, который непосредственно влияет на яркость поверхности. В различных точках лунной поверхности крутизна фазовой функции может быть разной. Это означает, что по измерениям отношений двух совме-
щенных изображений, полученных при разных углах фазы, можно судить о вариациях структуры исследуемой поверхности (Shkuratov и др., 1994). Этот метод называется методом фазовых отношений (phase ratio imaging). Он напоминает метод цветовых отношений (color ratio imaging), но в данном случае определяется отношение изображений не при разных длинах волн, а при различных фазовых углах.
Участки с необычной шероховатостью могут проявляться на изображениях фазовых отношений как аномальные. Метод фазовых отношений является очень перспективным методом дистанционного зондирования. С его помощью удалось обнаружить несколько фотометрических аномалий лунной поверхности в Океане Бурь, которые, вероятно, представляют собой области недавних выпадений небольших метеороидных роев, оставивших неглубокие следы в лунном реголитовом слое (Shkuratov и др., 2010). Курьезно, что при этом были использованы цифровые изображения Луны, полученные, фактически, с помощью любительского телескопа с апертурой 0.5 м.
Человеческая деятельность на лунной поверхности влияет на структуру верхнего слоя реголита, и это может быть обнаружено методом фазовых отношений. В частности, с помощью данных космического аппарата (КА) Clementine (1994 г., разрешение 100 м/пиксел) удалось найти фотометрическую аномалию точно в месте посадки космического корабля (КК) Apollo-15 (Kreslavsky, Shkuratov, 2003). Исследования мест посадок кос-
мических аппаратов были продолжены нами с использованием данных высокого разрешения ЬЯО и метода фазовых отношений для мест посадок КК Аро11о-14, -15 и -17 (КауёазИ и др., 2011). Непосредственно в местах посадок удалось обнаружить нарушения структуры лунной поверхности, вызванные ударом струй двигателей посадочных модулей и деятельностью астронавтов на поверхности, что подтвердило наши ранние результаты (Кгез1аузку, ВЪкшгаШу, 2003). В настоящей работе мы рассматриваем места посадок КК Аро11о-11 и -12, используя данные ЬЯО; сюда мы включили также результаты исследований места жесткой посадки КА Яап§ег-9.
ДАННЫЕ УЗКОУГОЛЬНОЙ КАМЕРЫ КА LRO
Американский КА LRO был запущен 18 июня 2009 г. Этот КА предназначен для исследований Луны, целью которых является обнаружение и описание перспективных мест посадок пилотируемых и беспилотных КК для дальнейшей колонизации нашего спутника (Chin и др., 2007; Robinson и др., 2010). В состав научной аппаратуры LRO вошел комплекс камер LROС (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera), содержащий, в частности, узкоугольную камеру NAC (Narrow Angle Camera). Детектором в камере является ПЗС-ли-нейка Kodak KLI-5001G (динамический диапазон 12 бит). Питающая оптика камеры — телескоп системы Ричи—Кретьена (D = 200 мм, F = 700 мм) с полем зрения 2.86°. Полоса спектральной чувствительности LROC NAC находится в диапазоне 400-750 нм (Robinson и др., 2010). Камера LROC NAC способна дать пространственное разрешение 50 cм/пиксел с высоты 50 км. При таком разрешении возможна надежная идентификация посадочных ступеней КК серии Apollo и КА серии Луна на изображениях LROC NAC.
Таким образом, на данный момент имеется огромный массив изображений (~360000), полученных для некоторых участков при различных условиях освещения и наблюдения, т.е. при различных фазовых углах (http://lroc.sese.asu.edu/news/ index.php?/archives/359-LROC-5th-PDS-Release. html). Все данные калиброваны и представлены в единицах мкВт/^м2 ср нм), с учетом темнового тока, плоского поля и влияния нелинейности отклика приемника (ПЗС-матрицы). После учета солнечной постоянной и приведения к расстоянию Солнце-Земля в 1 а. е. отсчеты изображений переводятся в единицы видимого альбедо (radiance factor) (Robinson и др., 2010).
Среди этого массива изображений нами были выбраны такие, которые получены для одних и тех же участков при разных фазовых углах a1 и a2, но близких углах освещения и азимутальных углах. Близость этих углов для компонент фазового
отношения позволяет ослабить влияние разрешаемого на снимках рельефа поверхности. Таким образом, отношение изображений дает информацию о неразрешаемой на снимках структуре поверхности (шероховатости), которая определяет крутизну фазовой функцииf(a) (Hapke, 1993). Ведущим фактором в формировании этой крутизны является теневой эффект, который создается ре-го литовыми частицами (Hapke, 1993; Shkuratov и др., 2005); их размер составляет около 100 мкм. Вычисляя фазовые отношения Ъ = f(a1)/f(a2), полагаем в этой статье, что a1 < a2.
Параметр Ъ зависит не только от теневого эффекта; он также зависит от многократно рассеянного света, который засвечивает тени, создаваемые частицами. Это приводит к тому, что между Ъ и альбедо поверхности обычно наблюдается обратная корреляция (Kaydash и др., 2009; Shkuratov и др., 2010). Существенные отклонения от этой корреляции мы называем аномалиями. В частности, если для некоторого светлого участка поверхности значение параметра Ъ заметно больше того, что предсказывает уравнение регрессии отмеченной корреляции, то это называется положительной аномалией; в противоположном случае будем говорить об отрицательной аномалии.
Для того чтобы получить пригодные для анализа фазовые отношения, изображения компонент должны быть тщательно совмещены на уровне долей пиксела. Был применен давно использующийся алгоритм совмещения в скользящем окне по критерию максимума коэффициента корреляции "rubber-sheet geometric transformation" с формальной точностью совмещения 1/10 пиксела (Kreslavsky, Shkuratov, 2003; Kaydash и др., 2009).
МЕСТО ПОСАДКИ КА APOLLO-11
В период с 16 по 24 июля 1969 г. проходил первый исторический полет человека к Луне для высадки на ее поверхность. В состав экипажа КК Apollo-11 входили: Нейл Армстронг (командир), Эдвин Олдрин — они совершили посадку — и Майкл Коллинз (оставался на орбите). Посадка на Луну была осуществлена в южной части Моря Спокойствия: 0°41' северной широты, 23°26' восточной долготы. Главной задачей экспедиции был сбор образцов материала лунной поверхности; как в ближайшей окрестности лунной кабины (в случае неожиданного прерывания миссии), так и плановый сбор образцов в более широкой окрестности.
Фрагменты изображений M119699983R и M119693197L, полученные камерой LROC NAC и включающие место посадки КК Apollo-11, имеют одинаковое разрешение и близкие углы падения i и азимута подсолнечной точки, но различные фа-
Таблица 1. Характеристики изображений, полученных камерой LROC NAC для мест посадок КК Apollo-11 и -12, а также места падения КА Ranger-9
КА Номер кадра Разрешение, м/пиксел Угол наблюдения, град Угол падения, град Фазовый угол,град Азимут подсолнечной точки, град Широта центра кадра, град Долгота центра кадра, град
Apollo-11 M119699983RC 0.68 20.07 55.99 35.93 178.93 0.03 23.45
M119693197LC 0.67 21.03 55.08 76.11 178.37 0.03 23.5
Apollo-12 M109386083RC 0.50 4.75 3.63 2.07 205.23 -3.02 336.55
M124728623LC 0.50 8.29 4.73 11.4 240.85 -2.59 336.57
Ranger-9 M129302602RC 0.50 18.02 56.33 38.63 188.72 -12.57 357.59
M129309387RC 0.51 20.91 55.45 76.09 193.19 -12.56 357.55
зовые углы а (см. табл. 1). Углы наблюдения e также близки, что означает съемку по разные стороны от нормали к лунной поверхности для двух указанных снимков. Фрагмент M119693197L, соответствующий большему фазовому углу (а = 76.11°), показан на рис. 1а. Здес
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.