научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛЫХ УДАРНЫХ КРАТЕРОВ В ПОЛЯРНЫХ ОБЛАСТЯХ ЛУНЫ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛЫХ УДАРНЫХ КРАТЕРОВ В ПОЛЯРНЫХ ОБЛАСТЯХ ЛУНЫ»

УДК 523

ОСОБЕННОСТИ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛЫХ УДАРНЫХ КРАТЕРОВ В ПОЛЯРНЫХ ОБЛАСТЯХ ЛУНЫ

© 2015 г. А. А. Коханов1, М. А. Креславский1 2, И. П. Карачевцева1

Московский государственный университет геодезии и картографии, Россия 2Университет Калифорнии — Санта Круз, Санта Круз, США е-шаП: kokhanov@inbox.ru Поступила в редакцию 26.03.2015 г.

В работе приведено описание автоматизированного алгоритма определения морфометрических параметров простых (чашеобразных) ударных кратеров по цифровым моделям рельефа (ЦМР). Оригинальный алгоритм апробирован при массовых морфометрических измерениях малых ударных кратеров (с диаметром от 100 м до 1 км) в нескольких материковых областях Луны, включая полярные участки. Анализ полученных результатов показал, что кратеры в полярных областях отличаются от кратеров в иных материковых регионах, в частности, свежие кратеры имеют систематически меньшую глубину. Кроме того, типичная форма внутренней части кратеров в полярных областях несколько ближе к чашеобразной, а на типичных материках — к конической. Эти особенности могут быть связаны с низкими температурами и наличием летучих в приповерхностном слое в полярных регионах Луны.

Ключевые слова: Луна, приполярные регионы, малые ударные кратеры, автоматизированные мор-фометрические измерения, ЦМР, ГИС, Луна-Глоб и Луна-Ресурс.

БО1: 10.7868/80320930X15050060

ВВЕДЕНИЕ

За сравнительно небольшой период времени (с 2009 г. — по настоящий момент) приборами космического аппарата Lunar Reconnaissance Orbiter (КА LRO) с полярной окололунной орбиты был получен огромный объем данных дистанционного зондирования поверхности Луны, который во многих аспектах революционизировал наши знания о ближайшем к Земле планетном теле. В частности, в точности и разрешении топографических данных произошел громадный скачок. Огромный объем данных КА LRO требует разработки новых автоматизированных методов анализа. В настоящей работе мы представляем новый автоматизированный инструмент, интегрированный в среду географической информационной системы (ГИС) ArcGIS (http://www.esri.com/software/arcgis/arcgis-for-desktop), для проведения массовых морфометрических измерений малых кратеров.

Количественные оценки параметров небольших ударных кратеров и их статистический анализ — это многообещающий метод для исследований разнообразных процессов на Луне, который стал доступным благодаря вышеупомянутым новым топографическим данным КА LRO. В ближайшее десятилетие мы предвидим поток работ в этом направлении. В частности, в недавней работе (Basilevsky и др., 2014) проанализирована сравни-

тельно небольшая выборка малых лунных кратеров, расположенных на морских участках в районе передвижения Луноходов-1 и -2, и получены важные результаты о скорости деградации малых кратеров.

За исключением поверхности нескольких самых молодых крупных ударных кратеров, малые ударные кратеры (менее 1 км в диаметре) на Луне находятся в состоянии насыщения, т.е. при усреднении по большим площадям и интервалам времени существует динамический баланс между образованием новых кратеров и уничтожением старых. Основным процессом, уничтожающим такие кратеры, является перекапывание лунного реголита (верхнего сильно раздробленного слоя поверхности) метеоритными и микрометеоритными ударами, так что кратеры в среднем уничтожаются значительно раньше, чем на них накладываются более молодые кратеры того же размера. Таким образом, популяция малых кратеров содержит информацию как о процессах образования кратеров, так и перекапывании реголита.

В настоящем исследовании мы статистически сравниваем геометрические параметры малых (100 м—1 км в диаметре) кратеров в полярных областях Луны и в типичных материковых районах на других широтах. Особый интерес к полярным районам объясняется двумя причинами. Во-пер-

вых, благодаря низким температурам поверхности, полярные районы играют роль холодных ловушек для летучих веществ, с чем, вероятно, связаны разнообразные интересные явления, о которых мы пока знаем очень мало. Во-вторых, в последнее время полярные районы рассматривались как перспективные места для посадок спускаемых аппаратов, в частности, российских, и даже для создания обитаемых баз, и исследование этих районов является важным с инженерной точки зрения.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ВЫБОР ИССЛЕДУЕМЫХ УЧАСТКОВ

Мы используем два принципиально различных источника топографических данных о поверхности Луны. Один — это данные лазерного альтиметра LOLA (Lunar Orbital Laser Altimeter) на борту КА LRO (Smith и др., 2010a; 2010b). Они характеризуются чрезвычайно высокой вертикальной точностью (сантиметры). Индивидуальные отсчеты альтиметра вдоль трассы КА разделены расстоянием ~57 м или более, и расстояния между ближайшими трассами часто превосходят 100 м. Из-за этого массовые систематические морфометрические измерения кратеров при помощи этих данных возможны только для кратеров больше ~1 км в диаметре. Однако в полярных областях, где трассы КА, находящегося на полярной орбите, пересекаются, плотность данных оказывается на порядки величины выше. Одним из информационных продуктов, поставляемых командой инструмента LOLA в общедоступную Систему планетных данных NASA (PDS, Planetary Data System), являются цифровые модели рельефа (ЦМР) высокого разрешения (с дискретизацией 5 м на элемент разрешения, пиксел) на полярные области Луны. Несмотря на пересечения трасс КА, далеко не каждый пиксел этих ЦМР имеет хотя бы один отсчет альтиметра; в случае отсутствия отсчетов высота поверхности для такого пиксела вычислялась путем интерполяции. Мы используем эти ЦМР (далее LOLA DTM) для измерений кратеров в полярных областях.

Другим источником топографических данных высокого разрешения являются цифровые модели рельефа (ЦМР), построенные фотограмметрическим методом (Tran и др., 2010) по стереопарам изображений высокого разрешения, полученным камерой LROC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera) на борту КА LRO (Robinson и др., 2010). Ряд таких ЦМР (далее LROC DTM) с дискретизацией 2 м на пиксел доступны в PDS. Фактическое разрешение LROC DTM несколько хуже, чем 2 м; качество ЦМР сильно зависит от условий освещения и наблюдения для исходных снимков, образующих стереопары. Внутреннюю точность высот для таких ЦМР оценить нелегко, однако визуаль-

ный анализ и сравнение с индивидуальными высокоточными профилями по данным LOLA показывает, что общее качество (пригодность для измерений малых кратеров) LROC DTM превосходит качество полярных LOLA DTM. К сожалению, LROC DTM в принципе могут иметь высокое качество только на низких и средних широтах, где возможно сделать снимки с оптимальной геометрией освещения и наблюдения. На высоких широтах и, особенно, в полярных областях, за счет того, что плоскость лунного экватора всегда близка к плоскости земной орбиты, солнце всегда находится низко над горизонтом, и большая часть поверхности находится в тени, что делает невозможным создание качественной ЦМР по стереопарам. Поэтому на полярные области LROC DTM не могут быть созданы в принципе. В силу сказанного выше, мы вынуждены использовать разные данные в полярных областях (LOLA DTM; http://pds-geosciences.wustl.edu) и вне их (LROC DTM; http://wms.lroc.asu.edu).

Для изучения малых лунных кратеров в полярных областях мы выбрали три участка (рис. 1, таблица): непосредственно на полюсах, на южном (далее участок SP) к югу от 89.5° ю.ш. и на северном (участок NP) к северу от 89.5° с.ш., а также участок в южной приполярной области (участок SA) на 164° з.д. - 172° з.д. и 87.5° ю.ш. -88.2° ю.ш. Участок SA выбран так, что он имеет наиболее высокую плотность отсчетов LOLA: данные есть для 10.1% пикселов, для остальных высоты получены интерполяцией. Для участков SP и NP на полюсах доля пикселов с данными составляет 9.9 и 9.0% соответственно.

Для сравнения мы выбрали участки вне полярных областей, согласно следующим критериям: участки должны располагаться в типичных материковых областях, поскольку полярные участки также расположены на материках, вдали от крупных молодых кратеров, и должны быть обеспечены LROC DTM максимального разрешения и высокого качества. В результате были выбраны следующие участки (рис. 1, таблица): участок вокруг места посадки автоматической межпланетной станции Лу-на-20 (далее участок L20; в PDS хранится как область интереса LUNA20), участок в районе кратера Феоктистов (участок F, область интереса FEOKTISTOV в PDS), и участок NC на типичном южном материке на видимой стороне Луны (область интереса NEWCRATER1 в PDS). С геологической точки зрения участок L20 находится на ближних выбросах древнего ударного бассейна Моря Кризисов, участок F расположен на валу древнего ударного бассейна Моря Москвы, а участок NC находится на типичном материке вдали от выраженных бассейнов.

Рис. 1. Схема расположения выбранных участков. Мозаика снимков широкоугольной камеры LR.CC представлена в азимутальной равновеликой проекции Ламберта. На мозаике хорошо видны обширные тени в полярных областях.

МОРФОМЕТРИЯ МАЛЫХ КРАТЕРОВ

Для каждого участка по имеющимся ЦМР с помощью инструментов АгсОК 10.* были созданы файлы отмывки рельефа с имитацией источника освещения на высоте 45° над горизонтом (см. пример на рис. 2). Использование отмывки рельефа в качестве основы для дешифрирования объектов позволяет избежать сдвигов границ объекта относительно ЦМР, возникающих при дешифрировании по изображениям; выделять те объекты, которые точно выражены и определены на ЦМР; имитировать одинаковые условия осве-

щения и наблюдения в пределах дешифрируемого участка и для всех исследуемых участков.

С использованием полученных синтетических изображений мы собрали все кратеры как векторные объекты в АтсОК с помощью инструмента Сга1егТоок (Кпе^ и др., 2011). В результате для каждого участка был создан каталог кратеров с размерами от 100 м до 1 км, содержащий их координаты и диаметр. В таблице сведено общее количество кратеров в каталоге, рис. 2 показывает пример дешифрирования кратеров для участка 8Р

Выбранные участки и количество дешифрированных кратеров

Участок Координаты центра Площад

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.

Показать целиком