Вода в поверхностном слое грунта Марса

8 Ноя 2013

Российский нейтронный детектор ДАН на борту марсохода Curiosity (НАСА) уже более года изучает распределение воды в верхнем слое грунта по трассе следования марсохода. Информация, которую получают исследователи, — сколько воды и на какой глубине находится в кратере Гейла. Как это соотносится с ландшафтом района? Об этом на Четвёртом московском международном симпозиуме по исследованиям Солнечной системы рассказывал Руслан Кузьмин, старший научный сотрудник Института космических исследований РАН и ведущий научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН.

Четыре километра, которые Curiosity пропутешествовал в кратере Гейла, оказались очень разными с точки зрения того, сколько воды содержится в подповерхностном (порядка 60 см в глубину) слое грунта. Чтобы понять, почему так происходит, важны особенности ландшафта, о которых можно судить как по фотографиям высокого разрешения (0,25 м/элемент изображения) камеры HiRISE с орбитального аппарата Mars Reconnaissance Orbiter (НАСА), так и с нескольких камер, установленных на борту марсохода. Как показывает даже беглый анализ, вид марсианской поверхности также довольно разнообразен, причём на достаточно малых масштабах — порядка метра.

В месте посадки марсохода, Bradbury Landing, (получившей имя в честь писателя-фантаста Рэя Бредбери), снимки показывают много мелких возвышений и волнообразных гряд на в целом пологой равнинной поверхности, которая постепенно спускается к востоку. Отсюда до района Гленелг (Glenelg), куда направился Curiosity после посадки, перепад высоты составляет приблизительно 15 м. В некоторых местах, среди грубозернистого реголита видны обнаженные скальные породы размерами от одного до десятков метров. Это означает, скорее всего, что толщина обломочного реголита меняется от района к району от нескольких сантиметров до метра и даже более, и там, где она минимальна, наружу выходит скальное основание.

Эти, казалось бы, сугубо морфологические подробности очень важны для понимания информации о потоке нейтронов из-под поверхности планеты, которую получает прибор ДАН. Детектор ДАН различает нейтроны по энергиям: от относительно низкоэнергичных тепловых до более высокоэнергичных эпитепловых. Поток первых отражает количество водорода под поверхностью; если их число растёт, а более энергичных нейтронов — падает, то водорода на таком участке поверхности больше. Есть и второе важное обстоятельство: тепловые нейтроны хорошо поглощаются такими элементами, как хлор и железо, поэтому если число первых уменьшается, это также может означать, что на данном участке поверхности больше этих элементов.

Чтобы сопоставить нейтронный «отклик» поверхности с типами ландшафта и текстуры реголита, исследователи использовали три параметра. Первый из них QL1 отражает число зарегистрированных тепловых нейтронов. Его можно соотнести как с количеством водорода (чем выше QL1, тем больше воды), так и с распространённостью хлора и железа (чем ниже параметр, тем больше этих поглощающих элементов). Второй параметр QL2 в большей степени связан с эпитетепловыми нейтронами, а потому чувствителен только к водороду (чем меньше QL2, тем больше воды). Наконец, QL3 (или QL5 для пассивного режима работы ДАН) — отношение между числом зарегистрированных тепловых и эпитепловых нейтронов.

По фотографиям HiRISE было выделено несколько типов поверхности, и для пяти из них от места посадки до района Гленелг (протяженность трассы около 500 м), были построены графики изменения параметров (рисунки). По ним видно четкую корреляцию между QL1 и QL3 и типами поверхности: оба параметра значительно ниже для типов 11 и 5 и выше для типов 9, 8 и 6.

На дистанции 0–330 м и 420–500 м от места посадки все три параметра согласуются по тому, уменьшается или увеличивается количество подповерхностной воды. А вот на расстоянии 330–420 м QL1 показывает, что количество воды уменьшается, тогда как параметр QL2 отражает рост. Это не противоречие, поскольку QL1 чувствителен не только к водороду, но и к хлору и железу; таким образом, «разночтение» можно объяснить тем, что в верхнем слое грунта на этих участках больше этих поглощающих нейтроны элементов.

Кроме этого, по фотографиям вдоль трассы марсохода видно, что поверхность Марса в разной степени усеяна камнями. Из-за разной степени выветривания средний размер обломочного материала заметно меняется от места к месту. Во время 48 марсианских «дней» (солов) именно в подобном районе наблюдались заметные колебания параметра QL5 (отношение счета тепловых нейтронов к эпитепловым в пассивном режиме). Оказалось, что когда Curiosity пересекал районы с разной структурой реголита, в том числе те участки, где на поверхность выходят скальные породы, QL5 значительно менялся на дистанциях в 1–5 м. Его самое маленькое значение соответствовало скальному обнажению, а на участках с более мелкозернистым реголитом значение параметра повышалось.

Затем Curiosity достиг района Йеллоунайф Бэй (Yellowknife Bay), где поверхность, как видно на фотографиях, представляет собой обширный район (сотни метров) скальных обнажений древних осадочных пород с характерной полигональной сеткой трещин (при размере полигональных блоков от первых десятков сантиметров до 2 м). Здесь измерения ДАН показали, что содержание воды в верхних 60 см грунта значительно колеблется, причём это хорошо соответствует разнице в виде поверхности на масштабах 1,5–2 м. Так, например, измерения, проведенные у крупного обнажения скальной породы рядом с участком «трещиноватой» поверхности совпали с «двуслойной» моделью грунта: в верхней части содержание воды оценивается в 1,4 процента по массе, в нижней, глубже 16 см, — в 3,8 процента по массе. Измерения же, проведённые на соседнем участке, где реголит состоит из продуктов разрушения скальной породы вперемешку с нанесенным эоловым материалом, соответствуют другой модели распределения воды, где её содержание более равномерно — около 2,5 % по массе на всю глубину зондирования ДАН.

Участок Lower Sheepbed unit в районе Йеллоунайф Бэй. Кругами отмечены два типа поверхности, где прибор ДАН провел измерения в активном режиме. Распределение воды в грунте, относящемся к верхнему кругу, соответствует модели равномерного распределения с 2,5% содержания воды по массе. Данные, полученные для грунта в нижнем круге, соответствуют двуслойной модели с содержанием воды 1,4% по массе в верхнем слое (16 см) и 3,8% по массе — в нижнем. Фотография поверхности © NASA

Участок Lower Sheepbed unit в районе Йеллоунайф Бэй. Кругами отмечены два типа поверхности, где прибор ДАН провел измерения в активном режиме. Распределение воды в грунте, относящемся к верхнему кругу, соответствует модели равномерного распределения с 2,5% содержания воды по массе. Данные, полученные для грунта в нижнем круге, соответствуют двуслойной модели с содержанием воды 1,4% по массе в верхнем слое (16 см) и 3,8% по массе — в нижнем. Фотография поверхности © NASA

Эта работа продолжается. Сейчас число "намотанных" Curiosity километров уже превысило четыре, и до цели путешествия — горы Шарп — осталось ещё шесть. Пока ДАН проводит измерения в активном режиме, зондируя поверхность пучком нейтронов высоких энергий, и в пассивном, когда роль такого "зонда" выполняют космические лучи, прилетающие к поверхности Марса из космоса и генерирующие нейтроны в поверхностном слое марсианского грунта.

Среднее содержание воды (в процентах по массе) в верхнем слое грунта Марса, который зондирует ДАН (глубина порядка 60 см), вдоль трассы марсохода от 700 до 2000 м (пройденное расстояния показано по горизонтали). Цветами показано различное содержание воды в процентах (по вертикали)

Среднее содержание воды (в процентах по массе) в верхнем слое грунта Марса, который зондирует ДАН (глубина порядка 60 см), вдоль трассы марсохода от 700 до 2000 м (пройденное расстояния показано по горизонтали). Цветами показано различное содержание воды в процентах (по вертикали)

Файл пресс-релиза: