Сравнительный анализ мерзлотных условий антарктиды и полярных областей Марса

Абраменко, Олег Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Сравнительный анализ мерзлотных условий антарктиды и полярных областей Марса
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Сравнительный анализ мерзлотных условий антарктиды и полярных областей Марса"

На правах рукописи

Абраменко Олег Николаевич

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕРЗЛОТНЫХ УСЛОВИЙ АНТАРКТИДЫ И ПОЛЯРНЫХ ОБЛАСТЕЙ МАРСА

Специальность 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва-2010

004606872

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель

доктор геолого-минералогических наук Комаров Илья Аркадьевич

Официальные onnoiieirrbi

доктор геолого-минерапогических наук Сывороткин Владимир Леонидович

кандидат физико-математических наук,

доцент

Родин Александр Вячеславович

Ведущая организация

«Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» (ГУ ААНИИ)

Защита состоится 11 июня 2010 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, геологический факультет, аудитория 801.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона «А», 6 этаж.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим присылать по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета, профессору В.Н.Соколову.

Автореферат разослан «10» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук, ••

профессор

В.Н.Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Геокриология является частью более общей науки криологии планет, которая в свою очередь является составляющей сравнительной планетологии. Мерзлые, морозные или переохлажденные породы, как естественно-исторические образования, не являются чем-то исключительным, присущим только Земле. Они широко развиты в пределах других планет Солнечной системы и их спутников. Поэтому разработка этой проблемы представляет как самостоятельный интерес, так и даст новые импульсы для понимания и, возможно, переосмысления ряда представлений о процессах, протекающих в криолитозоне Земли. Как сформулировал один из основоположников сравнительной планетологии К.П. Флоренский: «... в настоящее время Земля является единственным эталоном при изучении планет, на который мы вынуждены опираться и с которым сравниваем другие планеты, учитывая их специфичность», то есть одним из основных методов исследования является метод аналогий. Методы сравнительной планетологии отражают расширенное понимание принципа актуализма - подхода, при котором к объяснению прошлого идут от изучения современных процессов, но с учетом, конечно, неизбежных оговорок (Геологический словарь, 1978). Изучение планет открывает новые страницы в понимании Земли, которые мы не можем изучать на нашей планете в настоящий момент, но которые могли иметь место в прошлом.

Среди планет земной группы особое место в этом плане занимает Марс - планетное тело с ощутимой атмосферой, мощной криосферой и постоянным присутствием льда в полярных шапках. На Земле наиболее близким аналогом полярных областей Марса, в первую очередь северной полярной шапки, состоящей преимущественно изо льда Н2О, является Антарктида, сопоставимая по площади и мощности ледяного щита. Она характеризуется наиболее суровым климатом (на станции «Восток» зарегистрирован абсолютный минимум температуры -89,2 °С) и минимальным влиянием антропогенного фактора на ее природные условия.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы является проведение сравнительного анализа мерзлотных условий Антарктиды и полярных областей Марса, для выявления границ применимости метода аналогий, оценки мощности криолитосферы Марса в его полярных регионах и проявлений там экзогенных криогенных процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1. Обобщить и проанализировать последние данные по мерзлотным условиям полярных областей Марса и геокриологических условий Антарктиды;

2. Провести натурные исследования составляющих радиационно-теплового баланса поверхности, теплофизических свойств пород, глубины их сезонного опаивания и

температурного режима, для чего обустроить исследовательскую площадку в районе оазиса Ширмахера (станция «Новолазаревская», Антарктида);

3. С использованием информации, обработанной при помощи статистических методов, провести сравнительный анализ широтно-временной изменчивости составляющих радиационно-теплового баланса поверхности для районов полярных шапок Марса и расположения пяти российских полярных станций в Антарктиде («Новолазаревская», «Молодежная», «Беллинсгаузен», «Мирный», «Восток»);

4. С учетом полученных оценок о температурном режиме поверхности, мощности и топографии полярных шапок, скорректировать известные представления о мощности криолитосферы Марса.

5. Выявить особенности проявлений экзогенных криогенных процессов в полярных областях Марса;

6. Разработать гипотезу о механизме развития и эволюции формы морозобойной трещины в высоких широтах Марса.

Фактический материал представлял собой: космоснимки высокого разрешения «Марсианской Орбитальной Камеры» с орбитального комплекса «Mars Global Surveyor» и аппарата «Марс-3»; исследовательской аппаратуры, установленной на космических аппаратах миссии «Mars Odyssey» (нейтронный и гамма- спектрометр «HEND», лазерный дальномер «MOLA», теплоэмиссионный спектрометр «TES» и др.); данные о составе и характеристиках грунтов, полученные в ходе посадочных миссий «Viking» 1 и 2, «Mars Pathfinder» (альфа-протоновый рентген-спектрометр APXS), «Spirit» (спектрометр «Mössbauer»), «Opportunity» и «Phoenix»; фондовые материалы по составляющим радиационного баланса, температурным и другим условиям по антарктическим станциям «Новолазаревская», «Молодежная»), «Беллинсгаузен», «Мирный», «Восток»; данные по составляющим радиационно-теплового баланса поверхности, теплофизическим свойствам пород, температурному режиму района исследований, полученные автором за период сезонных работ 2007-2008 гг. на станции «Новолазаревская».

Для анализа климатических данных атмосферы и поверхности Марса использовалась База данных Европейского агентства (the Mars Climate Database of the European Space Agency, Laboratoire de Météorologie Dynamique du C.N.R.S., the UK Particle Physics and Astronomy Research Council).

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Обобщены последние данные по климатическим условиям, составу, строению, специфике формирования и динамике мощности полярных шапок Марса, полученные, в основном, с помощью методов дистанционных измерений с орбиты;

2. В районе оазиса Ширмахера (станция «Новолазаревская», Антарктида) в ходе сезонных работ 2007-2008 гг. были получены данные по составляющим радиационно-теплового баланса поверхности и теплопроводности приповерхностных слоев массива, глубине сезонного оттаивания и температурному режиму пород. Исследовательская площадка была оборудована нами с использованием аппаратуры, предоставленной кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова и логгерами, предоставленными Университетом г. Фэйрбэнкса (США). Исследовательская площадка (проект «CALM») занесена в единую базу данных по всему миру,

3. Для пяти полярных станций Антарктиды («Новолазаревская», «Молодежная», «Беллинсгаузен», «Мирный», «Восток») выявлены закономерности временной и пространственной изменчивости составляющих радиационного баланса поверхности, среднемесячных температур поверхности и их амплитуд. Эти же закономерности были выявлены для пространственной сетки полярных регионов Марса. Показано, что они носят во многом аналогичный качественный характер, однако наблюдаются существенные количественные различия;

4. С учетом климатических особенностей, состава и строения отложений полярных регионов Марса скорректирована средняя величина мощности криолитосферы Марса и построены ее гипотетические разрезы в меридиональном направлении;

5. В полярных регионах Марса обнаружены проявления криогенных экзогенных процессов, которые могут быть дифференцированы на 4 группы аналогично классификации экзогенных мерзлотных процессов, разработанных для земных условий JT.C. Гарагулей;

6. В соавторстве с P.O. Кузьминым, И.А. Комаровым, B.C. Исаевым в 2-х проекциях составлена карта проявления процесса морозобойного растрескивания для 420 участков Марса, где наблюдаются полигональные сети. Полигональные сети внутри ударных кратеров характеризуются наличием полигонов разных генераций. Предложен механизм процесса изменения формы и размеров первоначально образованной морозобоиной трещины.

Защищаемые положения.

1. Для Антарктиды и полярных регионов Марса фиксируется аналогичный в качественном отношении пространственно-временной характер закономерностей изменения составляющих радиационно-теплового баланса, температуры поверхности, однако по абсолютной величине наблюдаются существенные различия;

2. Оценена мощность криолитосферы Марса с учетом последних данных, полученных с орбитальных и спускаемых аппаратов, специфики условий в полярных регионах, а также исходя из гипотезы о наличии в недрах Марса высокоминерализованных рассолов;

3. Наблюдаемая ширина раскрытия трещин в высоких широтах Марса, достигающая в ряде районов нескольких метров, не противоречит гипотезе о том, что фиксируемые

полигональные сети в высоких широтах Марса образованы за счет процесса морозобойного растрескивания.

Практическое значение работы. Практическое значение работы связано с отработкой новых методик для исследования криогенных процессов и явлений на Марсе, использующих современные методы дистанционного и непосредственного зондирования (высокая разрешающая способность аппаратуры, ее компактные размеры, работа в автономном режиме и т.д.), которые со временем найдут или уже находят применение для аналогичных исследований при освоении северных территорий России. Определенные результаты могут быть использованы для планирования и осуществления последующих миссий освоения планеты Марс.

Ряд материалов и разработок используется при чтении курсов: «Введение в специальность», «Криология планет», «Общая геокриология», а также в ходе выполнении студентами курсовых, бакалаврских и магистерских работ.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано - 22 работы, из них 6 докладов в трудах международных конференций проводимых за рубежом (Германия, Потсдам, 2005 - 2 статьи; США, Хьюстон, 2006; Китай, Ланьчжоу, 2006; США, Фэйрбэнкс, 2008; США, Сан-Диего, 2008), 7 докладов в трудах международных конференций по сравнительной планетологии «Vernadsky - Brown Microsymposium» (Москва, 2003, 2004-2 доклада, 2006, 2008-2 доклада); 4 - доклада на международных конференциях по криологии Земли (Пущино, 2003, 2004; Тюмень, 2004, 2006); доклад в трудах 3-ей конференции геокриологов России (Москва, 2005); одна статья опубликована в журнале, рекомендуемом ВАК РФ, «Вестник Московского Университета» (Москва, 2009); 2 доклада на международной конференции «Ломоносов-2004» и «Ломоносов-2006» (Москва, 2004, 2006), 1 доклад на международной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 2008).

В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором, или при его участии в ходе исследований, проведенных на кафедре геокриологии, а также в ходе экспедиции в Антарктиду на станцию «Новолазаревская» в составе 53 Российской антарктической экспедиции в течение полевого сезона 2007-2008 гг.

Автор являлся лауреатом стипендии Президента Российской Федерации в 2007/2008 учебном году и конкурса «Гранты Москвы - 2005», а также участвовал в работах по грантам РФФИ (04-05-65110, 08-05-00566).

Структура и объем работы. Диссертация объемом 174 страницы печатного текста состоит из введения, пяти глав, выводов. Список использованной литературы содержит 123 наименования. Работа проиллюстрирована 121 цветным рисунком и 16 таблицами. К ней дано приложение в количестве 106 страниц, из которых 94 таблицы и 50 цветных графиков.

Диссертация выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ под руководством доктора геолого-минералогических наук И.А. Комарова, которому автор выражает глубокую признательность. Автор благодарит за помощь, ценные советы и замечания сотрудников кафедры геокриологии H.H. Романовского, Г.П. Пустовойта, К.А. Кондратьеву, С.Н. Булдовича, В.Н. Зайцева, сотрудника ГЕОХИ РАН P.O. Кузьмина, также сотрудников университета им. Брауна (США) J. Head III и М. Kreslavski. Автор очень признателен начальнику Российской антарктической экспедиции (РАЗ) В.В. Лукину и руководителю группы в составе 53 РАЗ С.Р. Веркуличу, а также всему персоналу станции «Новолазаревская» за содействие при проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность изучаемой проблемы. Даются общие сведения о Марсе. Названия основных форм рельефа приняты в соответствии с работой Г.А. Бурбы «Номенклатура деталей рельефа Марса» (Бурба, 1981). Обсуждается ряд вопросов, связанных с используемой терминологией. В частности, в литературе используются два равноправных термина «ареологическое строение» (от гр. арес - бог войны) и геологическое строение Марса и производные этих терминов. Последние используются нами. В отличие от специалистов климатологов, под термином «сублимация» нами подразумевается переход вещества при нагревании из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу (Горная энциклопедия, 1991). Специалистами по сравнительной планетологии приняты термины «лунный грунт», «марсианский грунт», нами использовался термин «марсианские породы». Указанными выше специалистами используется термин «полярные отложения Марса». Летучие вещества в твердой фазе (снег, лед) обычно не рассматриваются как осадки и осадочные горные породы. Однако, согласно Геологическому словарю (1978), отложения -это современные (осадки) и древние осадочные образования (осадочные горные породы), они образуются в результате различных физических, химических и биологических процессов, таких как переотложение продуктов выветривания и разрушения горных пород, химическое и механическое выпадение осадка из воды и др.

В первой главе обобщены последние данные о рельефе, строении, составе полярных регионов Марса и методах исследования этсгх регионов, описан механизм формирования полярных отложений, приведены данные по годовой и сезонной динамике мощности полярных шапок. Хотя Марс холоднее, чем Земля, его температурный режим более похож на земной, чем на режим любой другой планеты Солнечной системы. Диапазоны температуры и давления нижних слоев атмосферы сравнимы с аналогичными параметрами для средних слоев стратосферы Земли. Однако имеются и важные отличия. Температурные колебания нижних слоев атмосферы Земли смягчаются за счет влияния океанов, в то время как у Марса

океанов нет, и его поверхность покрыта материалом, имеющим низкую теплопроводность. В результате, для него характерны более значительные сезонные и суточные колебания температуры. Орбитальный эксцентриситет Марса и Земли различен, вследствие чего сезонная фазировка является важным фактором для современного климата Марса, имея относительно меньшее значение для климата сегодняшней Земли. Средняя температура поверхности составляет -63°С, при среднем альбедо 0,25; для северной полярной области летние температуры поверхности (в полярный день) достигают -63°С, зимние (в полярную ночь) - до ~138°С; для южной полярной области минимальные температуры поверхности -43°С летом и -143°С зимой.

Полярные шапки - это самые крупные на Марсе мерзлотно-гляциальные образования, поверхность которых осложнена сериями концентрических уступов и желобов, расположенных по спирапи относительно центра шапок и образующих в плане вихревидную структуру. Сезонная южная полярная шапка может достигать широты 45°, северная 55°. В настоящее время площадь остаточного ледяного покрова северной шапки Марса гораздо больше, чем южной - 1000 и 300 км в поперечнике соответственно, и сопоставима с площадью ледяного щита Гренландии. Различие в размерах ледяных покровов северной и южной шапок связано с тем, что сейчас летний период года в южном полушарии приходится на перигелий, т.е. когда Марс расположен ближе к Солнцу. По данным радара «MARSIS», установленного на борту спутника «Mars Express», мощность северной шапки достигает значения 4 км, южной - 3,7 км. На обеих шапках минимальные годовые вариации высоты поверхности составляют 10 см, причем прослеживается квазилинейная широтная тенденция максимальной аккумуляции СОг, составляющая 4 см на градус широты. Для южной шапки изменение мощности полярных отложений коррелирует с сезонным циклом обмена С02 между поверхностью и атмосферой. Максимальное изменение высоты поверхности (1,5 м - 2 м) наблюдается на широтах 80° и выше, в то время как основная часть обмена масс происходит на боле низких широтах (ниже 75° северной широты, и ниже 73° южной широты). Средняя плотность сезонно осаждающегося СОг составляет 910 кг/м3.

Специфика Марса по сравнению с Землей, заключается в наличии в составе шапок помимо льда Н20, также льда СО2 и пылевагых отложений. Для южной шапки характерно преобладание льда СОг, для северной - льда НгО. Согласно данным с «Viking Orbiter» количество льда СО2, отложившееся в виде наледи в пределах территории полярных шапок за зиму, составляет: 75±12 г/см2 на севере и 110±7 г/см2 па юге. Разница в количестве отложившегося льда проявляется в основном из-за более длительной зимы на юге. Наличие запасов воды на полюсах является существенным для изучения слоистых отложений, которые могут включать большое количество льда Н20. Достаточно сложно соотнести данные наблюдения за водяным паром и поверхностными процессами и, таким образом,

получить обобщенную сетку водяных запасов. В пределах территории северной полярной шапки за лето может быть сублимировано от 1 до 810"2 г/см2 льда Н^О.

При рассмотрении строения полярных регионов Марса можно выделить: 1) слоистые (переслаивающиеся) отложения и прилегающие к ним льды; 2) разнообразные территории, находящиеся на периферии районов слоистых отложений. Северные и южные слоистые отложения гораздо более схожи между собой, нежели северные и южные периферийные районы. Слоистые отложения лежат поверх базального равнинного материала, который древнее них и сильно испещрен кратерами на юге, и более молодой и сглаженный на севере. Остаточный лед залегает на слоистых отложениях обоих полюсов.

Для полярных регионов характерен активный режим ветров, который ведет к перемещению материала вдоль поверхности. Перенос одной четверти объема атмосферы Марса, интенсифицируемый процессами кристаллизации паров и сублимации льда НгО и СО2, способствует возникновению сильных ветров, которые способствуют эоловому переносу и эрозии. Внесезонная аккумуляция льда может возникать под воздействием таких процессов, как возникновение аэродинамической тени от поверхности, режим ветрового перераспределения, кратковременные локальные бури.

В главе также рассматриваются методы исследования полярных регионов Марса с помощью аппаратуры, установленной на орбитальных космических аппаратах: «Марс-3», «Mars Global Surveyor», «Mars Odyssey» и др.

Вторая глава посвящена рассмотрению геокриологических условий Антарктиды и методам исследований, проведенных автором в районе станции «Новолазаревская» (оазис Ширмахера, Антарктида) в полевом сезоне 2007-2008 гг.

Исследованием Антарктиды занимались В.Н. Богословский, Б.И. Впорин, Н.Ф. Григорьев, И.А. Зотиков, И.М. Симонов, П.А. Шуйский и многие другие. На основании этих работ в главе был проведен краткий анализ геокриологических условий Антарктиды. Основное внимание было уделено геокриологическим условиям района исследования.

Оазис Ширмахера располагается в центральной части Земли Королевы Мод: (70°ю.ш., 11° в.д.) Это цепь скалистых холмов и мелких гор, вытянутых в субширотном направлении на 18 км при ширине от 0,5 до 4 км. Площадь оазиса около 30 км2. С юга он граничит с материковым ледниковым покровом, а с севера — с шельфовым ледником Лазарева. Средняя высота гор 130—150 м и лишь две вершины - горы Ребристая и Приметная в центральной части оазиса — превышают 200 м. Относительные высоты колеблются от 10 до 150 м. Наибольшие контрасты высот наблюдаются в центральной части оазиса.

Благодаря частому чередованию циклов промерзания—протаивания в летние месяцы наблюдается большая активность процессов морозного выветривания. Продукты мелкого дробления благодаря сильным ветрам сносятся с возвышений, и поэтому верхние части

склонов сопок и гряд лишены мелкозема. Местами здесь четко выражена десквамация — растрескивание и отшелушивание пластин скальной породы. На крутых склонах, особенно по северной окраине оазиса, у подножия скапливается глыбовый материал. Сносимый со склонов материал откладывается в озерных котловинах и понижениях рельефа, где вместе с моренным материалом образует чехол рыхлых разнозсрнистых отложений мощностью до 1,5 м (в напорных моренах до 5 м и более). В нем в пределах СТС интенсивно протекают процессы пучения, морозного растрескивания и сортировки материала, приводящие к образованию криострукгурного микрорельефа: каменных колец, многоугольников и сезонно-трещинных полигонов. В пределах оазиса можно наблюдать все стадии развития форм криоструктурного микрорельефа: от небольших пятен мелкозема среди грубообломочного материала до хорошо развитых каменных колец и многоугольников.

С помощью аппаратуры, предоставленной кафедрой геокриологии МГУ, была отработана методика определения радиационно-теплового баланса поверхности, Для этого были использованы термоэлектрический балансомер М-10М, альбедометр походный М-69, актинометр АТ-50, анемометры МС-13 (чашечные) и гальванометры ГСА-1. Полученные данные по радиационному балансу на станции «Новолазаревская» были переданы в фонды Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) и использованы для изучения закономерностей изменения составляющих радиационного баланса поверхности и динамики температурных полей, совместно с данными по 4 другим российским антарктическим станциям: «Восток», «Беллинсгаузен», «Молодежная», «Мирный», которые находятся на побережье либо расположены внутри континента, на ледниках и внутри атгарктических оазисов.

В рамках проекта «CALM» заложена площадка для определения глубины сезонного опаивания, измерения температурного режима с помощью термометрии, теплопроводности приповерхностных слоев массива с помощью цилиндрического зонда постоянной мощности. Для фиксации результатов в годовом цикле были установлены логгеры, предоставленные университетом Фейрбэнкса (Аляска, США). Координаты площадки: 70°46'20" ю.ш. 11°48'95" в.д. Относительная высота площадки 110 метров над уровнем моря. Эта площадка занесена в единую базу данных по всему миру, и в дальнейшем на выбранном участке будут проводиться аналогичные измерения с определенной периодичностью.

Сопоставление результатов математического моделирования глубины сезонного оттаивания проведенное по различным методикам (с учетом теплообмена с подстилающими породами, периодического изменения температуры на поверхности и т.д.) с экспериментальными данными показало их удовлетворительное совпадение.

В третьей главе приводятся выявленные пространственно-временные закономерности изменения составляющих радиационно-теплового баланса поверхности для

5 указанных выше полярных станций Антарктиды и для районов северной и южной полярных шапок Марса. Сравнительный анализ представляет самостоятельный интерес, поскольку Антарктида характеризуется наиболее суровым климатом (станции «Восток» взята в качестве базовой для сравнения, абсолютный минимум температуры здесь достигал значения -89,2°С) и минимальным влиянием антропогенного фактора. Радиационно-тепловой баланс поверхности полярных областей Марса был необходим также для нахождения температурного режима массивов приповерхностных горизонтов.

Для оценки широтной и временной изменчивости параметров радиационного баланса поверхности, а также температурного режима ряда полярных станций Антарктиды были использованы фондовые данные Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (приложения 2.1 .-2.4.), а также данные, полученные автором в ходе экспедиции в Антарктиду в период сезона 2007-2008.

Обобщение наблюдений радиационного баланса в различных районах Антарктиды позволило выявить особенности конкретных районов, определяемые, главным образом, топографией, составом и свойствами подстилающей поверхности и условиями циркуляции атмосферы. В различные сезоны влияние этих факторов неодинаково. В тёмное время значение радиационного баланса, определяемое только эффективным излучением, зависит от температуры подстилающей поверхности и облачности. Днём основная составляющая радиационного баланса - поглощенная радиация - зависит от интенсивности инсоляции, облачности и альбедо подстилающей поверхности.

За период наблюдений годовые значения радиационного баланса ледниковой поверхности Антарктиды отрицательны и колеблются от -250 МДж/м2 до -500 МДж/м2. Характерно, что в центральных районах Антарктиды выхолаживание меньше, чем на антарктических склонах. Это связано с тем, что в глубине Антарктиды мощные приземные инверсии зимой увеличивают противоизлучение атмосферы (уменьшают эффективное излучение), а на склонах стоковые ветры разрушают приземные инверсии, что ведет к росту эффективного излучения и, следовательно, к более низким отрицательным величинам баланса. Северная граница отрицательного радиационного баланса (нулевая изолиния) на годовой карте совпадает с границей сплошных льдов, окаймляющих побережье Антарктиды. К северу от этой границы годовой радиационный баланс быстро растёт. Внутри области отрицательного радиационного баланса выделяются районы с положительными значениями - это оазисы, горные хребты, не покрытые ледниками, и стационарные полыньи. Эти поверхности характеризуются наибольшими значениями поглощённой радиации из-за низкого среднегодового альбедо, что существенно увеличивает радиационный баланс. В оазисах его декабрьское значение составляет около 400 МДж/м2, а годовая величина достигает 1200 МДж/м2.

Для станций «Беллинсгаузен», «Новолазаревская» (рис. 1а), «Молодежная», «Мирный» и «Восток» (рис. 16) наблюдается преобладание величины прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность й,,,, ,,,.,,„ (от 33 до 56%) над другими видами солнечной радиации; величина рассеянной солнечной радиации й,,«. изменяется от 6 до 32%, отраженной солнечной радиации <2,,,,,,, - от 6 до 26%, поглощенной солнечной радиации й„„ - от 3 до 23%, прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность й,,,.,,, - от 9 до 17% (табл. 1).

Таблица /. Суммарные за год значения тепловых потоков для составляющих радиационно баланса полярных станций Антарктиды, осредненные за весь период наблюдении ___(с 1956 г по настоящее время) __

Станция Радиационный баланс, й (МДж/м2) Прямая солнечная радиация на перпендикулярную поверхность. а„,„да, (МДж/м2) Прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность. й,„,..„„ (МДж/м2) Суммарная солнечная радиация. й™, (МДж/м2) Отраженная солнечная радиация. От, (МДж/м2)

Восток -212 10869 3310 4660 3525

Новолазаревская 1174 5713 2122 3942 841

Молодежная 1218 4556 1981 4226 1594

Мирный -267 4674 1968 4268 3409

Беллинсгаузен 638 1331 652 245 1426

Опогл; 3 106; 23% Опр перп; 5631;«%

йотр; 841; 6% <5рас; 1 823; 14% Опр гор; 2 089; 15%

Цпогл; 745; ^Н Опр перп; Ь

4% 10 869; 54% 1

Оотр; 3 |

" 925; 2094

Опр гор; 3 у

Орас; 1 Ш 310; 16» У

156;6%__^Д

Рис. I. Сводная диаграмма распределения солнечной радиации вблизи станции «Новолазаревская» (а) и станции «Восток» (б) за весь период наблюдений.

Для исследуемого участка вблизи станции «Новолазаревская» получены данные по температурному режиму приповерхностного массива пород (до глубин Зм) за период с января 2009 по январь 2010.

На Марсе, как и в Антарктиде, отмечается сложная картина формирования климата, связанная с широтной зональностью. На формирование климата влияют метеорологические условия теплого и холодного периодов, обусловленные сложными процессами радиационного обмена и тепломассопереноса в системе поверхность планеты - атмосфера -космическое пространство. Общая структура параметров радиационного теплообмена подобна.

Южная полярная шапка в перигелии марсианской орбиты обращена в сторону Солнца, и здесь холодные зимы сменяются жарким летом. В районе северной полярной шапки температурные контрасты зимы и лета несколько смягчены. Заметим, что ввиду значительного эксцентриситета орбиты Марса разность солнечной постоянной в перигелии и афелии и орбиты составляет около 40%. Климат на Марсе резко континентальный. Даже на экваторе после жаркого дня, ночью, могут быть заморозки. Распределение приходящей солнечной радиации характеризуется преимущественно широтной зональностью, а для излучения атмосферы характерна и широтная и региональная изменчивость.

В настоящее время размер (диаметр) ледяного покрова в северной области Марса гораздо больше, чем в южной - 1000 и 300 км в поперечнике соответственно, и сопоставим с ледяным щитом Антарктиды, а по площади и мощности полярные отложения Марса сопоставимы с ледяным щитом Гренландии.

Для оценки временной и пространственной изменчивости составляющих радиационно-теплового баланса поверхности, ее температуры, а также температуры приповерхностного слоя атмосферы была использована марсианская климатическая база данных (МКБД), которая явилась результатом совместных усилий LMD (Laboratoire de Meteorologie Dynamique du CNRS, LMD, Paris) и AOPP (Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics, Department of Physic, Oxford University, Oxford, England UK). База представляет собой расчетно-поисковую систему, позволяющую получить информацию о климатических параметрах на заданный момент времени для конкретной точки или области, начиная от поверхности Марса и с выбранным интервалом высоты. База имеет расчетный модуль и дружественный интерфейс, позволяющий получать информацию для интересующего участка в виде карт и таблиц. С использованием расчётного блока МКБД было построено более 50 карт и таблиц для пространственной сетки. Для северной и южной полярных областей брались широты 90°, 86,2°, 82,5°, 78,8°, 75°. Для кавдой из этих широт исследовались значения параметров по следующим долготам: 1Э5°ЗД, 90°ЗД, 45°ЗД, 0°ВД, 45°ВД, 90°ВД, 135°ВД, 180°ВД. Они включают в себя годовое изменение следующих параметров: инфракрасного излучения атмосферы и поверхности, поглощенной и отраженной солнечной радиации, среднемесячной температуры поверхности и т.д.

Для оценки величины турбулентного теплообмена с помощью МКБД находилась величина разности температур поверхности и атмосферы (на минимальной высоте 5 м). Значение коэффициента теплообмена принималось в диапазоне а = 2+5 (Вт/м2трад), исходя из данных, полученных для земных условий при давлении 6 мбар и характерных для Марса температурах. При расчете затрат тепла на сублимацию-аблимацию льда СОг или НгО среднегодовые значения интенсивности процесса были получены из МКБД. Теплота сублимации льда СОг принималась равной 572 КДж/кг, а НгО - 2816 КДж/кг (с учетом их

температурной зависимости). Величина теплопотока в массив оценивалась по рассчитанным среднегодовым градиентам температуры в приповерхностном слое льда СО2 или НгО и известной из литературы температурной зависимости коэффициентов теплопроводности льда СОг или Н2О.

В таблице 2 приведены среднегодовые значения составляющих радиационно-теплового баланса для выбранных участков северной и южной полярных областей Марса, полученные с помощью МКБД. Отрицательное значение радиационно-теплового баланса говорит об уменьшении среднегодовой температуры поверхности за расчетный период.

В Антарктиде и в полярных регионах Марса прослеживаются качественные аналогичные пространственно-временные закономерности, а гго абсолютной величине значения разные. Значения отраженной и поглощенной радиации в полярных регионах Марса несколько меньше, чем на станции «Восток».

Табл.2. Сводная таблица радиационно-теплового баланса участков полярных областей Марса _

Координата Составляющие радиационного баланса (Вт/м2) Составляющие теплового баланса (Вт/м2) о X « 3 "У со

Шапка Долгота широта Поглощенная солнечная радиация Инфракрасное излучение атмосферы Инфракрасное ] излучение поверхности| : Турбулентный теплообмен Затраты тепла на ] сублимацию Теплопоток 1______ Радиационный 6; (Вт/м2) 0 X 1 ю О в О § ь & 1 5 из

& Я 8 1 0Е 82,5Ы 40,103 18,057 42,147 0,509 18,018 0,096 16,013 18,624 -2,611

£ 2 0Е 82,55 45,920 20,643 47,512 -0,693 20,485 0,081 19,051 19,873 -0,822

Температура поверхности отложений северной и южной полярной шапки Марса несколько различна. Минимальная температура южной полярной шапки составляет 143°К, северной шапки - 148°К. В отличие от Земли, температура поверхности Марса определяется в основном прямым солнечным нагревом, а не теплопереносом в атмосфере, стремящейся выровнять температурные контрасты, вследствие чего, при средней температуре периферийной области Северной полярной шапки Марса в начале лета в 235°К температура локальных участков может немного превышать 272°К. В целом для южной полярной области в течение одного года характерно изменение среднесуточной температуры воздуха на высоте 5 м в диапазоне от 143,1 °К до 249,9°К, для северной от 147,8°К до 230,4°К. На рисунке 2 проиллюстрировано годовое изменение среднемесячной температуры поверхности Марса для одного из исследуемых участков по пространственной сетке. Различие в температурах связано с сезонным изменением состава и строения поверхностных слоев полярных шапок в плане.

260 240 220 ! 200 180 160 140

-180Е

-135W

-90W

-45W

-ОЕ

-45Е

-90Е

-135Е

3 4 5 6 7 S 9 10 11 12 Месяц марсианского года

Рис. 2. Годовое изменение среднемесячной температуры поверхности Марса на 750 СШ для разных параллелей, построенное по результатам обработки карт МКБД. Цвет линий соответствует выбранной пространственной сетке.

Температурный режим приповерхностных горизонтов северной полярной шапки, для которых характерно преобладание льда НцО, оценивался нами с помощью однослойной модели по программе «HeatMars» (Пустовойт, 2005). А для южной полярной шапки, которая в большей степени соответствует двухслойному строению массива, с преобладанием льда СОг, по программе «Heat» (Хрусталев и др., 1994) (рис. 3). Значение теплоемкости льда Н2О и СО2 при марсианских условиях бралось из справочной литературы.

температура, К

М Н» NJ

температура, К

Рис. 3. Распределение среднемесячных температур по массиву пород в южной (слева) и северной Ссправа) полярных шапках Марса по 180 долготе. ¿5 —месяц марсианского года.

Коэффициент теплопроводности вычислялся по известным значениям величин тепловой инерции и теплоемкости. Оцененная величина мощности слоя годовых амплитуд для южной полярной шапки составляла 12-И4м, для северной ■ 24+26м.

В четвертой главе с учетом критического анализа существующих оценок мощности криолитосферы Марса, а также развитых в третьей главе представлений о мощности, составе и строении отложений в полярных регионах, скорректирована средняя расчетная величина мощности криолитосферы Марса и построены ее гипотетические разрезы в меридиональном направлении.

В современных условиях Марса устойчивое существование льда в поверхностном грунте достигается на широтах в северном полушарии выше 40°, в южном - выше 55°. Основные проявления мерзлоты представлены характерными типами рельефа и образованиями: постоянными полярными шапками, флюидизированными выбросами из метеоритных кратеров, подсклоновыми шлейфами с признаками вязкопластичного течения пород, провально-просадочными и термоэрозионными образованиями, буграми пучения, оползневыми и полигональными формами рельефа. Данные по нейтронной спектроскопии дают количественные оценки содержания льда в этих горизонтах высоких широт, а при помощи спускаемого космического аппарата «Phoenix» в 2008 году было получено прямое свидетельство наличия льда НгО в приповерхностных горизонтах. Радар «MARSIS» позволил получить данные по глубинному распространению льда Н2О и СОг только для районов полярных шапок, достигающему 4 км. Тем не менее, большинство известных исследователей поддерживают гипотезу о наличие на Марсе криолитосферы, в отличие от Земли, где мерзлые породы распространены не повсеместно (криолитозона).

Существующие представления о мощности мерзлых пород и криолитосферы Марса базируются на работах P.O. Кузьмина, M C. Красса, S.M. Clifford и T.J. Parker и др. Оценка средней мощности криолитосферы Марса была проведена ими на основе модели установившегося температурного поля. Мощность массива мерзлых марсианских пород находилась по профилю стационарного распределения температуры по глубине для однослойной или многослойной литологической модели разреза, зная среднюю температуру поверхности, температуру фазового перехода НгО и значение теплопотока к нижней границе мерзлоты. Различия заключались в выборе: величин усредненных значений коэффициента теплопроводности верхних горизонтов, величин теплопотока снизу, средних температур поверхности, модели разреза. В результате расчетов у М.С. Красса и В.Г. Мерзликина средняя мощность мерзлых пород составила 2,7 км; у P.O. Кузьмина значения варьируют от 5 км под полярными шапками до 1,5 км в экваториальной зоне, а среднее значение составило 3,23 км; у S.M. Clifford и T.J. Parker значения средней мощности мерзлых пород составили 2,3-4,7 км на экваторе и 6,5-13 км на полюсах. Корректировка этих величин в сторону

уменьшения была обоснована в работах И.А. Комарова и B.C. Исаева. Ими были учтены: влияние давления на температуру замерзания воды НгО; наличие на поверхности иссушенного слоя реголита мощностью 0,3+1,5 метра, с крайне малой теплопроводностью, термическое сопротивление которого весьма существенно и сопоставимо с сопротивлением слоя свежевыпавшего снега мощностью 5+10 м; последние данные по льдистости и теплопроводности пород верхних горизонтов; наличие минерализации поровых растворов, исходя из гипотезы о присутствии в недрах Марса высокоминерализованных рассолов.

Однако вне рассмотрения осталась специфика условий в полярных регионах: климата, состава, строения и мощности полярных шапок, а также топография Марса в меридиональном направлении. Используя указанные выше предпосылки, нами, для оценки расчетной мощности криолитосферы, были проанализированы данные МКБД по температурному режиму пород и изменение высотных отметок (по интерпретации данных марсианского орбитального лазерного высотомера «MOLA») в меридиональном направлении. Данные о мощности отложений льда Н2О и СОг в полярных регионах принимались на основе результатов зондирования радаром «MARS1S». Анализ этих данных отражен в тексте третьей главы. Учет влияния давления вышележащих толщ на температуру начала замерзания рассолов осуществлялся дифференцировано: для полярных регионов использовалось классическое уравнение Клапейрона - Клаузиуса; для остальных регионов -обобщенное уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Химический состав рассолов принимался хлоридно-магниевым.

Произведенные расчетные оценки показали, что мощность криолитосферы Марса составляет в среднем 2400 м. Разрез сложен слоями (начиная с поверхности): морозных (мощностью до 300 м), мерзлых (мощностью от 1500 до 1900 м), охлажденных пород (мощностью от 40 до 250 м), и талых пород. В составе мерзлых пород были выделены криогидратсодержащие породы (мощность до 2200 м), не имеющие аналогов на Земле. Были построены гипотетические разрезы криолитосферы Марса в меридиональном направлении, в частности приведенные на рисунке 4.

В предположении, что в приповерхностных слоях приполярных регионов величина льдистости криолитосферы (по данным нейтронной спектроскопии) находится в диапазоне 50-55% по массе, можно оценить суммарный объем содержания льда в сферической оболочке Марса. Принимая среднюю мощность 2,4 км, при внешнем радиусе Марса в 3394 км она составит (0,6+3)-Ю8 км3, что примерно на 2 порядка превышает объем льда Н2О в полярных шапках. Так, по расчетам специалистов, работающих с данными «MARSIS», суммарный объем льда в южной полярной шапке (включая пылевые отложения и отложения льда СО2) равняется (1,6 ± 0,2)106 км3.

А)

Б)

Рис. 4. Схематизированная модель строения криолитосферы Марса для нулевого (А) и ШО-го меридиана (Б):

I - полярные отложения, 2 -морозные (иссушенные) породы, 3 - криогидратосодержащие породы, 4 - мерзлые породы, 5 - охлажденные породы, б - коренные породы, 7 - границы мерзлых пород.

Пятая глава посвящена анализу проявлений экзогенных криогенных процессов в полярных регионах Марса. В полярных регионах Марса наблюдаются проявления мерзлотных процессов, которые характерны и для земных условий, такие как: провальные и термоэрознонные образования, жидкостной снос, полигональный рельеф, солифлюкция и полярные шапки. Они свидетельствуют об активности мерзлотных процессов, имеющих место в прошлом и действующих в настоящее время. Эти процессы непосредственно наблюдаются с помощью визуального инструментария (марсианская орбит&чьная камера «МОС» и камера высокого разрешения «HiRISE») и оцениваются косвенным образом при интерпретации данных дистанционного зондирования поверхности (с помощью аппарат;,'ры «HEND», «TES», «THEMIS», «MARSIS» и др.). Несмотря на морфологическое сходство с аналогичными проявлениями этих процессов на Земле, генезис может быть отличным.

Для обобщения проявления мерзлотных процессов на Марса может быть использована классификация JI.C. Гарагули, разработанная для земных условий. Экзогенные криогенные процессы на Марсе могут быть подразделены на: собственно криогенные -полигональные формы рельефа, криогенное выветривание, морозное пучение пород; ледниковые образования; флювиальные склоновые формы и овраги; гравитационные -оползневые явления, останцовые формы образований в основании склонов (аналоги каменных глетчеров); эолового происхождения - ветровая эрозия и аккумуляция, приводящие к образованию котловин, дюн, барханов.

Работ, посвященных факту проявления полигональных форм рельефа в высоких широтах Марса достаточно много (P.O. Кузьмин, E.J. Brook, B.K. Lucchitta, М.Т. Mellen и др.). Однако в плане разработки механизма, процесса они носят отрывочный и фрагментарный характер. Наиболее подробно и комплексно этот вопрос разбирается в работах И.А Комарова и B.C. Исаева, а также ряде совместных публикаций с автором диссертации (Абраменко и др., 2004; Isaev et al., 2005; и др.).

Проведенная морфометрическая и статистическая обработка типичных участков полигонального рельефа Земли (в арктических областях России и в Антарктиде) и Марса показала сходство геометрии полигонов и подобный характер гистограмм распределения их линейных размеров, но средний линейный размер марсианских полигонов оказался значительно больше их земных аналогов. Эти проявления наблюдаются в области высоких широт Марса, где по данным гамма - и нейтронной спектроскопии возможно наличие льда-1 Н2О. Расчетная оценка линейных размеров марсианских полигонов, проведенная в рамках двухслойной термоупругой модели (Комаров И.А.), показала удовлетворительную сходимость с размерами полигонов, оцененными с помощью морфометрии. Таким образом, сравнительный морфометрический и статистический анализ формы и линейных размеров полигонов на Земле и Марсе, результаты математического моделирования, а также наличие

стабильного льда НгО в приповерхностных горизонтах Марса позволили предположить, что полигональные формы микрорельефа, отмеченные на его высоких широтах, сформировались в результате морозобойного растрескивания.

Нами совместно с P.O. Кузьминым, И.А. Комаровым и B.C. Исаевым была создана база данных, основанная на выборке из 420 участков полигональной поверхности (Приложение 5.1). На ее основе была составлена классификация и карта распространения полигональных форм в двух проекциях. Данная классификация отражает взаимосвязь встречающихся полигональных форм с другими формами рельефа, географическим положением участка и между собой внутри классификации. Классификация позволяет выделить наиболее характерные группы полигонального рельефа по размеру, характеру пересечений полигональной сети, и сочетаний разных типов на одной территории (генерации полигонов). За основу были взяты представления о классификации полигонального рельефа на Земле, разработанной H.H. Романовским.

Вне рассмотрения остались вопросы: о специфике формы полигонов в районе ударных кратеров и наблюдаемой «кажущейся» ширине раскрытия ряда морозобойных трещин на Марсе, которая может достигать первых метров, что на порядок больше, чем в земных условиях. Это ставит под вопрос гипотезу о том, что наблюдаемые трещины образовались за счет процесса морозобойного растрескивания.

В качестве объекта исследования был выбран типичный марсианский кратер диаметром около 2800 м. Внутри кратера наблюдаются полигоны 2-х генераций: первая -крупные размером десятки метров, вторая - мелкие полигоны размером первые метры. Для полигональной сети первой генерации целесообразно было выделить 3 типичные зоны по морфологии полигональной сети (рис. 5). Первая зона характеризуется, в основном, четырехлучевыми пересечениями трещин и разбросом размеров полигонов от 45 до 170 м при среднем значении в 90 м, вторая зона - трехлучевым и от 35 до 290 м при среднем значении в 120 м, третья зона - это центр кратера. По мере отступления от края днища кратера пересечение трещин приобретает неупорядоченную форму. Размер полигонов второй генерации внутри первой зоны изменяется от 3 до 14 м, преобладают полигоны размером 7 м, внутри второй зоны - от 2 до 13 м с наибольшим числом 6-тиметровых полигонов. Средние величины раскрытия трещин для первой генерации составляют от 3 до 8 м, для второй-до 1,5-2 м.

Предложен механизм развития и эволюции морозобойных трещин, который обусловлен сублимацией льда со стенок трещины с последующим обсыпанием пород со стенок и преобразование первоначальной клиновидной формы в воронкообразную. Предполагается, что трещина зарождается в самое холодное время зимнего периода. В силу того, что температура по разрезу возрастает, а парциальное давление водяных паров зависит

от температуры экспоненциально, то интенсивность сублимации у основания трещины будет на порядок выше, чем из приповерхностных слоев. В результате обезвоживания стенки трещины происходит ее обсыпание и образуется ниша. У основания трещины первоначальная плоскостная форма фазового перехода преобразуется в объемную, что приводит к дальнейшей интенсификации процесса. Заполняющий трещину реголит не является существенным сопротивлением переносу влаги, зато, обладая большим термическим сопротивлением, сохраняет температурный фон в нижней части трещины более высоким.

Рис. 5 Полигональные формы внутри ударного кратера (МОС 104544, разрешение снимка 1,5 метра/пиксель):

а - область морфометрического анализа: б - выделенная сеть внутри полигона первой зоны; в -сеть внутри полигона второй зоны.

В летний период времени процесс может интенсифицироваться из-за возможного появления жидкой фазы, связанного с повышением температуры выше температуры эвтектики, и того факта, что интенсивность испарения более высока, чем интенсивность сублимации, за счет более низкой величины теплоты испарения.

Проведенное нами моделирование задачи о сублимационном иссушении марсианских пород с помощью математических моделей для летнего и зимнего периода, разработанных совместно с И.А. Комаровым, показывает, что наблюдаемое раскрытие трещины может сформироваться в течение 10000 земных лет при современных климатических условиях Марса.

В работе отдельным томом приведено приложение, которое структурировано в соответствии с главами работы.

В приложениях 2.1-2.4 данные получены по материалам наблюдений на Российских (бывших советских) антарктических станциях («Беллинсгаузен», «Восток», «Мирный», «Молодежная», «Новолазаревская») за период от начала наблюдений (1958-1971 гг) по 20082009 гг (для Молодежной - до 1992 года).

Приложение 2.1. содержит исходные данные, полученные на советских (российских) антарктических станциях: месячные и годовые суммы прямой солнечной радиации на перпендикулярную и на горизонтальную поверхность, МДж/м2; месячные и годовые суммы рассеянной, суммарной, отраженной и поглощённой солнечной радиации, Мдж/м2; месячные и годовые суммы радиационного баланса, МДж/м2; средние месячные значения коэффициента прозрачности, РгхЮ3; средние за месяц и за год величины альбедо, %;

В приложениях 2.2., 2.3., 2.4. приведены статистически обработанные данные среднегодовых значений параметров на советских (российских) антарктических станциях.

Приложение 2.2. содержит данные по приземной метеорологии: приземная температура воздуха, То (°С); температура поверхности земли, Т^ (°С); приземная максимальная температура, TmaN (°С); приземная минимальная температура, Ттш (°С); относительная влажность, Ни% (%); сумма осадков, Pre (мм); приземный ветер, Vo (м/с); атмосферное давление на высоте метеоплощадки, Ря (гПа); атмосферное давление на уровне моря, P,i (гПа); общая облачность, С1М (баллы); облачность нижнего яруса, C|OW (баллы).

Приложение 2.3. содержит данные по приземной актинометрии: альбедо подстилающей поверхности, Alb (%); продолжительность солнечного сияния, Sdur (часы); суммарная солнечная радиация, Ri0[ (МДж/м2); месячные суммы отраженной радиации, Rrer (МДж/м2); рассеянная радиация, R^if (МДж/м2).

Приложение 2.4. содержит данные по аэрологии: температура воздуха на уровне 850 гПа (00 СГВ), Tg5o ("С); 700 гПа(00 СГВ), Т71ц> (°С); 600 гПа (00 СГВ), Тш (°С); 500 гПа (00 СГВ), Т,«, (°С); 300 гПа (00 СГВ), Тш (°С); 200 гПа (00 СГВ), Т2оо (°С); 100 гПа (00 СГВ), Т|оо (°С); 30 гПа (00 СГВ), Т30 (°С); высота геопотенциальной поверхности 850 гПа (00 СГВ), Н850 (м); 700 гПа (00 СГВ), Н7оо (м); 600 гПа (00 СГВ), Н6оо (м); 500 гПа (00 СГВ), Н5оо (м); 300 гПа (00 СГВ), Н30о (м).

Приложение 3.1. содержит результаты обработки данных по годовому изменению различных параметров, в виде 50 диаграмм, для полярных областей Марса с использованием МКБД. Данные обрабатывались для 2-х полушарий по пространственной сетке Для северной и южной полярных областей брались широты 90°, 86,2°, 82,5°, 78,8°, 75°. Для каждой из этих широт исследовались значения параметров по следующим долготам: 135°3д, 90°ЗД, 45°ЗД, 0°ВД, 45°ВД, 90°ВД, 135°ВД, 180°ВД. Были обработаны следующие

параметры: годовое изменение инфракрасного излучения атмосферы (Вт/м2); годовое изменение инфракрасного излучения поверхности (Вт/м2); годовое изменение значений поглощенной солнечной радиации (Вт/м2); годовое изменение значений отраженной солнечной радиации (Вт/м2); годовое изменение среднемесячной температуры поверхности (К).

Приложение ЗТ представляет собой 15 таблиц полученных значений параметров для полярных областей Марса, обработанных по пространственной сетке, аналогично приложению З.1.: значения среднесуточных колебаний температур нижних слоев атмосферы (5 м над поверхностью) для северной и южной полярных областей Марса на 2 временных периода (0 часов и 12 часов); значения среднесуточных колебаний скорости воздуха для северной и южной полярных областей Марса; составляющие радиационно-теплового баланса поверхности северной полярной шапки в зимний период; составляющие радиационно-теплового баланса поверхности северной полярной шапки в весенний период; инфракрасное излучение атмосферы северных широт Марса (Вт/м2); инфракрасное излучение поверхности северных широт Марса (Вт/м2); поглощенная солнечная радиация северных широт Марса (Вт/м2); отраженная солнечная радиация северных широт Марса (Вт/м2); инфракрасное излучение атмосферы южных широт Марса (Вт/м2); отраженная солнечная радиация северных широт Марса (Вт/м2); отраженная солнечная радиация южных широт Марса (Вт/м2); поглощенная солнечная радиация южных широт Марса (Вт/м2); среднемесячная температуры поверхности северных широт Марса (К);среднемесячная температуры поверхности южных широт Марса (К); значения среднемесячных колебаний температур поверхности для северной и южной полярных областей Марса на 2 временных периода (О часов и 12 часов).

Приложение 5.1. состоит из перечня 420 космоснимков Марса для участков поверхности, на которых фиксируется процесс морозобойного растрескивания.

Основные выводы и результаты работы

1. При проведении сравнительного анализа, с использованием метода аналогии, Антарктида является наиболее подходящим регионом для сопоставления с полярными областями Марса, в первую очередь с областью северной полярной шапки, состоящей преимущественно из льда Н2О. Антарктида сопоставима по площади и мощности ледяного щита и характеризуется наиболее суровым климагом (на станции «Восток» зарегистрирован абсолютный минимум температуры -89,2 °С). Крайне важным обстоятельством является минимальное влияние антропогенного фактора на ее природные условия.

2. Обобщены и критически проанализированы последние данные по климатическим особенностям полярных регионов Марса, рельефу, составу и строению полярных шапок, сезонной и годовой динамике изменения их мощности, специфике формирования отложений в полярных регионах, которые получены с помощью аппаратуры, установленной на борту орбитальных аппаратов и посадочных модулей.

3. Обобщена информация по геокриологическим условиям района исследований, расположенного в районе станции «Новолазаревская» (оазис Ширмахера, Антарктида). В ходе сезонных работ 2007-2008 в этом районе с помощью аппаратуры, предоставленной кафедрой геокриологии МГУ и апробированной в камеральных условиях, была отработана методика определения и получены данные по: радиационно-тепловому балансу поверхности, теплопроводности приповерхностных слоев массива, температурному режиму и глубине сезонного оттаивания. В рамках проекта «CALM» заложена площадка для определения глубины сезонного оттаивания и измерения температурного режима с помощью термометрии. Для фиксации результатов в годовом цикле были установлены доггеры, предоставленные университетом Фэйрбэнкса (Аляска, США). Площадка занесена в единую базу данных по всему миру и в дальнейшем на ней будуг проводиться аналогичные измерения с определённой периодичностью. Данные, полученные в ходе исследований на площадке, были отражены в отчете Арктического и Антарктического научно-исследовательского института.

4. Проведен краткий обзор литературных данных по геокриологическим условиям пяти российских полярных станций Антарктиды: «Беллинсгаузен», «Новолазаревская», «Молодежная», «Мирный», «Восток». С использованием информации, обработанной при помощи статистических методов, проведен сравнительный анализ широтно-временной изменчивости составляющих радиационно-теплового баланса поверхности для этих пяти полярных станций и пространственной сетки полярных районов Марса, который показал качественно аналогичный характер составляющих баланса, однако по абсолютной величине их значения различаются. Базовой, для сравнения, была выбрана станция «Восток», которая характеризуется самыми экстремальными температурами не только в Антарктиде, но и на Земле (минимальная температура воздуха -89,2 °С).

5. С учетом последних данных, полученных с орбитальных и спускаемых аппаратов, ряда существующих представлений и посылок о составе, строении и свойствах пород приповерхностных горизонтов, включая гипотезу о наличии в недрах Марса высокоминерализованных рассолов и учитывая климатические особенности, состав и строения отложений полярных регионов, оценена средняя величина мощности криолитосферы Марса, которая составляет 2400 м. Эта величина близка по порядку к размеру ее земного аналога, но меньше чем считалось ранее. Построены ее гипотетические разрезы в меридиональном направлении.

6. В полярных регионах Марса обнаружены проявления следующих групп экзогенных криогенных процессов, которые по классификации JI.C. Гарагули, разработанной для земных условий, были подразделены на: собственно криогенные - полигональные формы рельефа, криогенное выветривание, морозное пучение пород; ледниковые образования; флювиальные склоновые формы и овраги; гравитационные - оползневые явления, останцовые формы образований в основании склонов, имеющие большое сходство с каменными глетчерами и делювиально-солифлюкционными шлейфами в северных горных районах Земли; процессы эолового происхождения - ветровая эрозия и аккумуляция, приводящие к образованию котловин, дюн, барханов. Низкие температуры и давление, а также пониженная гравитация на Марсе по сравнению с Землей приводят, в основном, к изменению интенсивности протекания процессов.

7. Совместно с P.O. Кузьминым, И.А. Комаровым, B.C. Исаевым составлена классификация и построена в 2-х проекциях карта проявления процесса морозобойного растрескивания на Марсе для 420 участков, где наблюдаются полигональные сети. Проанализированы особенности образования полигональных сетей внутри ударных кратеров. Геометрия полигональных сетей внутри кратера повторяет его очертания и характеризуется наличием полигонов 2-х генераций. !

8. На основе морфометрического анализа космоснимков наблюдаемая ширина раскрытия морозобойных трещин на Марсе может достигать нескольких метров, что на порядок больше их земных аналогов. Это ставило под вопрос гипотезу о том, что механизм образования этих форм в высоких широтах Марса - морозобойное растрескивгшие. Предложен механизм развития и эволюции ширины раскрытия морозобойных трещин, снимающий эти противоречия, который обусловлен сублимацией льда со стенок трещины с последующим обсыпанием пород со стенок и преобразованием первоначальной клиновидной формы в воронкообразную. Количественная оценка процесса показывает, что наблюдаемое раскрытие трещины может сформироваться в течение 10000 земных лет при современных климатических условиях Марса.

Список работ

1. Карта проявлений полигональных форм микрорельефа на Марсе // Международная конференция, посвященной 95-летию со дня рождения П.И. Мельникова «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения», Пущино, Россия, 26-28 мая 2003 г, сс. 195-196 (в соавторстве с Ершовым, Э.Д., Комаровым И.А., Козловым А.Н., Исаевым B.C., Кузьминым P.O.).

2. Demonstration of polygonal ice-wedged terrains on the Tazovsky peninsula in the Western Siberia and some polygonal patterns on the Mars // Vernadsky-Brown microsymposium 38, 2003, Abstract # ms 001, CD-ROM, Moscow, Russia (в соавторстве с Исаевым B.C.).

3. Полигональные формы рельефа на Земле и на Марсе // XI конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004», Москва, Россия, 12-15 апреля 2004 г. с 117 (в соавторстве с Исаевым B.C.).

4. Полигональные формы рельефа на Марсе // Материалы Международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций». Посвящается 60-летию Тюменской области, Тюмень, Россия, 2004 - М.: Изд-во ТИССО, 2004, с. 160 (в соавторстве с Исаевым B.C., Козловым А.Н.).

5. Presence of the two-generation poiygonal net within the impact craters on high latitudes of Mars // Vernadsky-Brown microsymposium 40, October 11-13, 2004, Abstract ft ms 044, CD-ROM, Moscow, Russia (в соавторстве с Кузьминым P.O.).

6. Characters of changes thermophysical parameters of the Martian polygonal terrains in dependence from their geographic position. // Vernadsky-Brown microsymposium 40, October 11-13, 2004, Abstract # ms 044, CD-ROM, Moscow, Russia (в соавторстве с Комаровым И.А., Исаевым B.C.).

7. Polygonal forms of microrelief on the Mars // Proceedings of «Cryosphere of oil-and-gas bearing provinces» international conference, Tyumen, Russia, 2004, pp. 140-160 (в соавторстве с Исаевым B.C., Козловым А.Н.).

8. Martian cryogenic conditions // 2ai European Conference on Permafrost, June 12- June 16, 2005, Potsdam, Germany. Programme and Abstracts, 2005, p. 85 (в соавторстве с Исаевым В.С, Комаровым И.А.).

9. Polygonal patterns in the high latitudes of Mars - phenomena of frost cracking // 2nd European Conference on Permafrost, June 12- June 16, 2005, Potsdam, Germany. Programme and Abstracts, 2005, p. 88 (в соавторстве с Исаевым B.C., Комаровым И.А., Козловым А.Н.).

10. Температурный режим атмосферы и верхних горизонтов пород в высоких широтах Марса// Третья конференция геокриологов России. МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия, 1-3 июня 2005 г, сс. 337-345 (в соавторстве с Комаровым И.А., Исаевым B.C., Пустовойтом Г.П.).

11. Correlation of types of the surface on the Mars with areas of frost cracking process // Vernadsky-Brown microsymposium 44, 2006, Abstract # ms 044-01, CD-ROM, Moscow, Russia (в соавторстве с Исаевым В.С, Комаровым И.А.).

12. Взаимосвязь между значениями тепловой инерции и альбедо пород поверхности Марса // Международная конференция «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений». ГНГУ, 29-31 мая 2006 г, Тюмень, Россия, с. 99-104 (в соавторстве с Исаевым B.C.).

13. Temperature regime of atmosphere and upper rock layers on high latitudes on Mars //Asian Conference on Permafrost, Lanzhou, China, August 7-9, 2006, Abstract # 86, p. 101 (в соавторстве с Комаровым И.А., Исаевым B.C.).

14. Martian cryogenic conditions // Planetary Chronology workshop, LPi, Houston, USA, 2006, Abstract # 6009 (в соавторстве с Исаевым ВС, Комаровым И.А.).

15. Криолитосфера Марса и проявления экзогенных криогенных процессов (физические аспекты проблемы) // Материалы X научно-технической конференции «Теория и методы замораживания грунтов искусственным холодом». Санкт-Петербург, Россия, 2006, сс. 47-60 (в соавторстве с Комаровым И.А., Исаевым B.C.).

16. Полярные отложения Марса и Антарктиды // Ломоносовские чтения, Москва, Россия, 2008 (в соавторстве с Комаровым И.А., Исаевым B.C.).

17. Cryol ithosphere on Mars and the Thickness of Frozen Rock // Ninth International Conference on Permafrost, Fairbanks, Alaska, 2008. pp. 971-975 (в соавторстве с Комаровым И.А., Исаевым B.C.).

18. Thickness of Frozen Rocks and the Cryolithosphere on Mars // SPIE's Optical Engineering + Applications symposium, San Diego, CA, USA, 10-14 August, 2008. #7097-36 (в соавторстве с Комаровым И.А., Исаевым B.C.).

19. The mechanism of frost cracks formation and evolution in high latitudes on Mars, Vernadsky Institute // Vernadsky-Brown microsymposium 48,2008, Moscow, Russia (в соавторстве с Комаровым И.А., Исаевым B.C.).

20. The methods of experimental finding of radiative-heat balance paramétrés for a site on Shirmaher oasis (Antarctic) // Vernadsky-Brown microsymposium 48, 2008, Moscow,

21. Динамика развития полярных шапок на Марсе // Международная конференция «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений», ГНГУ, Тюмень, Россия, 2008 (в соавторстве с Исаевым B.C.).

22. Методика исследования составляющих радиационно-теплового баланса поверхности и глубин сезонного оттаивания в районе оазиса Ширмахера (Антарктида) // Вестник Московского Университета. Секция геология, 2009, №4, сс. 67-69.

Russia.

Усл. печ. л. 1,75. Формат 60x90 1/16. Заказ № 1147/10 Тираж 120 экз. Отпечатано в типографии ООО НВП «ИНЭК» 125171, Ленинградское ш., д.18.

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Абраменко, Олег Николаевич

Общая характеристика работы.

Введение.

Глава 1. Современная среда полярных регионов Марса и методы ее исследования.

1.1. Полярные шапки Марса.

1.2. Рельеф полярных регионов.

1.3. Характеристика полярных регионов.

1.4. Строение и стратиграфия полярных отложений.

1.5. Состав полярных отложений.2В

1.6. Формирование полярных отложений.

1.7. Годовая и сезонная динамика мощности полярных шапок Марса.

1.8. Современные методы дистанционных и контактных исследований полярных регионов Марса.

1.8.1. Изучение поверхности Марса в видимой и инфракрасной части спектра излучения.

1.8.2. Оценка температурного режима поверхности, альбедо, концентрации влаги, свойств пород приповерхностного слоя.

1.8.3. Оценка льдистости верхних горизонтов Марса.

1.8.4. Определение абсолютных отметок форм марсианской поверхности (глобальная топографическая карта).

1.8.5. Зондирование ионосферы и глубинных слоев марсианской поверхности.

Глава 2. Геокриологические условия Антарктиды и методы их исследования.

2.1. Геокриологические условия Антарктиды.

2.1.1. Физико-географический очерк восточного побережья Антарктиды.

2.1.2. Ледниковый покров восточного побережья Антарктиды.

2.1.3. Динамика изменения мощности ледников Антарктиды.

2.1.4. Мерзлые горные породы.

2.2. Характеристика района исследования (оазис Ширмахера).

2.2.1. Сезонное протаивание и промерзание пород.

2.2.2. Криогенное строение и подземные льды многолетнемерзлых пород.

2.2.3. Рельеф.

2.3. Методы исследования геокриологических характеристик пород, параметров радиационно-теплового баланса и температурного режима в районе исследования (оазис Ширмахера).

2.3.1. Оценка составляющих радиационно-теплового баланса поверхности.

2.3.2. Изучение теплопроводности пород зондовым методом.

2.3.3. Определение глубины сезонного оттаивания и температурного режима пород.

2.3.4. Методика изучения полигонов морозобойного растрескивания.

Глава 3. Климатические особенности и специфика радиационно-теплового баланса поверхности в полярных областях Марса и Антарктиды.

3.1. Структура радиационно-теплового баланса поверхности Земли.

3.2. Широтная и временная изменчивость параметров радиационного баланса поверхности для ряда полярных станций Антарктиды.

3.2.1. Станция Новолазаревская.

3.2.2. Станция Молодежная.

3.2.3. Станция Беллинсгаузен.

3.2.4. Станции Мирный.

3.2.5. Станция Восток.

3.3.и Температурный режим в районах исследуемых полярных станций Антарктиды.

3.3.1. Станция Новолазаревская.

3.3.2. Станция Молодежная.

3.3.3. Станция Беллинсгаузен.

3.3.4. Станция Мирный.

3.3.5. Станция Восток.

3.4. Климатические условия полярных областей Марса.

3.4.1. Структура Марсианской Климатической Базы Данных Европейского Космического Агентства.

3.4.2. Сезонные, суточные колебания температуры нижних слоев атмосферы и амплитуды её колебаний.

3.4.3. Сезонные, суточные колебания давления и ветровой режим.

3.4.4. Широтные и сезонные изменения содержания СО2 в приповерхностном слое атмосферы полярных регионов Марса.

3.5. Радиационно-тепловой баланс и температура поверхности в полярных областях Марса.

3.5.1. Широтные и сезонные изменения составляющих радиационного баланса поверхности Марса.

3.5.2. Среднегодовые, сезонные и суточные температуры поверхности и амплитуды её колебаний.

3.5.3. Радиационно-тепловой баланс поверхности полярных регионов Марса.

3.6. Сравнительный анализ составляющих радиационно-теплового баланса поверхности Антарктиды и полярных районов Марса.

Глава 4. Мощность криолитосферы Марса.

4.1. Мерзлые породы верхних горизонтов Марса.

4.1.1. Проявления, свидетельствующие о наличии мерзлых пород в верхних горизонтах Марса.

4.1.2. Льдистость пород по данным нейтронной спектроскопии.

4.2. Мощность мерзлых пород и криолитосферы Марса.

4.2.1. Исходные представления и предпосылки.

4.2.2. Расчетная модель криолитосферы Марса в меридиональном направлении.

Глава 5. Экзогенные криогенные процессы в полярных регионах Марса и их проявления.

5.1. Проявления экзогенных криогенных процессов в полярных регионах

Марса.

5.1.1. Собственно криогенные (мерзлотно-геологические) процессы.

5.1.2. Группа флювиальных, абразивных и воднобалансовых процессов.

5.1.3. Гравитационные процессы.

5.1.4. Процессы эолового происхождения.

5.2. Проявления и механизм образования полигональных форм рельефа в высоких широтах и периферийных районах полярных областей Марса.

5.2.1. Механизм образования полигональных форм рельефа в высоких широтах Земли.

5.2.2. Проявления полигональных форм рельефа в высоких широтах Марса. Их классификация и механизм образования.

5.2.3. Специфика изучаемого процесса в районе ударных кратеров.

5.2.4. Механизм развития и эволюции формы морозобойной трещины в высоких широтах Марса.

5.2.5. Количественная оценка предлагаемого механизма эволюции трещины.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Сравнительный анализ мерзлотных условий антарктиды и полярных областей Марса"

Актуальность проблемы. Геокриология является частью более общей науки криологии планет, которая в свою очередь является составляющей сравнительной планетологии. Мерзлые, морозные или переохлажденные породы, как естественно-исторические образования, не являются чем-то исключительным, присущим только Земле. Они широко развиты в пределах других планет Солнечной системы и их спутников. Поэтому разработка этой проблемы представляет как самостоятельный интерес, так и даст новые импульсы для понимания и, возможно, переосмысления ряда представлений о процессах, протекающих в криолитозоне Земли. Как сформулировал один из основоположников сравнительной планетологии К.П. Флоренский: «. в настоящее время Земля является единственным эталоном при изучении планет, на который мы вынуждены опираться и с которым сравниваем другие планеты, учитывая их специфичность», то есть одним из основных методов исследования является метод аналогий. Методы сравнительной планетологии отражают расширенное понимание принципа актуализма -подхода, при котором к объяснению прошлого идут от изучения современных процессов, но с учетом, конечно, нензбежных оговорок (Геологический словарь, 1978). Изучение планет открывает новые страницы в понимании Земли, которые мы не можем изучать на нашей планете в настоящий момент, но которые могли иметь место в прошлом.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1. Обобщить и проанализировать последние данные по мерзлотным условиям полярных областей Марса и геокриологическим условиям Антарктиды;

2. Провести натурные исследования составляющих радиационно-теплового баланса поверхности, теплофизических свойств пород, глубины их сезонного оттаивания 5 и температурного режима, для чего обустроить исследовательскую площадку в районе оазиса Ширмахера (станция «Новолазаревская», Антарктида);

5. Выявить особенности проявлений экзогенных криогенных процессов в полярных областях Марса;

6. Разработать гипотезу о механизме развития и эволюции формы морозобойной трещины в высоких широтах Марса.

Фактический материал представлял собой: космоснимки высокого разрешения «Марсианской Орбитальной Камеры» с орбитального комплекса «Mars Global Surveyor» и аппарата «Марс-3»; исследовательской аппаратуры, установленной на космических аппаратах миссии «Mars Odyssey» (нейтронный и гамма- спектрометр «HEND», лазерный дальномер «MOLA», теплоэмиссионный спектрометр «TES» и др.); данные о составе и характеристиках грунтов, полученные в ходе посадочных миссий « Viking» 1 и 2, «Mars Pathfinder» (альфа-протоновый рентген-спектрометр APXS), «Spirit» (спектрометр «Mössbauer»), «Opportunity» и «Phoenix»; фондовые материалы по составляющим радиационного баланса, температурным и другим условиям по антарктическим станциям «Новолазаревская», «Молодежная», «Беллинсгаузен», «Мирный», «Восток»; данные по составляющим радиационно-теплового баланса поверхности, теплофизическим свойствам пород, температурному режиму района исследований, полученные автором за период сезонных работ 2007-2008 гг. на станции «Новолазаревская».

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Обобщены последние данные по климатическим условиям, составу, строению, специфике формирования и динамике мощности полярных шапок Марса,' полученные, в основном, с помощью методов дистанционных измерений с орбиты;

2. В районе оазиса Ширмахера (станция «Новолазаревская», Антарктида) в ходе сезонных работ 2007-2008 гг. были получены данные по составляющим радиационно-теплового баланса поверхности и теплопроводности приповерхностных слоев массива, глубине сезонного оттаивания и температурному режиму пород. Исследовательская площадка была оборудована нами с использованием аппаратуры, предоставленной кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и логтерами, предоставленными Университетом г. Фэйрбэнкса (США). Исследовательская площадка (проект «CALM») занесена в единую базу данных по всему миру;

5. В полярных регионах Марса обнаружены проявления криогенных экзогенных процессов, которые могут быть дифференцированы на 4 группы аналогично классификации экзогенных геологических процессов в криолитозоне, разработанных для земных условий Л.С. Гарагулей;

Защищаемые положения.

2. Оценена мощность криолитосферы Марса с учетом последних данных, полученных с орбитальных и спускаемых аппаратов, специфики условий в полярных 7 регионах, а также исходя из гипотезы о наличии в недрах Марса высокоминерализованных рассолов;

3. Наблюдаемая ширина раскрытия трещин в высоких широтах Марса, достигающая в ряде районов нескольких метров, не противоречит гипотезе о том, что фиксируемые полигональные сети в высоких широтах Марса образованы за счет процесса морозобойного растрескивания.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано - 22 работы, из них 6 докладов в трудах международных конференций проводимых за рубежом (Германия, Потсдам, 2005 - 2 доклада; США, Хьюстон, 2006; Китай, Ланьчжоу, 2006; США, Фэйрбэнкс, 2008; США, Сан-Диего, 2008), 7 докладов в трудах международных конференций по сравнительной планетологии «Vernadsky - Brown Microsymposium» (Москва, 2003, 2004-2 доклада, 2006, 2008-2 доклада); 4 - доклада на международных конференциях по криологии Земли (Пущино, 2003, 2004; Тюмень, 2004, 2006); доклад в трудах 3-ей конференции геокриологов России (Москва, 2005); одна статья опубликована в журнале, рекомендуемом ВАК РФ, «Вестник Московского Университета» (Москва, 2009); 2 доклада на международной конференции «Ломоносов-2004» и «Ломоносов-2006» (Москва, 2004, 2006), 1 доклад на международной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 2008).

Структура и объем работы. Диссертация объемом 174 страницы печатного текста состоит из введения, пяти глав, выводов. Список использованной литературы содержит

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Абраменко, Олег Николаевич

Основные выводы и результаты работы

1. При проведении сравнительного анализа, с использованием метода аналогии, Антарктида является наиболее подходящим регионом для сопоставления с полярными областями Марса, в первую очередь с областью северной полярной шапки, состоящей преимущественно из льда НгО. Антарктида сопоставима по площади и мощности ледяного щита и характеризуется наиболее суровым климатом (на станции «Восток» зарегистрирован абсолютный минимум температуры -89,2°С). Крайне важным обстоятельством является минимальное влияние антропогенного фактора на ее природные условия.

3. Обобщена информация по геокриологическим условиям района исследований, расположенного в районе станции «Новолазаревская» (оазис Ширмахера, Антарктида). В ходе сезонных работ 2007-2008 в этом районе с помощью аппаратуры, предоставленной кафедрой геокриологии МГУ и апробированной в камеральных условиях, была отработана методика определения и получены данные по: радиационно-тепловому балансу поверхности, теплопроводности приповерхностных слоев массива, температурному режиму и глубине сезонного оттаивания. В рамках проекта «CALM» заложена площадка для определения глубины сезонного оттаивания и измерения температурного режима с помощью термометрии. Для фиксации результатов в годовом цикле были установлены логгеры, предоставленные университетом Фэйрбэнкса (Аляска, США). Площадка занесена в единую базу данных по всему миру и в дальнейшем на ней будут проводиться аналогичные измерения с определённой периодичностью. Данные, полученные в ходе исследований на площадке, были отражены в отчете Арктического и Антарктического научно-исследовательского института.

Восток», которая характеризуется самыми экстремальными температурами не только в Антарктиде, но и на Земле (минимальная температура воздуха -89,2 °С).

6. В полярных регионах Марса обнаружены проявления следующих групп экзогенных геологических процессов, которые по классификации JI.C. Гарагули, разработанной для земных условий в криолитозоне, были подразделены на: собственно криогенные — полигональные формы рельефа, криогенное выветривание, морозное пучение пород; ледниковые образования; флювиальные склоновые формы и овраги; гравитационные - оползневые явления, останцовые формы образований в основании склонов, имеющие большое сходство с каменными глетчерами и делювиально-солифлюкционными шлейфами в северных горных районах Земли; процессы эолового происхождения - ветровая эрозия и аккумуляция, приводящие к образованию котловин, дюн, барханов. Низкие температуры и давление, а также пониженная гравитация на Марсе по сравнению с Землей приводят, в основном, к изменению интенсивности протекания процессов.

8. На основе морфометрического анализа космоснимков наблюдаемая ширина раскрытия морозобойных трещин на Марсе может достигать нескольких метров, что на порядок больше их земных аналогов. Это ставило под вопрос гипотезу о том, что механизм образования этих форм в высоких широтах Марса - морозобойное растрескивание. Предложен механизм развития и эволюции ширины раскрытия морозобойных трещин, снимающий эти противоречия, который обусловлен сублимацией льда со стенок трещины с последующим обсыпанием пород со стенок и преобразованием первоначальной клиновидной формы в воронкообразную. Количественная оценка процесса показывает, что наблюдаемое раскрытие трещины может сформироваться в течение 10000 земных лет при современных климатических условиях Марса.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Абраменко, Олег Николаевич, Москва

1. Абраменко О.Н. Методика исследования составляющих радиационно-теплового баланса поверхности и глубин сезонного оттаивания в районе оазиса Ширмахера (Антарктида). Вестник Московского Университета. Секция геология, 2009, №4, сс. 67-69.

2. Абраменко О.Н., Исаев B.C., Козлов А.Н. Полигональные формы рельефа на Марсе // Материалы Международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций». Посвящается 60-летию Тюменской области, Тюмень, Россия, 2004 М.: Изд-во ТИССО, 2004, с. 160.

3. Абраменко О.Н., Исаев B.C., Полигональные формы рельефа на Земле и На Марсе. XI конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004», Москва, Россия, 12-15 апреля 2004 г. с 117.

4. Абраменко О.Н., Комаров И.А., Исаев B.C. Полярные отложения Марса и Антарктиды. Ломоносовские чтения, Москва, Россия, 2008.

5. Аверьянов В.Г. Климат района станции Восток. Информ. бюл. Сов. антаркт. экспед., 1968, N69, с.79-17

6. Артемьев А.Н. Особенности радиационного режима оазиса Ширмахера (ст. Новолазаревская). Информ. бюл. САЭ, 1976, с. 66-71.

7. Бардин В.И. Горы центральной части Земли Королевы Мод. М.: Наука, 1966. 112с.

8. Богословский Б. Б. Озероведение. М.: МГУ, 1960. 335

9. Будыко М. И., Тепловой баланс земной поверхности, Л., 1956

10. Бурба Г.А., Номенклатура деталей рельефа Марса. М.: Изд-во Наука, 1981, с.

11. Воронов П. С. Абсолютный возраст пород и структура Антарктиды // Информ. бюл. Сов. антаркт. экспедиции. 1961. № 31. С. 15-21.

12. Втюрин Б.И. Гляциологические и геокриологические исследования летом 1981-1982 гг. в оазисе Ширмахера. В кн.: Материалы гляциологических исследований: Хроника, обсуждения, 1982а, вып. 45, с. 108.

13. Втюрин Б.И., Геокриологический очерк оазиса Ширмахера. — Антарктика, Доклады комиссии, вып. 25. М.: Наука, 1986, с. 78-87.

14. Геологический словарь, М: Недра, 1978.

15. Глобус A.M., Физика неизотермического внутрипочвенного влагообмена. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, с.279.

16. Глобус A.M., Экспериментальная гидрофизика почв. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, с. 355.

17. Гляциологические исследования в районе станции Новолазаревской: Методика и материалы наблюдений. Л., 1966. 53 с.

18. Гляциологический словарь / Под ред. В.М. Котлякова. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 528с.19,20,21,2225

Информация о работе

Абраменко, Олег Николаевич
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.08

Диссертация

Сравнительный анализ мерзлотных условий антарктиды и полярных областей Марса - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы