5. Свойства грунта

Для получения сведений о физических свойствах марсианского грунта могут быть использованы изображения поверхности, анализ проб грунта и показания ряда инженерных датчиков. Анализ панорамных изображений поверхности выявляет наличие образовавшихся в результате ударов метеоритов кратеров разных размеров, при формировании которых происходил выброс материала горных пород, составляющих поверхностные слои. Наблюдаются ясные признаки ветровой эрозии выброшенного материала.

Первое впечатление состоит в том, что ландшафт марсианской поверхности является промежуточным между ландшафтами лунных морей и земных пустынь, подвергающихся влиянию ветровой эрозии. Изображения поверхности вблизи опор СА содержат следы эрозии, обусловленной работой двух тормозных двигателей СА. Деформация грунта свидетельствует о том, что он является более прочным и (или) плотным, чем «номинальный» лунный грунт. Одна из опор, зафиксированная на изображении, проникла в грунт на глубину около 3,6 см. Устройство для забора проб грунта произвело кратер глубиной 1 см и диаметром 9 см.

В работах [100, 101] обсуждены результаты исследования свойств грунта за первые 36 солов пребывания СА «Викинга-1» и 58 солов — «Викинга-2» на поверхности Марса. Расположение САВ-1 было очень удачным с точки зрения изучения свойств грунта, поскольку одна из его опор находилась на мягком грунте, значительно проникая в глубь грунта, а другая — на жестком материале. Для забора проб были проделаны семь желобов в грунте на участках «песчаных равнин» (мелкозернистый грунт) и «скалистых равнин» (скалистый грунт, покрытый мелкодисперсным материалом). В табл. 3 приведены различные параметры, характеризующие свойства грунта по данным САВ-1 и САВ-2.

Рассматриваемые параметры получены на основе анализа данных о динамике посадки СА, деформации грунта, сдуве частиц ветром и других наблюдений. При планировании посадки СА предполагались разнообразные модели грунта: 1) лёсс, 2) песчаные дюны, 3) грунт типа лунного, 4) гравий, 5) обнаженные скалы. САВ-1 совершил посадку на участке, который обладает чертами всех этих моделей.

Участок поверхности Марса в непосредственной близости от точки посадки САВ-2 покрыт камнями размером до 0,23 ? 0,65 м, часть которых погружена в мелкодисперсную породу, и мелкодисперсным реголитом. Этот участок является более однородным, чем поверхность близ САВ-1, состоит из более грубодисперсного материала, обширная его часть покрыта коркой, более заметны следы эрозии, обусловленной работой двигателя мягкой посадки САВ-2.

Неожиданным оказалось отсутствие дюнообразных форм рельефа. При заборе проб грунта с САВ-2 впервые удалось сдвинуть камень и взять пробу мелкодисперсного грунта на участке под камнем, который не подвергался облучению УФ радиацией и процессу ветровой эрозии. В работе [101] детально описаны участки получения проб грунта и операции по взятию проб.

Анализ данных обнаруживает как сходство, так и важные различия свойств грунта на участках посадки САВ-1 и САВ-2. Так, например, во втором случае частота встречаемости камней размером 10 см и больше примерно вдвое выше. Камни близ САВ-2 характеризуются более пористой поверхностью. Благодаря сохранению установленного на опоре № 2 САВ-2 датчика температуры, который предназначался для измерений во время спуска на парашюте, этот датчик использован для оценки температуры (поскольку опора проникла в грунт только на 2,5 см, вероятнее всего, что датчик не находится в контакте с поверхностью), имеющей ярко выраженный суточный ход, близкий к расчетному ходу температуры поверхности, за исключением того периода, когда датчик был затенен. Планируется дальнейшее взятие проб грунта как САВ-1, так и САВ-2, после начала продленной миссии 11 января 1977 г.

Предпринятый в работах [82–84] анализ изображений поверхности Марса, полученных со спускаемого аппарата АМС «Викинг-1», выявил ветровую эрозию, проявляющуюся в наличии параллельных полос мелкодисперсного материала на подветренных сторонах крупных камней, которые совпадают по направлению с ветровыми «струями» грунта, обнаруженными на изображениях с орбитального аппарата; в накоплении смешанных мелких частиц (размером 10–100 мкм) в форме полос («сугробов») к северо-востоку от СА, где имеет место повышенная шероховатость поверхности, обусловленная присутствием камней размером 2–3 м. Как правило, полосы имеют высоту порядка десятков сантиметров, ширину около нескольких метров и расположены в направлении, перпендикулярном ветру.

Полосы имеют значительно менее регулярно топографическую конфигурацию, чем земные дюны. Между полосами видна расположенная под слоем мелкозернистого материала скальная порода. По крайней мере в двух местах заметна стратификация полос, указывающая на большую вероятность того, что они образованы процессом дефляции, а не осаждения частиц. Возможно, что полосы появились в результате осаждения частиц в период пыльной бури, а затем подвергались влиянию дефляции. Не исключена, однако, и вероятность того, что они являются древними (это согласуется с выводом об очень медленной эрозии на Марсе) или появились в результате сдувания частиц толстого (порядка нескольких метров) слоя мелкодисперсного материала, покрывавшего всю поверхность рассматриваемого района. Поскольку в апреле 1977 г. ожидается очередная глобальная пыльная буря, наблюдения в этот период должны иметь важное значение для выявления природы полос.

Для мелких частиц, составляющих полосы, характерно сильное сцепление (до 10⁴ дин/см²), что должно оказывать значительное влияние на процесс ветровой эрозии. В связи с этим наиболее легко перемещаемыми должны быть частицы размером 100–200 мкм. Поскольку в полосах доминируют частицы 10–100 мкм, при отсутствии переноса частиц с других участков планеты поверхность в рассматриваемом районе должна быть очень устойчивой даже во время пыльных бурь. Одной из причин отсутствия частиц больше 100 мкм мог быть их перенос в другой район. Другой возможной причиной является разрушение частиц при столкновении.

Изучение процессов переноса и сдувания частиц на поверхности Марса имеет важное значение в связи с решением проблемы происхождения глобальных пыльных бурь [8, 9]. За последние несколько десятилетий глобальные пыльные бури на Марсе возникали в 1956 и 1971 гг. как направленные к востоку вторжения пылевых облаков из зоны утреннего терминатора в области Noachis—Hellas.

В работе [110] высказаны соображения о совокупности условий, которые могут благоприятствовать возникновению пыльных бурь во время прохождения Марсом района перигелия его орбиты.

Исследования эффективности ветровой эрозии привели к выводу, что с точки зрения учета этого фактора наиболее благоприятные условия возникают в зонах высокой плотности воздуха (таких, как наиболее низко расположенные участки области Hellas или северная полярная шапка) в ночное время суток зимой. Если проанализировать влияние состояния устойчивости атмосферы, то оказывается, что дестабилизирующее воздействие пограничного слоя, обусловленное нагреванием поверхности за счет поглощения солнечной радиации, в 2–2,5 раза более эффективно как фактор переноса к поверхности горизонтального компонента количества движения, обусловленного ветром свободной атмосферы, чем перемешивание, связанное с адиабатическими условиями.

Поскольку ночью преобладает устойчивость атмосферы, следует предположить, что наиболее благоприятные условия подъема частиц в воздух осуществляются ранним утром на обращенных к солнцу склонах при ясном небе. Вместе с тем в этот период возникают сильные склоновые ветры, направленные вверх по склону, которые обусловлены температурными контрастами подстилающей поверхности. Наблюдения показали, однако, что первоначальное облако пыльной бури перемещается вниз по склону. На этом основании можно предположить, что первоначальные условия, обеспечивающие триггерный механизм формирования пыльной бури, связаны с наличием гравитационного потока вниз по склону, который аналогичен земной боре. Если применить земные аналоги, то можно исходить из того, что достаточно интенсивным источником холодного воздушного потока является струя полярного воздуха.

Как показал Конрат [30], существенное влияние как фактор, стимулирующий начало глобальной пыльной бури, может оказывать эффект взаимодействия атмосферных приливов и топографии марсианской поверхности. Подобный вывод основан на том, что восстановление поля температуры в марсианской атмосфере по данным измерений уходящего теплового излучения при помощи установленного на АМС «Маринер-9» инфракрасного интерференционного спектрометра (ИКИС) привело к выводу, что в период глобальной пыльной бури 1971–72 гг. отчетливо наблюдались орографически обусловленные возмущения поля температуры, налагающиеся на сильный суточный тепловой прилив.

Так, например, атмосфера теплее над понижениями рельефа и холоднее над горами в утреннее время, а в поздние послеполуденные часы ситуация изменяется на обратную. Эти возмущения возникают в результате обусловленных влиянием топографии дополнительных приливных мод, которые не следуют за Солнцем, являясь результатом кинематического взаимодействия распространяющейся на запад солнечной суточной волны с крупномасштабными особенностями рельефа.

Конрат [30] сделал расчеты в приближении возмущений первого порядка, которые показывают, что орографическая долготная компонента с волновым числом, равным 2, представляет собой сильный источник возмущения. Особенно сильно возбуждается ею мода ?₁^{1, -1}, которая соответствует перемещающейся на восток волне с волновым числом 1 в слое толщиной порядка высоты однородной атмосферы. Фазовая скорость этой волны равна по величине, но противоположна по направлению солнечно обусловленной скорости. В приближении, учитывающем лишь возмущения первого порядка, модуляция тепловых солнечных приливных волн крупномасштабной орографией проявляется в возбуждении волн с долготными волновыми числами, равными сумме или разности волнового числа нулевого порядка и орографического волнового числа. Фазовые скорости этих волн отличаются от скорости солнечно обусловленных приливных волн.

Хорошее согласие расчетных и наблюденных возмущений поля температуры свидетельствует о надежности идентификации основных приливных мод. Полученные результаты соответствуют также сделанному ранее Зуреком [113] выводу о том, что мода ?₁^{1, -1} должна оказываться сильно возбужденной. Оценки приливных компонентов полей ветра вблизи марсианской поверхности выявили существенный вклад топографически обусловленных мод низких широт. Вблизи 30° ю. ш., где имеют место наиболее сильные ветры, амплитуда изменяющегося в течение суток зонального ветра возрастает в некоторых районах до 40 м/с.

Хотя грубость модели определяет предварительность рассмотренных количественных результатов, они несомненно свидетельствуют о возможности обусловленного крупномасштабной топографией усиления ветра, которое может в некоторых районах вносить существенный вклад в инжекцию пыли в атмосферу в периоды пыльных бурь.

Расчеты Конрата [30] обнаружили также наличие орографически обусловленных мод, распространяющихся в вертикальном направлении. Эти моды не оказывают сколько-нибудь значительного влияния на поля температуры и ветра в нижних слоях атмосферы, но приводят к появлению сильного потока энергии вверх от поверхности. Подобные моды являются, таким образом, возможным источником энергии для верхней атмосферы в период пыльной бури. Однако для количественной оценки распространения энергии в верхнюю атмосферу необходимо более детальное моделирование атмосферы, чем рассмотренное выше.

Согласно работам [53, 54, 65], определенный вклад в стимуляцию процесса развития пыльной бури может вносить сальтация (беспорядочные движения частиц вверх и вниз вблизи поверхности в результате соударения с нею падающих частиц). Изучение физики процесса эрозии и первоначального механизма формирования пыльных бурь вызвало большой интерес к исследованиям условий подъема частиц марсианского грунта с поверхности как путем численных экспериментов, так и моделирования в аэродинамических трубах при условиях, эквивалентных марсианским.

В работе [108] выполнены численные эксперименты с использованием двухмерной модели потока, разработанной для исследования подъема частиц с поверхности в земных условиях, в которую были введены эмпирические поправки с целью учета специфики марсианских условий. Подъем и перенос частиц грунта определяются соотношением подъемной силы и силы трения, которые сильно зависят от числа Рейнольдса.

Как на Земле, так и на Марсе, подъемная сила имеет решающее значение для начала процесса сальтации. Эквивалентность теоретического описания этого процесса определяется из условия равенства отношений динамической скорости v* к пороговой динамической скорости v*t, определяющей начало сальтации. В табл. 4 приведены значения v* для Земли и Марса при различных диаметре частиц D (мкм) и плотности частиц ?р (г/см³) .

Главная специфика Марса состоит в том, что в этом случае сальтация имеет место в пограничном слое, содержащем вязкий подслой, тогда как для Земли характерен диапазон v*t, соответствующий переходной зоне. Толщина вязкого подслоя на Марсе составляет около 1 см. Сравнение траекторий частиц на Земле и Марсе при идентичных v*/v*t показало, что в условиях Марса траектории выше (до 40%) и длиннее. Отношение длины к высоте траекторий на Марсе значительно выше, а угол соударения с поверхностью существенно меньше (обычно меньше 30°), чем на Земле (5–15°). Максимальная вертикальная составляющая скорости частиц w/v* равна примерно одной десятой по отношению к земной, а горизонтальная составляющая скорости (вдоль направления ветра) в марсианских условиях значительно больше, что должно обусловливать более интенсивную эрозию. На основе сочетания экспериментальных данных и двухмерной модели в работе [108] получены оценки, относящиеся к трехмерной модели потока при наличии кратера. Полученные оценки показывают, что в этом случае значительно усиливается процесс эрозии на «теневой» стороне кратера. Этот вывод объясняет природу образования «струй» пылевого материала на поверхности вблизи некоторых кратеров.

В работе [54] сопоставлены результаты оценки зависимости пороговой динамической скорости от диаметра частиц (10–10 000 мкм) для условий Земли, Марса и Венеры. В случае учета сил сцепления между частицами всегда имеет место минимум динамической скорости, соответствующий оптимальному диаметру частиц, которые наиболее легко сдуваются ветром. При отсутствии сцепления наблюдается монотонное увеличение динамической скорости с ростом диаметра. Оптимальный диаметр частиц варьирует от 50 мкм на Венере до 75 мкм на Земле и 150 мкм на Марсе. При этом минимальные пороговые значения динамической скорости испытывают скачкообразные изменения примерно на порядок величины: от 2,2 до 20,5 и 250 см/с соответственно.

Частицы, которые имеют диаметр меньше 20; 52 и 250 мкм (соответственно на Венере, Земле и Марсе), оказываются взвешенными в атмосфере при достижении порогового значения скорости. Частицы, обладающие диаметром больше критического, будучи приведены в движение, остаются преимущественно в состоянии сальтации. Они становятся взвешенными лишь в случае, если достигается такое отношение динамической скорости к ее пороговому значению, при котором скорость ветра примерно равна динамической скорости.

Анализ цветных изображений неба в период сумерек (±20 мин по отношению к моменту захода Солнца) свидетельствует о присутствии в атмосфере большого количества красной пыли с размером частиц около 1 мкм. Для эффективной длины волны 0,67 мкм оптическая толщина атмосферы составляет около 0,45. Возможно, что низкая прозрачность и высокая запыленность атмосферы являются следствием кумулятивного эффекта местных пыльных бурь.

Установленный на СА «Викинг-1» рентгеновский флуоресцентный спектрометр позволил осуществить измерения концентрации в марсианском грунте элементов с Z>12, к которым принадлежат наиболее геохимически существенные и целый ряд малых компонентов грунта. В работе [106] приведены результаты анализа взятой на 8 сол первой пробы, выполненного в период 8–30 солов. Основными компонентами грунта оказались железо, кальций, алюминий, кремний и сера. Титан присутствует в малых количествах. Эти результаты согласуются с предположением, что марсианский грунт состоит из смеси обладающих прочным сцеплением частиц мелкозернистого силиката и минералов из окислов со значительной примесью сульфатов (возможно,— гидратированных).

Окислы железа (их минералогическая идентификация пока невозможна) являются, по-видимому, компонентом, ответственным за красноватую окраску поверхности Марса. Если они покрывают зерна силикатов, подобное покрытие должно быть очень тонким (тоньше 2 мкм) или несплошным. Характерные черты спектров свидетельствуют о высокой концентрации железа, относительно малом содержании алюминия, рубидия, стронция и циркония, а также высоком отношении концентраций Са/К.

Предварительная обработка данных привела к следующим значениям относительной весовой концентрации (%): железо 14 ± 2; титан < 1; сера 2–5; Са/К > 5 [106]. Малое содержание стронция, рубидия и циркония по сравнению с земными изверженными породами указывает на то, что исследованный образец грунта, по крайней мере частично, содержит продукты выветривания. По-видимому, сера присутствует главным образом в форме сульфатов (сульфаты кальция, магния, железа или щелочных металлов являются наиболее вероятными), но не исключено и наличие сульфидов. Поскольку полученные данные о составе грунта укладываются в рамки разнообразных минералогических и литологических моделей грунта, необходимы дальнейшие исследования.

Осуществленный при помощи рентгеновского флуоресцентного спектрометра элементный анализ мелкодисперсного компонента марсианского реголита привел к неожиданно сходному химическому составу грунта в далеко удаленных друг от друга (около 6500 км) местах посадки СА «Викинг-1, -2» [29]. Полученные количественные результаты приведены в табл. 5.

Как видно, в составе поверхностного слоя реголита преобладают кремний и железо при значительном содержании магния, алюминия, серы, кальция и титана. Концентрация кремния в форме двуокиси кремния составляет в районе посадки СА «Викинг-1» 45 ±5%, т. е. меньше значений концентрации (60±10%), полученных по данным орбитальной инфракрасной спектроскопии взвешенного в атмосфере материала в период глобальной пыльной бури 1971 г.

^{Примечание. * — суммарные концентрации неидентифицированных окислов (О) и не обнаруженных компонентов (X, в том числе Н₂О, Na₂O, СО₂ и NO_x). ДО — данные отсутствуют.}

Концентрация серы на один—два порядка величины выше, а калия — примерно в 5–8 раз ниже соответствующих средних значений для земных природных образований (почвы, горные породы). Значения концентрации серы близко соответствуют, однако, найденным в хондритных метеоритах, которые обычно рассматриваются как протопланетное вещество. Высокое содержание серы на Марсе налагает ограничения на диапазон и количество возможных соединений, содержащих серу. Можно считать вероятным лишь сульфаты натрия, магния, кальция и железа или сульфид железа (исключая пирит).

Обнаружены следы стронция, иттрия, и, возможно, циркония, которые имеют относительную концентрацию порядка 10^-4. Мелкие камни типа гальки в районе Chryse содержат больше серы, чем мелкодисперсная фракция реголита, и, возможно, являются кусками сцементированной сульфатами поверхностной корки. Ранее было показано, что если предполагать, что красная или оранжевая пигментация реголита является результатом покрытия камней и мелкодисперсных частиц пленкой из геотита или гематита, то толщина такой пленки не должна превосходить 1–2 мкм. Данные табл. 5 определяют необходимость уменьшения максимально возможной толщины пленки до 0,26 мкм, так как в противном случае результаты рентгеновского флуоресцентного анализа на Mg, Al и Si оказались бы значительно искаженными.

Оценка плотности образцов S1 дала значение, равное 1,10±0,15 г/см³. Поскольку приведенный в табл. 5 элементный состав ограничивает плотность диапазоном 2,3–3,2 г/см³, это означает, что пористость частиц составляет около 60±15%. Забор и анализ последовательных проб грунта привел к выводу, что мелкодисперсная фракция реголита в районе Chryse обладает гораздо более сильной адгезией (слипанием), чем исследованные в лабораторных условиях земные аналоги.

Рассмотренный состав марсианского реголита естественнее всего интерпретируется как результат выветривания мафических (темных) изверженных пород. В работе [16] построена минералогическая модель, согласно которой марсианский мелкодисперсный реголит представляет собой смесь примерно 80% богатых железом глин, около 10% сульфата магния (кизерита ?), 5% карбоната (кальцита) и 5% окислов железа (гематит, магнетит, магемит, гетит ?). В табл. 6 представлены три модели состава реголита в сравнении с данными анализа мелкодисперсной фракции в месте посадки «Викинга-1» (51).

Наличие богатых железом глин означает, что для их образования из мафических горных пород на Марсе должно было иметься (или имеется) достаточное количество воды или льда. По-видимому, мафическая природа мелкодисперсного компонента грунта, имеющего глобальное распространение, и горных пород, которые являются источником этого компонента, предотвращает крупномасштабную планетарную дифференциацию, подобную земной.

Установленные на СА «Викинг» комплексы масс-спектрометров (МС) и газовых хроматографов (ГХ) позволили осуществить анализы состава марсианской атмосферы и грунта, причем главной целью был поиск органических компонент. Пробы грунта подогревались в трех небольших печах за 30 с до температуры 200, 350 и 500°С для извлечения летучих компонентов и продуктов пиролиза. МС выполняет повторное и непрерывное сканирование спектра масс т/е в интервале 12–200 (время регистрации каждого масс-спектра составляет 10 с) и имеет динамический диапазон 1 : 10⁷. Каждый спектр воспроизводится как совокупность 3840 точек (чисел).

После посадки СА «Викинг-1» были взяты три пробы грунта на 8, 14, 31-м солах [17, 18]. Проба, полученная на 8-м соле, представляет собой тонкозернистый материал (преимущественно с глубины 4–6 см), перемешанный с материалом поверхности (его доля не превышает 10%). Проба, относящаяся к 14-му солу, была практически идентичной и поэтому не подвергалась анализу. Проба 31-го сола была взята на расстоянии около 3 м от места первой пробы и состоит преимущественно из гранулированного материала поверхности.

Анализ обеих проб при помощи ГХ не обнаружил каких-либо органических компонентов в количествах, превосходящих несколько частей на миллиард. При нагревании до 350 и 500°С выделялись заметные количества воды (от 0,1 до 1%), которая является, по-видимому, составной частью гидратов минералов. Не обнаружено сернистого газа, свободной серы и сероводорода. Полученные результаты исключают возможность какого-либо эффективного современного процесса, продуцирующего органические компоненты (разумеется, общность такого вывода ограничивается фрагментарностью анализа).