Геологи изучают планеты

Фотопортреты планет

Одним из ведущих методов изучения планет земной группы и Луны является интерпретация снимков поверхности — своего рода фотопортретов, на которых четко видны все особенности рельефа и структуры, доступные для геологического дешифрирования. В геологических исследованиях аэрофотоснимки давно уже находят самое широкое применение. Одним из инициаторов развития этого направления исследований был академик А. Е. Ферсман. В послевоенные годы в связи с потребностями страны в быстрейшем выявлении минеральных ресурсов были созданы специализированные аэрогеологические экспедиции. Уже в те годы над заснеженными хребтами Алтая и бескрайней тайгой Эвенкии можно было увидеть самолеты с надписью "Аэрогеология" на фюзеляже.

Космические снимки земной поверхности сразу же привлекли внимание геологов. На них удалось увидеть целиком крупные регионы, складчатые пояса, зоны разломов — гигантских трещин в земной коре, своеобразные кольцевые структуры поперечником в десятки и сотни километров. Аэрофотоснимки и космические снимки стали такими же неизменными спутниками геолога, как геологический молоток и горный компас. В зависимости от задач в геологических исследованиях применяются снимки всего масштабного ряда, когда съемка ведется с искусственных спутников Земли, пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций, самолетов на разных высотах. Поэтому иногда говорят об "этажерке" — наборе снимков разной детальности, или разных уровней генерализации.

Снимки глобального уровня были получены с автоматических межпланетных станций серии "Зонд" и пилотируемых кораблей "Аполлон", уходивших в сторону Луны. На этих снимках целиком виден весь земной шар. Однако большая часть его поверхности всегда закрыта облачным покровом. Чаще из-под облаков выступают Северная Африка, Средиземноморье, Аравия, районы Ближнего Востока и Средней Азии. На таких снимках четко прослеживаются структуры Альпийско-Гималайского складчатого пояса, выделяются протяженные линеаменты, в которые группируются мелкие разрывы и зоны трещин в земной коре.

Вид Земли с высоты 7000 км (АМС 'Зонд-7')

Снимки континентального уровня охватывают значительные части континентов. Их получают с автоматических искусственных спутников, предназначенных в первую очередь для метеорологических целей, главным образом для изучения облачного покрова. В СССР это спутники системы "Метеор". Несмотря на свое назначение, эти снимки оказались интересными и для геологов. При малом разрешении — всего 1-2 км на местности — на обширных пространствах при отсутствии облаков на снимках отчетливо дешифрируются крупные черты геологической структуры, в том числе гигантские разломы, складчатые зоны и кольцевые структуры. Эти снимки — ценный материал для тектонического районирования. Благодаря эффекту генерализации, на них как бы проступают глубинные структуры земной коры. Это явление даже было названо "просвечиванием", или "рентгеноскопичностью" мелкомасштабных космических снимков, хотя эти понятия и не соответствуют каким-либо физическим явлениям.

Следующий уровень обычно называют региональным. Разные исследователи предлагают несколько отличные границы по пространственному разрешению для снимков этого уровня генерализации. Наиболее часто в состав таких снимков включают изображения земной поверхности, на которых на местности видны детали размером 50-250 м. Большое число таких снимков получено с пилотируемых космических кораблей и орбитальных научных станций. Например, со станции "Салют-4" съемка выполнялась стационарными камерами КАТЭ-140 и ФМС-80. Она проводилась в ориентированном режиме, т. е. тогда, когда оптические оси аппаратов были направлены строго перпендикулярно к земной поверхности. Камера КАТЭ-140 широкоформатная, с очень высокими оптическими характеристиками. Благодаря высокому качеству негативов возможно получение фотоснимков с многократным увеличением.

Камера ФМС-80 представляет собой блок из четырех фотоаппаратов, работавших одновременно. Благодаря набору пленок и светофильтров каждый аппарат мог получать изображение в определенной зоне спектра. Таким способом весь фотографический диапазон был, как бы разрезан на три части. Фотоснимки с минимальными длинами волн (500-600 нм) оказались наиболее интересными для изучения мелководий шельфа, так как на них проступает рельеф дна на небольших глубинах, видны так называемые подводные ландшафты. Снимки средней зоны (600-700 нм) явились основным материалом для расшифровки геологического строения во многих горных районах. В ряде местностей особенно эффективным оказалось использование снимков с длинами волн 700-850 нм, которые захватывают ближний инфракрасный диапазон, невидимый человеческому глазу. На них резко выделяются местности с повышенной увлажненностью, видна вся система даже самых незначительных водотоков. Такие снимки — ценный материал для гидрогеологов, мелиораторов, специалистов в области инженерной геологии. Они оказывают большую помощь при расшифровке глубинного строения равнинных территорий, где особенности строения горных пород на глубине получают отражение в ландшафте. Четвертый аппарат в этой системе был заряжен цветной диапозитивной пленкой с тем, чтобы получать изображение поверхности Земли в цветах, близких к естественным.

Большое место в работе экипажей орбитальных станций уделяется фотосъемке с помощью ручных камер. Такая съемка выполняется через иллюминаторы станции без предварительного ориентирования или в режиме гравитационной стабилизации, когда станция ориентирована своей осью в сторону Земли, сохраняя такое положение длительное время. Снимки при этом получаются преимущественно перспективные. Сами космонавты в соответствии с программой исследований выбирают сюжеты съемки и определяют наиболее благоприятные условия фотографирования. При длительной работе экипажа накапливается ценный материал по условиям космической фотосъемки геологических и других природных объектов. Особенно большая работа по съемке ручными камерами была выполнена космонавтами на станции "Салют-6". В результате съемок Ю. В. Романенко, Г. М. Гречко, В. В. Коваленка, A. С. Иванченкова, В. А. Ляхова, В. В. Рюмина, В. П. Савиных получены тысячи космических фотоснимков, запечатлевших разломы и кольцевые структуры, вулканы, прихотливо изогнутые в сложные складки пласты горных пород в Загросе и Высоком Атласе и следы отступания Каспия. Большое впечатление оставляет снимок газово-пеплового шлейфа во время извержения вулкана Горелый на Камчатке. Снимки представляют особый интерес для целей сравнительно-планетологического анализа. Чтобы убедиться в этом, достаточно положить рядом снимки вулкана Олимп на Марсе и потухшего вулкана Эми-Куси в нагорье Тибести, в центре Сахары. Эти вулканические сооружения оказались удивительно похожими.

Снимками детального уровня являются многозональные фотографии, полученные космонавтами В. Ф. Быковским и B. В. Аксеновым с пилотируемого космического корабля "Союз-22". Они были выполнены с помощью камеры МКФ-6 в процессе эксперимента "Радуга" в результате международного сотрудничества ученых СССР и ГДР в рамках программы "Интеркосмос". Съемка производилась в шести зонах спектра. На снимках, полученных при благоприятных условиях, видны детали размером порядка 15 м на местности. Эти материалы пригодны для обработки с помощью оптико-электронных средств и ЭВМ как в аналоговой, так и в цифровой формах.

Еще более детальные снимки получают с помощью самолетов. При высоте полета более 10 км аэрофотосъемка считается высотной. Ее масштаб варьирует в пределах 1:200000-1:100000. С помощью низколетящих самолетов и вертолетов можно получить снимки практически любой необходимой детальности, на которых будут видны даже одиночные деревья и крупные камни. Наряду с обычными аэрофотоснимками все более широкое применение получают радиолокационные изображения и снимки в инфракрасном тепловом диапазоне, полученные с помощью тепловизоров. Инфракрасная съемка основана на изучении тепловых контрастов и пригодна для распознавания геологических объектов. Особенно эффективно ее использование при изучении районов с активной вулканической деятельностью, при гидрогеологических и инженерно-геологических исследованиях, при поисках грунтовых и подземных вод. Радиолокационная съемка может быть осуществлена в любое время суток и при любой погоде, так как облачность, туман и освещенность не влияют на прохождение радиоволн.

В целом геологи сейчас обеспечены большим набором разномасштабных изображений земной поверхности, полученных к тому же в различных зонах спектра. Специалист в области геологического дешифрирования уверенно выделяет на них разломы, кольцевые структуры, трещины, слои горных пород, вулканы и лавовые покровы — все многообразие различных геологических объектов. Накопленный опыт используется для расшифровки снимков других планет, хотя на их фотопортретах выявляется немало загадочного, над чем ученым приходится задумываться.

Как обеспечены снимками другие небесные тела, чем отличаются их фотопортреты от земных? Начнем с Луны, так как благодаря близости к Земле она была давно уже доступна для фотографирования с помощью телескопов. Со времен Галилео Галилея многочисленные исследователи наблюдали, а в дальнейшем и фотографировали видимое с Земли полушарие Луны. Из лучших фотографий, полученных наиболее совершенными инструментами ведущих обсерваторий, собраны фотографические атласы. Для видимого полушария были составлены различные карты, вплоть до масштаба 1:1000000, а также фотокарты.

Снимки Луны многократно дешифрировались, в том числе и с геологических позиций. Особое внимание уделялось происхождению многочисленных кратеров, которым приписывалось как метеоритное, так и вулканическое происхождение. Темные покровы в лунных морях большинство исследователей Луны интерпретировали как потоки застывшей базальтовой лавы, хотя высказывались и другие гипотезы. Например, Т. Голд считал их скоплением пыли, а Дж. Вильсон — застывшими битумами. Были введены даже особые названия для предполагаемых лунных пород. Так, светлые породы лунных материков были названы Дж. Сперром луноритом, а темные образования морей — лунобазой. На наиболее совершенных телескопических фотоснимках видны детали размером 800 м на лунной поверхности; при наблюдениях в телескопы, особенно на высокогорных обсерваториях с большой прозрачностью атмосферы, удавалось фиксировать объекты до 500 м в поперечнике.

Видимая сторона Луны — Залив Радуги Океана Бурь. Отчетливо видно, как молодые лавовые потоки базальтов перекрывают древние кратерированные материковые поверхности

В результате полетов автоматических и пилотируемых станций получено множество снимков лунной поверхности самой различной детальности, в земные лаборатории доставлены сотни килограммов лунных пород, на поверхности Луны выполнены первые геологические маршруты. Остановимся лишь на главнейших вехах этих выдающихся исследований. Одной из важнейших задач исследовании Луны с помощью АМС[2] было получение снимков ее обратной стороны, невидимой с Земли, о строении которой высказывались самые различные гипотезы. В 1959 г. АМС "Луна-3" выполнила фотографирование большей части обратной стороны Луны с площадью около 10 млн. км². Было установлено, что обратная сторона занята в основном материковыми областями светлой окраски с малым числом морских впадин. Исследования в этом направлении были продолжены в 1965 г., который ознаменовался успешным запуском в сторону Луны станции "Зонд-3". В результате с расстояния около 10 тыс. км была сфотографирована 1/3 поверхности обратного полушария Луны. На снимках были видны кратеры разных размеров, протяженные цепочки кратеров, крупные трещины. Не подтвердились гипотезы о развитии сплошного пояса морских впадин и о наличии на обратной стороне предполагаемого Океана Антиподов. В целом обратная сторона естественного спутника Земли перестала оставаться загадкой для человечества.

В 1964 г. поверхности Луны достигла станция "Рейнджер-7". Она совершила посадку в Море Познанном. Станция производила съемку с приближением к поверхности, вплоть до высоты 480 м. На последнем снимке на площади 50X30 м различаются объекты до 0,5 м в поперечнике. Следующие аппараты прилунились в Море Спокойствия и в кратере Альфонс.

На следующем этапе были получены детальные снимки непосредственно на самой поверхности Луны. 3 февраля 1966 г. автоматическая станция "Луна-9" впервые совершила мягкую посадку на восточной окраине Океана Бурь. Станция передала круговые панорамы лунной поверхности. На них видны мельчайшие детали строения грунта, отдельные камни, небольшие кратеры. В этом же году на окололунную орбиту был выведен первый искусственный спутник — автоматическая научная станция "Луна-10". 2 июня 1966 г. мягкую посадку в Океане Бурь вблизи кратера Флеистид совершил космический корабль "Сервейор-1". При съемке на поверхности были использованы светофильтры, что позволило воспроизвести цветные изображения. Поверхность Луны оказалась серо-коричневой.

В октябре 1966 г. на орбиту искусственного спутника Луны была выведена станция "Луна-12". Она выполнила фотографирование отдельных участков Моря Дождей с высоты 100-300 км. На снимках видны детали рельефа поперечником 15-20 м. Были установлены повышенная концентрация мелких кратеров в районе светлых лучей, отходящих от кратера Аристарх. В этом же году в результате мягкой посадки станции "Луна-13" были изучены свойства грунта в районе Океана Бурь. В 1968 г. станция "Зонд-6" провела фотографирование Луны с расстояний 11 и 2,5 тыс. км, успешно возвратившись на Землю. В последующие два года с помощью станций "Зонд-7" и "Зонд-8" были получены цветные фотографии Луны с различных расстояний.

Большое число самых разнообразных снимков на поверхности Луны было получено американскими астронавтами при выполнении программы "Аполлон", а также с автоматических самоходных аппаратов "Луноход".

Результаты дешифрирования снимков Луны получили обоснование путем сравнения с данными о составе горных пород, образцы которых были доставлены как американскими астронавтами, так и советскими автоматическими станциями серии "Луна".

Марс представляет собой сложный объект для изучения с помощью земных телескопов. Карты этой планеты, основанные на рисунках и фотографиях, выполненных с помощью телескопов, были очень несовершенны. Вполне отчетливо на них изображались полярные шапки, тогда как многие детали строения поверхности выделялись неясно. Основные детали на поверхности Марса получили наименования морей, заливов, озер, болот, равнин, борозд, каньонов. Общеизвестна длительная дискуссия о наличии и происхождении "каналов" Марса.

Поверхность океанической равнины Утопия на Марсе

Несмотря на несовершенство карт Марса, составленных на основе телескопических наблюдений, неоднократно предпринимались попытки их истолкования с геологических позиций.

Новый этап исследований Марса с помощью космических аппаратов начался в ноябре 1962 г., когда АМС "Марс-1" стартовала в сторону этой планеты. Первые снимки Марса были переданы АМС "Маринер-4" в 1965 г. На них удалось отдешифрировать, в частности, большое число кратеров поперечником 5-20 км. В 1969 г. с автоматических станций получено значительное число снимков поверхности этой планеты с разрешением до 0,5 км.

В 1971 г. окрестностей Марса достигли АМС "Марс-2", "Марс-3" и "Маринер-9". Спускаемый аппарат станции "Марс-3" совершил посадку на поверхность планеты. Одна из перечисленных станций стала искусственным спутником Марса, передав большое число снимков поверхности разной детальности. Эти снимки явились основой для составления топографической карты всей поверхности планеты. Они позволили обнаружить большое число кратеров, трещин, вулканических аппаратов, выявить основные черты рельефа, предоставив исследователям богатый материал для анализа геологии планет.

В 1974 г. окрестностей Марса достигли АМС "Марс-4", "Марс-5", "Марс-6" и "Марс-7". С их помощью были получены снимки поверхности с высоким разрешением. Станция "Марс-5" стала искусственным спутником планеты, а спускаемый аппарат станции "Марс-6" совершил мягкую посадку на ее поверхность. В 1976 г. к Марсу подошли станции "Викинг-1" и "Викинг-2". Их посадочные блоки опустились в двух различных районах. На панорамах поверхности, переданных этими станциями, представлены участки песчаных пустынь с множеством угловатых камней. Был определен состав пород, который дает основание предполагать распространение полевых шпатов, пироксенов, оливина и ильменита. Красноватый оттенок поверхности объясняется развитием соединений железа: гетита и лимонита.

Очень интересными оказались также снимки спутников Марса — Фобоса и Деймоса. Привлекавшая внимание писателей-фантастов гипотеза об искусственном происхождении этих спутников не подтвердилась. Зато было надежно установлено, что Фобос и Деймос — глыбы поперечником около 20 км неправильной, угловатой формы, густо усеянные кратерами. Снимки спутников Марса были получены при последующем их изучении. Гребни на поверхности рассматриваются как следы соударений и скалывания при столкновениях с телами астероидных размеров. Кратеры на этих спутниках могли образоваться только за счет ударов метеоритов, так как подобные глыбы не могут обладать внутренней активностью и соответственно вулканизмом. Установление кратеров (диаметром до 6 км) на поверхности спутников Марса — один из важных доводов в пользу метеоритного происхождения кратеров на планетах и их спутниках.

До последнего времени Меркурий оставался самой загадочной планетой земной группы. Из-за сложности наблюдений с помощью земных телескопов карты и зарисовки Меркурия были крайне схематичны и плохо согласовывались между собой. На этих рисунках обычно выделялись лишь темные пятна и линии неправильной формы.

Поверхность Меркурия. Отчетливо видны метеоритные кратеры различных генераций и размеров

С началом космической эры появилась возможность изучить Меркурий по космическим снимкам. Космическая станция "Маринер-10" трижды облетела Меркурий (29 марта и 21 сентября 1974 г. и 16 марта 1975). При этом минимальное расстояние до поверхности планеты составило 210 км. Станция передала многочисленные телевизионные снимки, на которых заснято около 30% площади поверхности. Снимки позволили получить представление о рельефе и структуре поверхности, провести анализ методами геологического дешифрирования.

Если положить рядом снимки Луны и Меркурия, то иногда их не сможет сразу различать даже специалист: настолько близкими оказались их фотопортреты. Большая часть поверхности представляет собой континентальную область, насыщенную кратерами разных размеров.

Анализ полученных снимков позволил высказать ряд гипотез о составе пород, слагающих поверхность Меркурия. Равнины Меркурия отличаются лишь несколько более светлой и красноватой окраской по сравнению с окружающими горами.

Материал, слагающий морские равнины, предположительно вулканического происхождения. Вулканический характер подтверждается особенностями строения поверхности, зафиксированными на снимках. Местами на них прослеживаются уступы извилистой формы, напоминающие фронтальные уступы лавовых покровов в лунных морях. В отличие от Луны и Земли, где высота подобных уступов составляет всего десятки метров, на равнинах Меркурия их высота местами достигает 200-500 м. Причина различий должна заключаться в более вязком составе лав Меркурия. Такое допущение несовместимо с низкой отражательной способностью и высокой плотностью пород Меркурия, присущими ультраосновным породам. Поэтому было высказано предположение о том, что морские впадины Меркурия заполнены своеобразными слабодифференцированными ультраосновными лавами, близкими по составу к мантийному веществу планеты.

Фотопортрет Венеры. Видны облака, имеющие вихревую структуру

Венера всегда привлекала особое внимание исследователей. Ведь по размерам она близка к Земле, а значит, эти планеты-близнецы должны быть во многом похожими. Однако на Венере установлены существенные различия, которые описаны в специальном разделе.

С помощью нескольких различных космических аппаратов в 1979 г. получены снимки спутников Юпитера. Самый крупный из спутников — Ганимед. Его диаметр достигает 5280 км. Низкая средняя плотность указывает на примерно равные соотношения льда и силикатных пород в его составе. Цвет поверхности коричневато-серый. Она отражает 43% света. На снимках Ганимеда выделяется округлая темная область поперечником около 3200 км с большим количеством кратеров. Видны также светлые пятна диаметром порядка 300 км. Предполагается, что это древние кратеры, в значительной степени, утратившие морфологическую выраженность из-за пластичности ледяного субстрата. Видны также изогнутые гряды с широкими понижениями между ними — обрамление крупной впадины типа кругового моря. Многие кратеры окружены лучевыми системами. Светлые лучи прослеживаются на 300-500 км. Скорее всего, это выбросы льда. Местами выделяются венчики более коротких лучей темного цвета. Вероятно, это выбросы силикатных пород базальтового состава.

Крупнейший спутник Юпитера — Ганимед. Хорошо видны крупные темные впадины, напоминающие лунные моря, и светлые пятна, которые считаются кратерами

Второй по величине спутник Юпитера — Каллисто. Его диаметр 4840 км, почти равен поперечнику Меркурия. Низкая средняя плотность свидетельствует о большой роли льда в его составе, однако поверхность имеет коричневатый цвет и низкую отражательную способность. Здесь можно говорить о развитии своего рода "поверхностной морены" — покрова каких-то горных пород. Поверхность Каллисто сплошь покрыта кратерами. По насыщенности кратерами он может быть сопоставлен только со спутником Сатурна Тефией. Преобладают кратеры поперечником в десятки километров. Выделяются лишь две круговых впадины поперечником в 3000 и 1500 км. При близости размеров и средних плотностей, а, следовательно, и состава, Каллисто резко отличается от Ганимеда по степени тектонической активности, что связано с разной удаленностью от планеты, определяющей величину приливного воздействия.

Особенно интересными оказались снимки Ио. Этот спутник имеет диаметр 3640 км, т. е. превышает размеры Луны. Поверхность Ио ярко окрашена, очень светлая и отражает 63% солнечных лучей. По мнению К. Сагана, яркую красно-оранжевую окраску поверхности Ио придают соединения серы. При этом черные пятна на поверхности могут быть озерами жидкой горячей серы. На поверхности Ио видны горы высотой 4-8 км. Однако феноменом являются действующие вулканы Ио, о которых будет подробно рассказано в одной из глав.

Следующий по размеру спутник Европа диаметром 3130 км. Его поверхность светло-оранжевая, она отражает 64% солнечных лучей. На снимках Европы видны детали размером порядка 5 км. На его поверхности обнаружено всего три ударных кратера, что свидетельствует о молодости рельефа. Гладкая поверхность рассечена многочисленными полосами и узкими грядами, образующими сложное переплетение.

Небольшой спутник Амальтея вытянутой формы (260Х 140 км) имеет очень темную красноватую поверхность, с кратерами диаметром около 10 км. У Юпитера обнаружены также небольшие по размерам спутники поперечником 25-40 км. Так же как и Амальтея, они могут быть астероидами, захваченными гравитационным полем Юпитера.

В последние годы получены интересные данные о строении спутников Сатурна с помощью межпланетных космических аппаратов. Среди спутников этой планеты выделяется Титан. Он гораздо больше Луны и Меркурия. Его диаметр составляет 5120 км. Данные о средней плотности указывают на то, что он состоит из смеси льда и горных пород примерно в равных соотношениях. Поверхность Титана скрыта густыми облаками оранжевого цвета. В составе атмосферы преобладает азот, установлена существенная примесь метана.

Следующая по размерам группа спутников, включающая Рею, Диону и Тефию, отличается существенно меньшими размерами. Диаметр Реи составляет 1530 км. При небольшой отражательной способности и средней плотности 1,3 г/см³ допускается, что она образована изо льда с примесью горных пород. Поверхность Реи сплошь усыпана кратерами, поперечник которых достигает 300 км. Диона — меньшего размера, диаметром 1120 км, но несколько более плотная и серого цвета. На поверхности выделяется большое число кратеров диаметром до 100 км. Наблюдаются также обширные участки темного цвета, похожие на лунные моря. Поперечник Тефии составляет 1050 км. Ее поверхность также густо усыпана кратерами. По их плотности этот спутник пока лидирует в Солнечной системе. По данным отражательной способности и средней плотности, Тефия должна представлять собой гигантскую глыбу льда.

Более мелкие спутники Сатурна также состоят в основном изо льда. Это Энцелад диаметром около 500 км. При небольшой плотности он практически полностью отражает весь падающий на него солнечный свет. Мимас в поперечнике составляет 390 км. Поверхность его почти сплошь покрыта кратерами. Один из них резко выделяется своим размером в 130 км. Другие спутники еще более мелкие. Малые спутники имеют округло-овальную форму и очень светлую поверхность.

Таким образом, сейчас получен уникальный материал, позволяющий изучать строение поверхности твердых планет и спутников теми же методами, которые применяются геологами в земных условиях. Истина познается в сравнении: сравнивая фотопортреты далеких планетных тел, ученые отмечают черты сходства и различия, находят объяснение многим загадочным феноменам.