Текст книги "Путешествия к Луне"
Автор книги: Владимир Сурдин
Соавторы: Вячеслав Шевчёнко,Вадим Чикмачёв,Юрий Шкуратов,Жанна Родинова,Кира Шингарева,Александр Марков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 15 (всего у книги 33 страниц)
5.9. «Рейнджеры» – камикадзе: съемка Луны в упор
Как ни старались астрономы разглядеть с Земли мелкие детали лунной поверхности, неоднородность земной атмосферы не позволяла различить детали мельче 1 км. Мечта увидеть Луну вблизи исполнилась в 1964–1965 гг., когда американские зонды «Рейнджер-7…9», направленные точно к Луне, вплоть до столкновения передавали на Землю телевизионные изображения лунной поверхности. Место падения каждого из аппаратов оказалось изображенным последовательно во все более и более укрупняющемся масштабе. Каждый «Рейнджер» имел массу около 370 кг и был оборудован двумя широкоугольными и четырьмя длиннофокусными камерами.
Рис. 5.20. Зонды «Рейнджер-7…9» (Ranger, NASA) впервые передали снимки Луны с близкого расстояния.
Каждый зонд передал тысячи снимков с расстояния от 2500 км до нескольких сотен метров от поверхности. Рекорд поставил «Рейнджер-8»: его последний снимок был сделан с расстояния 160 м, и это при том, что аппарат несся к поверхности со скоростью 2,4 км/с. На последних снимках были различимы детали размером с книгу. «Рейнджер-7» упал в Море Облаков, к западу от кратера Герике. «Рейнджер-8» жестко прилунился в Море Спокойствия, между кратерами Ламонт и Мольтке. А «Рейнджер-9» достиг поверхности Луны 6 км от выбранной цели в кратере Альфонс, к северо – востоку от центрального пика. По снимкам, переданным этими аппаратами, были составлены 17 листов карт серии RLC в масштабах от 1:1 000 000 до 1:400 (т. е. 4 м в 1 см).
Рис. 5.22. «Рейнджер-8» сделал этот снимок 20 февраля 1965 г. с расстояния 11 км от лунной поверхности, за 5 секунд до удара о нее. Размер кадра 2 км, размер мельчайших различимых деталей поверхности (разрешение) 4 м.
Рис. 5.21. Этот снимок «Рейнджер-7» сделал 31 июля 1964 г., за 17 минут до удара о поверхность Луны. Слева – Море Облаков; справа – кратеры Птолемей, Альфонс и Азахель (сверху вниз). Протяженность кадра по высоте 360 км. Это фото стало первым снимком Луны, полученным американскими космическими аппаратами.
Снимки «Рейнджеров» показали, что вблизи Луна выглядит вполне надежной. Пришло время пробовать ее «на ощупь» (а вдруг это все же море пыли) и выбирать место для посадки пилотируемых экспедиций. Попытки мягко посадить на Луну автоматический аппарат начались с 1963 г., но только в январе 1965 г. они увенчались успехом: «Луна-9» (СССР) передала панораму лунной поверхности из Океана Бурь и – главное! – доказала, что поверхность там достаточно прочная для посадки космического корабля. В мае 1966 г. на Луну мягко сел «Сервейор-1» (США); затем были «Луна-13», «Сервейор-3» и другие аппараты, окончательно доказавшие, что Луна прочная, не радиоактивная и вполне гостеприимная для человека в скафандре. Теперь лунным штурманам нужна была подробная карта планеты.
5.10. «Лунар Орбитер»: фотосъемка с орбиты
Для детального изучения всей поверхности спутника Земли в 1966–1967 гг. на окололунной орбите работали американские зонды «Лунар Орбитер-1…5», которые вели съемку на фотопленку шириной 70 мм, проявляли ее прямо на борту, затем сканировали и по радио передавали изображения на Землю. Первые три аппарата двигались по околоэкваториальным орбитам и в основном изучали области, перспективные для будущих посадок на поверхность, а четвертый и пятый зонды с полярных орбит отсняли практически всю поверхность видимого и обратного полушарий. С разной степенью успеха зонды выполнили свою задачу, получив с высоты от 6000 до 40 км тысячи качественных снимков Луны с разрешением от 60 до 20 м, а местами и лучше, вплоть до 1–2 м. На их основе были выбраны места для посадки пилотируемых экспедиций и подготовлены новые атласы. Одним из первых стал атлас «The Lunar Orbiter Photographic Mission», составленный Л. Шерером. В нем на одном из снимков заметна точка – сидящий на лунной поверхности «Сервейор-1». А в 1970 г. вышел более полный атлас «The Moon as viewed by Lunar Orbiter», в котором подробно описана система фотокамер, установленных на зондах, и показан полученный ими разнообразный материал. Воспроизведены 183 фотографии, разделенные на группы: моря, материки, кратеры, сбросы, трещины и купола, а также обратная сторона Луны. Даны также четыре анаглифических стереоснимка районов Аристарха, части долины Шрётера, трещины Пари и холмов вблизи кратера Т. Майер. Очень полезны при работе с атласом карты покрытия поверхности Луны снимками и таблица данных об орбите и высоте зонда в момент съемки, о координатах центра кадра, высоте Солнца и т. п.
На основе съемок «Лунар Орбитера-4», сфотографировавшего 99 % видимого полушария Луны, в 1971 г. был издан «Atlas and Gazeteer of the Near Side of the Moon» (Атлас и справочник видимой стороны Луны), подготовленный научной картографической лабораторией NASA. Он включает 404 фотографии и табличный каталог официально наименованных образований видимой стороны Луны. Каждое фото сопровождается списком образований, которые на нем имеются. Фотографии обозначены в соответствии с положением аппарата на орбите с юга на север для каждого витка, начиная с южного кадра на восточном лимбе и заканчивая самым северным кадром на западном лимбе. Справочник содержит списки названий лунных образований в различных системах (Блэгг и Мюллера, Лунно-планетной лаборатории), координаты образований, а также замечания и поправки, внесенные при сравнении с другими системами. Во «Введении» дана краткая история номенклатуры. Этот атлас очень полезен для картографов, поскольку разрешение фотографий с отождествленными образованиями лунного рельефа в несколько раз выше, чем наземных снимков. К сожалению, работая с Атласом, мы обнаружили некоторое опечатки и ошибки в отождествлении наименованных кратеров.
Рис. 5.23. Зонд «Лунар Орбитер» был предназначен для длительной работы на окололунной орбите.
Рис. 5.24. Изображение северной полярной области Луны, полученное зондом «Lunar Orbiter» с высоты 3345 км. Координаты центра снимка: 70° N, 30° W. Размер изображенной области – примерно 400×300 км. У верхнего края снимка в середине виден кратер Пири диаметром 73 км, внутри которого расположен северный полюс Луны.
Самый полный набор снимков с «Лунар Орбитеров-1…5» представлен в атласе «Lunar Orbiter Photographic Atlas of the Moon», изданном NASA в 1971 г. В нем 675 фотографий в масштабе от 1:600 000 (в 1 см – 6 км) и мельче. Снимки снабжены буквенно – цифровой индексацией, по которой можно отождествить крупные наименованные образования. Специальные таблицы содержат информацию о дате каждого снимка, времени экспозиции с точностью до секунды, высоте Солнца в момент съемки, фазовом угле и многих других параметрах. Имеется также таблица наименованных кратеров с указанием номеров снимков, на которых можно их найти. Атлас очень полезен для картографов, несмотря на то, что поперечные полосы, возникшие при монтаже оригинальных снимков, мешают правильному восприятию изображений.
Рис. 5.25. Снимок небольшой области в Море Спокойствия, полученный 20 ноября 1966 г. зондом «Лунар Орбитер-2» с высоты 47 км.
После окончания первого этапа «покорения Луны» работы по ее картографированию значительно сократились. Долгие годы материалы, полученные от «Лунар Орбитер», оставались без движения, но в начале XXI в. к ним обратились вновь. Преобразовав аналоговые записи 1960–х гг. в цифровую форму и применив современные методы обработки изображений, специалисты добились потрясающего улучшения их качества: исчезли полосы между отдельными снимками, выровнялся фон, появилось значительно больше деталей. Можно сказать, что, не покидая Земли, астрономы совершили новую – лабораторную – экспедицию к Луне.
5.11. Современные карты и глобусы Луны
В большинстве своем лунные карты, составленные в эру космических полетов, изданы в США, небольшая часть карт была подготовлена и издана в СССР, Чехословакии, Германии, Венгрии. Большая часть карт Луны, изданных в СССР, подготовлена при участии ГАИШ.
В 1966 г. в ГАИШ и ЦНИИГАиК была составлена и в 1968 г. издана «Карта Луны, экваториальная зона видимого полушария» в проекции Меркатора в масштабе 1:1 000 000 на область ±8° по широте и ±70° по долготе. Рельеф поверхности на ней изображен полутоновой отмывкой. Угол падения солнечных лучей изменялся при рисовке, чтобы лучше выявить особенности рельефа, проявляющиеся как при низком Солнце (пологие валы в морях, купола, трещины и борозды), так и при высоком (лучевые системы, образования морского типа).
На этой карте впервые было показано место первой мягкой посадки АМС «Луна-9» названное Заливом Прилунения.
Упомянутая выше «Фотокарта видимого полушария Луны» в масштабе 1:5 000 000 была составлена в 1967 г. под научным руководством Ю. Н. Липского в ГАИШ и топогеодезической службы СССР на основе оригинальных фотографий, полученных отечественными и зарубежными обсерваториями и по материалам фотографических атласов Луны. Карта построена в косой позитивной внешней перспективной проекции при положительных значениях либрации по широте и долготе, близких к максимальным, благодаря чему в восточной краевой зоне показаны Море Гумбольдта, Море Краевое и Море Смита. Именно в проекции с позитивным проектированием получаются фотографии Луны, передаваемые на Землю космическими аппаратами и астрографами на Земле.
Первая «Полная карта Луны» в масштабе 1:5 000 000 на 9 листах, составленная под руководством Ю. Н. Липского на основе наземных фотографий и снимков «Луны-3» и «Зонда-З», была издана в 1965 г. На ней впервые изображено 95 % поверхности Луны. Область, ограниченная параллелями ±60°, построена в произвольной цилиндрической проекции, приполярные области даны в азимутальной проекции в масштабе 1:10 000 000. Вдвое меньший масштаб объясняется отсутствием в то время материала на высокие широты. В произвольной цилиндрической проекции искажения углов не превышают ±5° в пределах широт ±50°. На параллели 60° угловые искажения менее 14°, а площади искажаются в гораздо меньшей степени, чем, например, в проекции Меркатора. Второе издание «Полной карты Луны» вышло в 1969 г. При ее создании использовались также снимки «Лунар Орбитеров», а приполярные области показаны в масштабе 1:5 000 000. Привязка снимков обратной стороны в единой системе селенографических координат проводилась в Отделе исследований Луны и планет ГАИШ. Третье издание карты вышло в 1979 г. В нем использованы данные всех летавших к Луне зондов и экспедиций «Аполлон». Особое внимание при изображении рельефа уделялось отображению образований морского типа, кратеров с затопленным дном, лучевых систем и кратерных цепочек. Переданы такие характерные для лунных кратеров особенности, как небольшая по сравнению с диаметром глубина кратеров, малая по сравнению с глубиной высота вала, большая крутизна внутреннего склона по сравнению с внешним. Цветовая гамма «Полной карты Луны» выбиралась с учетом естественного цвета лунной поверхности и с целью наиболее выразительно изобразить рельеф. Яркостные особенности лунной поверхности на карте показаны вариациями тона цветовой отмывки (кстати, установлено, что светлоту лунного материала определяет химический состав пород). Каталог лунных наименований на русском и латинском языках был составлен с помощью библиографических отделов библиотеки МГУ и Большой советской энциклопедии.
«Полная карта Луны» предназначена как для ученых, исследующих Луну, так и для широкого круга интересующихся Луной. Навигационная проекция карты позволяет использовать ее для нанесения следов траекторий искусственных спутников Луны и проектирования космических экспериментов. Она используется как основа для нанесения на нее различной информации, описывающей свойства поверхности и ее геологическое строение. «Полная карта Луны» стала основой для создания многих специальных карт: «Тектонической карты Луны» (НИЛЗарубежгеология, 1969 г.), серии геолого – морфоло– гических карт Луны (Геологический институт АН СССР, 1969 г.), «Карты вулканических форм Луны» и «Структурно – геологической карты» (1974 г.). По «Полной карте Луны» проводились исследования для выявления закономерностей размещения лунных образований и их взаимосвязей, вычислялись площади морских образований и крупных кратеров. На основе измерения координат и диаметров кратеров по этой карте создан «Морфологический каталог кратеров Луны». Используя оригиналы отмывки рельефа этой карты, мы подготовили «Полную карту Луны» в масштабе 1:10 ООО ООО на одном листе, содержащую справочные данные о Луне, сведения о площадях морских образований, данные об основных этапах исследования Луны и карту распределения лунных пород. Второе дополненное издание этой карты вышло в 1985 г.
Как известно, наилучшим образом передает внешний вид планеты ее глобус. Только на нем в неискаженном виде можно представить взаимное расположение и относительный размер элементов поверхности. В СССР глобусы Луны масштаба 1:10 ООО ООО издавались в 1967, 1969,1974,1979,1984 и 1989 гг. В каждое издание вносились изменения в наименованиях в соответствии с решениями Международного астрономического союза. Оригиналы глобуса Луны готовились в виде 12 сегментов, охватывающих зоны в 30° по долготе и ±80° по широте, а также двух приполярных областей в прямой азимутальной равнопромежуточной проекции. По специальному заказу в 1970 г. было подготовлено несколько глобусов Луны диаметром 1 м 30 см. Новые возможности в создании глобусов появились с применением термопластичных материалов, когда сразу формируется целое полушарие. Такой глобус был подготовлен в 1990 г. при участии ПКО «Картография», ГАИШ и ЦНИИГАиК.
Рис. 5.26. Селенографы Ж. Ф. Родионова и В. И. Чикмачев у сконструированного в ГАИШ унифицированного мультиплекса (1970 г.), позволяющего оптическим путем восстанавливать связки проецирующих лучей, существовавших в момент съемки. С помощью этого прибора получали фотоизображения, выправленные за кривизну и наклон, осуществляя привязку снимков космических аппаратов «Зонд -3, -6…8» и кораблей «Аполлон-8, -11, -13»
Своеобразными картографическими произведениями стали топографические схемы и планы, составленные в Институте космических исследований АН СССР по панорамам лунной поверхности, полученным зондами «Луна-9» и «Луна-13», а также топографические схемы маршрутов «Лунохода-1» и «Лунохода-2». Это первые в истории топографические съемки, выполненные на лунной поверхности телефотометрами – приборами, совершенно необычными для традиционных методов. Поэтому был разработан оригинальный способ обработки изображений, полученных сканирующими системами. Топопланы и топосхемы, составленные по данным налунной съемки, были использованы для изучения микроструктуры лунной поверхности и ее генезиса, в частности для изучения процессов переноса вещества и кратерообразования.
Полеты АМС «Зонд-6», «Зонд-7» и «Зонд-8» стали новым этапом в изучении лунной поверхности. По снимкам этих зондов были составлены детальные карты обширных областей Луны. Рельеф на них показан отмывкой в сочетании с условными знаками, отражающими возрастную и морфоструктурную характеристики лунного ландшафта. В 1973 г. по снимкам «Зонда-8», демонстрирующим восточный сектор обратной стороны Луны от кратера Эйткен до Моря Восточного, были созданы фотокарты в ГАИШ и МИИГАиК. На второй карте рельеф дополнен горизонталями, проведенными через 500 м. А фотокарта, составленная в ГАИШ на унифицированном мультиплексе и сферическом экране, освобождена от перспективных искажений, при этом сеть селенографических координат нанесена В. И. Чикмачевым на уже выправленные изображения.
Наряду со съемками Луны из космоса в 1970–1980–е гг. продолжалось изучение видимого полушария по наземным снимкам. Так, в обсерватории Харьковского университета под руководством Η. П. Барабашова была подготовлена серия карт в масштабе 1:5 000 000: «Карта альбедо видимого полушария Луны», «Фотометрическая карта видимого полушария Луны», «Карта цвета видимого полушария Луны». В Абастуманской астрофизической обсерватории (Грузия) под руководством В. П. Джапиашвили был создан «Поляриметрический атлас Луны».
Многие из лунных карт, изданных в США, оцифрованы и доступны через интернет. Например, на сайте Лунно – планетного института (Lunar and Planetary Institute) можно найти следующие карты: LPC в масштабе 1:10 000 000, LMP 1:5 000 000, LM и LAC серии в масштабе 1:1 000 000, LEM 1:2 500 000. Особый интерес представляет карта серии LTO из ортофотомозаик космического корабля «Аполлон» с горизонталями в масштабах от 1:250 000 до 1:10 000. Высокая точность плановой привязки этой серии карт, а также то, что горизонтали проведены на ней через 100 м, позволяет использовать эту серию при анализе новой информации для выявления корреляций с рельефом местности. На сайте http://astrogeology.usgs.gov/Projects/LunarConsor-tium размещены карты альбедо, возраста поверхности и геологические карты, созданные на основе изображений с «Лунар Орбитер», карты полутоновой отмывки рельефа, многоспектральная мозаика космического аппарата «Галилео», карты, построенные по данным экспедиции «Аполлон».
Рис. 5.27. Окрестности Гор Агриколы на фотокарте из серии LTO. Этот район Океана Бурь, расположенный к северо – западу от кратера Аристарх, считается очень перспективным для будущих экспедиций, поскольку там под поверхностью могут находиться лавовые трубы, где можно поместить лунную базу.
По материалам съемки космического зонда «Клеметина» американская служба геологической съемки (USGS) предприняла создание контрольной сети Clementine Lunar Control Network (CLCN). Эта сеть основана на измерениях пересекающихся точек на 44 ООО изображений, привязанных к 22 узловым точкам видимой стороны, отнесенным к сфере радиуса 1736,7 км с центром в центре масс Луны. В результате обработки данных была получена сеть опорных точек [4]4
Интернет – адрес – http://isis.astrogeology.usgs.gov
[Закрыть], которую затем использовали для создания контрольной сети основы карт и мозаик изображений с промежутком в 100 м. [5]5
Интернет – адрес – http://www.mapaplanet.org. Версия с меньшим разрешением есть на сайте http://astrogeology.usgs.gov/Projects/ClementineNIR.
[Закрыть]В 2002 г. USGS подготовила карты Луны в масштабе 1:10 000 000 с цветной шкалой высот и отмывкой рельефа [6]6
Интернет – адрес – http://geopubs.wr.usgs.gov/i‑map/i2769
[Закрыть]. Глобальная сеть контрольных точек Unified Lunar Control Network 2005 (ULCN 2005), созданная при поддержке программы НАСА Planetary Geology and Geophysics, является наиболее точной, поскольку она основана на фотограмметрической обработке 43 866 снимков «Клементины» и более ранних данных о трехмерном положении 272 931 точек. Оригинальное программное обеспечение, использованное для создания ULCN 2005, было разработано Rand Corporation (Davies и др.) и затем модифицировано USGS Astrogeology.
При изучении эволюции Луны и планировании экспедиций на ее поверхность особый интерес представляют тематические карты. Например, зонд «Лунар Проспектор» измерил содержание тория, калия, урана, железа, кислорода, кремния, алюминия, кальция, магния и титана на лунной поверхности с помощью гамма – спектрометра, который был особенно чувствителен к наличию тяжелых элементов – тория и калия. По этим данным построена карта с пространственным разрешением 150×150 км. На ее основе можно выявить закономерности распределения того или иного элемента на Луне. Наибольшая концентрация железа, калия и тория наблюдается на видимой стороне Луны, причем именно в пределах лунных морей (особенно в Море Дождей). Повышенным содержанием этих элементов отличается и бассейн «Южный полюс – Эйткен».
5.12. Разведка Луны продолжается
Картографирование Луны с 1960–х по 1980–е гг. выполнялось на основе обширных данных, полученных космическими аппаратами в виде фотографий и телевизионных изображений. В начале 1990–х гг. были созданы банки цифровых данных, включая глобальные многоспектральные изображения и альтиметрию, создание глобальной контрольной сети опорных пунктов на Луне. В первой декаде XXI в. наблюдается резкий рост активности разных стран в исследовании Луны. Европейское космическое агентство миссией «Смарт-1» успешно завершило в сентябре 2006 г. съемку лунной поверхности. Изображения 10 ООО снимков с высоким разрешением (100 м на пиксел) обрабатываются и архивируются в формате PDS.
Сейчас обширные исследования Луны выполняет японский космический аппарат «Селена (Кагуйя)». Лазерным альтиметром измерены высоты лунной поверхности с точностью до 6 м. В Японии в 2008 г. была составлена «Топографическая карта Луны», на которой горизонтали проведены через 1 км. Точность определения абсолютных высот на этой карте значительно выше, чем на картах, построенных по данным космического аппарата «Клементина». Недостатком японской карты является отсутствие названий многих образований лунного рельефа. Китайская программа исследования Луны с помощью аппарата «Chang’e—Ι» также успешно выполняется: создается глобальная цифровая модель рельефа Луны и построена первая китайская карта Луны. Индия запустила свой космический аппарат «Chandrayaan» к Луне для изучения химического состава поверхности и, в частности, подробного картирования района кратера Циолковский (съемка с разрешением около 5 м). Готовится к запуску американский лунный спутник «Lunar Reconnaissance Orbiter», телекамеры которого покажут лунную поверхность с разрешением в 0,5 м. Успехи ученых разных стран в исследовании Луны с помощью новых аппаратов, несомненно, позволят создавать более точные и подробные карты Луны. Международный характер наступающей эры лунного картографирования потребует стандартизации в обработке огромного количества поступающих данных и развития новых технологий в создании карт. Селенологи используют карты Луны для решения важных научных и практических задач: восстанавливают историю лунной поверхности, планируют экспедиции на Луну.
