PERIGLACIÁLIS TÖRMELÉKLEJTŐK VIZSGÁLATA DIGITÁLIS DOMBORZATMODELLEK ALAPJÁN A MARSON Sik András 1 1. Bevezetés Az űrkutatás fejlődésének köszönhetően külső bolygószomszédunk megismerése az utóbbi néhány évben minden korábbinál nagyobb léptekkel halad előre. Ennek eredményeként a távoli Mars bolygót amely a középkorban még csak egy fényes vörös pontnak látszott az égen napjainkban már távérzékelési elven működő szerkezetek vizsgálják közelről, földi kutatások során kidolgozott földtudományi módszerek felhasználásával. Eközben a vörös bolygóról rendelkezésre álló adatok mennyisége szédületes ütemben nő, egyre több ismerettel rendelkezünk a felszíni folyamatok működéséről és az égitest fejlődéséről, a nemzetközi tudományos folyóiratok pedig szinte havonta új marsi felfedezésekről számolnak be. Így időszerűvé vált a Marsra vonatkozó hatalmas ismeretanyag rendszerezése, különböző összefüggéseinek feltárása, ami a Földről rendelkezésünkre álló tudást hasonló módon szintetizáló földrajztudomány egyik legfontosabb jövőbeli feladata. 2. A Mars-kutatás módszerei és eszközei A Mars kutatása ma már egyáltalán nem szűk tudóscsoport különleges munkája, sokkal inkább világméretű együttműködés keretei között zajlik, amelybe az interneten is elérhető nyilvános adatbázisok felhasználásával bármely felkészült szakember bekapcsolódhat. Az adatok gyűjtését egyre kifinomultabb ember nélküli űreszközök, vagyis űrszondák végzik, amelyek az Űrkorszak hajnalán csak elrepülni tudtak a bolygó mellett, ám az 1970-es évektől már keringő- illetve leszállóegységek vizsgálták a felszínt. A részletes felvételek elemzése és különböző műszeres mérések mellett azonban gyakran az összehasonlító planetológia módszerére is szükség van a megfigyelt jelenségek helyes magyarázatához. 2.1. Keringőegységek Egy keringőegység (orbiter), miután sikeresen pályára áll a kiválasztott égitest körül, megkezdi a globális térképezést és rendszerszerű adatgyűjtést, amelynek elvei, módszerei alapvetően megegyeznek a Föld esetében alkalmazott távérzékelési eljárásokkal. Tehát az orbiterek közvetett úton, tényleges fizikai kapcsolat nélkül, valamilyen elektromágneses sugárzás formájában szereznek mérési adatokat a vizsgált égitest felszíni és légköri jelenségeiről, folyamatairól. Majd az elektronikus jeleket továbbítják a Földre, ahol különböző feldolgozási eljárások és kiértékelés után alakulnak értelmes információvá. A keringőegységek leggyakrabban alkalmazott műszerei az optikai színképtartományban működő kamerák, amelyek felbontása napjainkban néhány méter/pixel pontosságú. Ezek felvételei alapján végezhetők morfológiai vizsgálatok s ezek tanulmányozásából vonhatók le geológiai, felszínfejlődési következtetések is. Az égitestek körül keringő űrszondák további fontos műszerei a lézeres magasságmérők, a felszín anyagi összetételét meghatározni képes infravörös spektrométerek, illetve a mágneses teret vizsgáló berendezések is. 1 doktorandusz, ELTE TTK, Természetföldrajzi Tanszék, 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/C. sikandras@ludens.elte.hu 1
2.2. Leszállóegységek Az űrszondák másik alaptípusa, a leszállóegység (lander) terepi adatgyűjtésre alkalmas. Ha sikerül az igen kockázatos landolás, a végrehajtott mérések részletessége ugyanis megegyezik a földi terepi vizsgálatokéval. Természetesen a leszállóhely kiválasztása kulcsfontosságú feladat, mert amellett, hogy maximálisan biztonságosnak kell lennie, az ott végzett pontszerű és egyszeri vizsgálatokból tulajdonképpen a teljes égitestre vonatkozóan próbálunk levonni általános következtetéseket. (A Mars felszínén eddig öt űrszonda szállt le sikeresen, a Viking 1 és 2 lander-páros 1976- ban, a Mars Pathfinder 1997-ben valamint a Spirit és az Opportunity 2004 januárjában.) 2.3. Összehasonlító planetológia Természetesen a leszállóegységek adatai sem képesek helyettesíteni a részletes morfológiai vizsgálatokhoz szükséges terepi méréseket, amelyek közvetlen elvégzése egyelőre még nem lehetséges a Mars távoli felszínén. Ilyen esetekben nyújthat megoldást az összehasonlító planetológiai elv és módszertan alkalmazása. Ennek központi gondolata, hogy egy idegen égitest jelenségeinek terepi tanulmányozását helyettesítheti a jelenség körültekintően kiválasztott földi analógiájának megfigyelése, majd a Földön felismert összefüggések alkalmazhatók a másik égitesten is természetesen a két környezet különbségeinek figyelembevételével. 2.4. Mars Global Surveyor A jelenleg aktív Mars-kutató űrszondák közül az amerikai Mars Global Surveyor (röviden MGS) működik a leghosszabb ideje: 1997-ben állt pályára a vörös bolygó körül, s ma is küldi adatait a földi irányítóközpontba (1. ábra). Legfontosabb tudományos műszere a felszínre merőleges helyzetű, letapogató elven működő optikai kamera (Mars Orbiter Camera, röviden MOC). Keringési pályamagassága 378 kilométer, amelyen haladva kis látószögű üzemmódban 3-5 x 30 kilométer nagyságú felszínrészletről készít pankromatikus felvételt, maximum 1,4 méter/pixeles felbontással. A rendszerezett MGS-felvételek több mint 150 ezer darabos, interneten elérhető katalógusából 1. ábra. A Mars Global Surveyor fantáziarajza (http://www.msss.com/moc_gallery) térkép alapján vagy a keringési azonosítószám ismeretében választható ki a tanulmányozni kívánt felvétel. Az űrszonda másik fontos műszere egy lézeres magasságmérő (Mars Orbiter Laser Altimeter, röviden MOLA), amely minden MOC-képhez készít egy domborzati profilt. Térbeli felbontása 300-400 méter, függőleges pontossága viszont 30 centiméter. E lézeres magasságprofilok szintén hozzáférhetők az interneten keresztül egy digitális archívumban (http://pds-geosciences.wustl.edu/missions/mgs/megdr.html), amelyek alapján interpolációs eljárások alkalmazásával megszerkeszthető egy kiválasztott felszíni terület digitális domborzatmodellje. 2
3. Periglaciális törmeléklejtők a Marson A vörös bolygóról rendelkezésre álló ismeretek alapján megrajzolható az égitest fejlődésének általános képe. Ennek alapján úgy tűnik, hogy a marstörténet kezdeti időszakában a bolygó nedves korszakát élte. A déli féltekén azonosított csatornahálózatok valószínűsítik, hogy a légkörrel rendelkező égitesten víz folyt, a becsapódásos medencékben tengerek, egyes kráterek belsejében tavak alakultak ki, s bennük üledék halmozódott fel. Az északi mélyföldek területét pedig egy hatalmas összefüggő víztömeg, az Ocean Borealis borította, amelynek medencéje, partvonalai és az ezekhez közel eső hirtelen folyóvölgyelvégződések szintén felismerhetők (Kereszturi, Á. 2000). Mintegy 3,9 milliárd évvel ezelőtt azonban, a bolygótestek összeállását lezáró Nagy Meteoritbombázás során hatalmas testek csapódtak a felszínbe, s szinte elfújták a légkört valamint az illóanyagok jelentős részét is (ilyen becsapódások nyomai például az idős Hellasilletve Argyre-medencék). Miközben a légnyomás csökkent s a természetes üvegházhatás mérséklődött, az egykor meleg felszín fagyossá változott. Ebben a környezetben a bolygón maradt H 2 O csak jégként vagy vízgőz-állapotban volt stabil, s mivel a felszíni víztömegek befagyása felülről indult meg, a fokozatosan vastagodó jégkéreg az alatta lévő vízmennyiség jelentős részét a tó- illetve tengeri medencék aljzatát alkotó törmelékrétegek pórusaiba préselte. Tehát egy szinte globális permafroszt-réteg (krioszféra) alakult ki a bolygón, s a felszíni környezet a földi periglaciális területekhez vált hasonlóvá. 2. ábra. A Mars színfokozatos domborzati térképe A bolygó felszínének különleges formakincsű régiói az ún. kimart területek (fretted terrain), amelyek már a Viking-űrszondapáros keringőegységei által készített, néhány tíz méter/pixeles felbontású képeken is megkülönböztethetők voltak (2. ábra). Alapvető jellemzőjük a domborzati nyugtalanság, mivel fokozatos átmenetet képeznek a Mars két eltérő felszíntípusa, a fiatal északi mélyföldek és az idős déli felföldek formakincse között. Közeledve a mélyföldek felé, először nagyobb kiterjedésű platók különülnek el, amelyek 1-2 3
kilométerrel emelkednek az őket elválasztó lapos aljzatú völgyek fölé. Még távolabb a felföldek összefüggő területeitől kisebb méretű, hasonló magasságú mezák jelennek meg, köztük a mélyföld jellegű felszínrészletek egyre nagyobb, összefüggő foltjaival. Ezek a Mars legnagyobb reliefenergiájú, leginkább felszabdalt térségei. A kimart területek elszórt, szigetszerű táblahegyei körül, valamint meredek leszakadásai mentén sajátos lejtőformák helyezkednek el, amelyek sok helyen szinte teljesen körbevesznek, szoknyaként szegélyeznek egy-egy táblahegyet. Ezek a formák pajzsszerű alakzatokként jelennek meg a kis felbontású űrfelvételeken, máshol viszont meredek leszakadások mentén húzódnak azok teljes, akár több 10 kilométeres hosszúságában (3. ábra). 3. ábra. A kimart terület domborzati képe, B periglaciális törmeléklejtő részlete 4. Marsi térinformatika A napról-napra gyarapodó területi jellegű adatok egységes rendszerben történő kezelése alapvető feltétele a Mars-kutatás hatékonyságának. Mivel a vörös bolygón végzett adatgyűjtés kizárólag digitális úton zajlott/zajlik, a térképszerű megjelenítés szinte nem is lehetséges térinformatikai módszerek alkalmazása nélkül. A különböző űrszondák műszereit készítő szakemberek természetesen kidolgoztak egy marsi referenciarendszert, így a legtöbb területi adat archiválása és közzététele ennek megfelelően történik. Így lehetőség van a különböző típusú adatok összeillesztésére, együttes kezelésére illetve megjelenítésére is. Az általam végzett elemzés során az ERDAS IMAGINE 8.4 szoftvert használtam az alábbi lépések végrehajtásához: a kiválasztott területet tartalmazó MOC- és MOLA-adatállományok letöltése az interneten keresztül; a területnek megfelelő részlet kivágása az interpolációval készült, 44 szélességi fok x 90 hosszúsági fok kiterjedésű MOLA-állományból, majd megjelenítése digitális domborzatmodellként (4. ábra); MOC-felvételek összeillesztése a vizsgált területet lefedő mozaikképpé (5. ábra); a mozaik hozzáillesztése fedvényként a digitális domborzatmodellhez (6. ábra). 5. A vizsgált terület domborzatmodellje A részletesen vizsgált terület a déli féltekén helyezkedik el, a Hellas-medence északkeleti pereménél. Középpontjának koordinátái: D. sz. 45, Ny. h. 255. A körülötte található törmelékszoknya határvonalai illetve a táblahegyről rendelkezésre álló nagyfelbontású MOCképek elhelyezkedése látható kiemelve egy áttekintő felvételen (5. ábra). 4
4. ábra. A vizsgált terület áttekintő színfokozatos domborzattérképe A digitális domborzatmodellből levezethető helyi lejtésviszonyok ismerete a törmeléklejtők pontosabb morfológiai és genetikai elemzését teszi lehetővé. (Meg kell azonban említeni, hogy a MOLA-adatok horizontális pontossága meg sem közelíti a részletes MOC-képek felbontását, vagyis a mikroformák tanulmányozása során sajnos nem használható.) A domborzatmodell lehetővé teszi viszont a marsi terep virtuális bejárását és tetszőleges pozícióból történő áttekintését, amely megerősítheti vagy akár meg is cáfolhatja az optikai felvételek alapján levont következtetéseket. Két ilyen kép látható a 7. ábrán, a domborzatmodellre illesztett nagyfelbontású felvételekkel együtt. 5. ábra. A vizsgált terület áttekintő felvétele 6. ábra. A vizsgált terület domborzatmodellje. A színfokozatos megjelenítés; B űrfelvétel-fedvénnyel kombinált megjelenítés 5
7. ábra. A vizsgált terület virtuális látványa a terepről. A észak felől; B dél felől A lézeres magasságprofilok azonban önállóan is jól használhatók a nagyfelbontású felvételek elemzése során, mint a felvételek középvonalában készített keresztszelvények. Így például az M03-00868 jelű felvétel kiválasztott pontjai (A, B, C illetve D jelzéssel az 5. ábrán) nem csak az űrfelvételen vizsgálhatók, hanem domborzati helyzetük is meghatározható (8. ábra). Továbbá egyszerű morfometriai elemzésre is felhasználhatók, például a törmeléklejtő hosszúságának, magasságának vagy meredekségének meghatározására. 8. ábra. Az M03-00868 jelű felvétel magasságprofilja 6. Következtetések, összegzés A marsi periglaciális törmeléklejtők sajátos alakja számos lézeres magasságprofilon felismerhető. A görbe jellegzetességei a törmeléklejtőt a táblahegytől elválasztó éles töréspont, a lejtő domború, konvex lefutása illetve hirtelen elvégződő homlokfrontja. E sajátosságok a törmeléklejtő belső szerkezetének plasztikusságát jelzik s arra utalnak, hogy a formák kialakulása csak összetett folyamatok eredményeként lehetséges. Az aprózódás és a gravitációs hatásra történő tömegmozgások mellett olyan anyag jelenléte is szükséges, amely lehetővé teszi a plasztikus formakincs kialakulását, s ez szinte biztosan vízjég. A törmeléklejtők legjobb földi analógiái a sziklagleccserek, amelyek bolygónkon a periglaciális térségek legnagyobb méretű, legtöbb anyagot szállító formái (Sik, A. 2001). A törmeléklejtők anyagában a jég kétféle formában lehet jelen: egyrészt eltemetett jégtestként,, másrészt cementáló anyagként, a kőzetszemcsék közötti pórusokat kitöltve. Ezt az is alátámasztja, hogy a tapasztalt magasságprofilok alakja igen jól egyezik azon rheológiai számítások eredményeként kapott elméleti profilokkal, amelyek plasztikusan viselkedő kő-jég keverékkel végzett modellezés során rajzolódtak ki (Mangold, N. Allemand, P. 1999). Továbbá e törmeléklejtők behatárolt, alapvetően zonális jellegű elhelyezkedése egy különleges éghajlatmorfológiai régió létezését jelzi a Marson, amelynek a fenti következtetések alapján kulcsfontosságú eleme a felszín alatti jég jelenléte, tehát valóban periglaciális térségnek tekinthető. Mindezek alapján úgy gondolom, hogy a marsi formakincs részletes elemzése során rendkívül hasznos eszköznek bizonyulhat a digitális domborzatmodellek alkalmazása. 6
Irodalom Kereszturi, Á. (2000) Marsbéli folyóvölgyek morfológiai és morfometriai vizsgálata. Diplomamunka. ELTE TTK, Természetföldrajzi Tanszék. 76 p. Mangold, N. Allemand, P. (1999) Topographic analysis of features related to ice on Mars. Személyes közlés. Sik A. (2001) Comparative study of periglacial mass movements on Mars and Earth. XXXII. Hold- és Bolygótudományi Konferencia, Houston, abstract #1762. 7