Földrajzi Konferencia, Szeged 2001 AZ IO FÖLDRAJZÁNAK FELDERÍTÉSE AZ ŰRTÁVÉRZÉKELÉS MÓDSZEREIVEL Hargitai Henrik 1 Összefoglalás Az Io naprendszerünk geológiailag legaktívabb égitestje. Felszínén jelenlegi tudásunk szerint nincs becsapódásos eredetű kráter: a felszín kora mindössze pár millió év. Főbb jellegzetességei: a mintegy 400 vulkáni kaldera, tucatnyi működő vulkán, mintegy 100 hegy. A felszín nagy részét vulkáni lávasíkság illetve párszáz méter magas rétegzett síkság borítja. Az Ióról a már 20 évvel ezelőtt készített Voyager-képekből - a mai számítógépes technikával, megfelelő programok segítségével - készíthetők olyan képek (domborzati terepmodellek) melyek segítségével három dimenzióban ábrázolhatjuk az Io felszínének egyes részeit. Az Iót 20 év időkülönbséggel ábrázoló (Voyager ill. Galileo) képek segítségével számos felszínváltozást (új kaldera, lávafolyás stb. megjelenése, megváltozása) is sikerül azonosítani. A különböző időpontokban, különböző fényviszonyok mellett készített képek egy adott terület interpretációját sokszor megkönnyítik. Az Ióról készült képek esetében a Voyager ill. Galileo sztereó képei (illetve árnyékhosszméréssel a hagyományos képek) voltak azok, melyek topográfiai információt hordoztak. Ezek alapján készítettem el egy névtelen hegy digitális terepmodelljét. Az Io Galileo és Voyager űrszondák által készített felvételei együttesen ~95%-ban lefedik a hold felszínét. Ennek segítségével globális felmérés volt végezhető az Io hegyeiről és kalderáiról. Én Paul Schenk (LPI) témavezetése alatt az Io hegyeinek átfogó morfológiai elemzését végeztem el: a hegyeket kategóriákba soroltam (tektonikus eredetű hegyek: masszívum, gerinc, meza), vulkáni eredetű hegyek (pajzsvulkán, tholus). A hegytípusok vizsgálatával következtetni lehet a hegyeket felépítő anyagra és a hegyek kialakulására is. Vizsgáltam a hegyek oldalán lejátszódó tömegmozgásos jelenségeket is. Az egyes hegyek és kalderák holdfelületen való elterjedését vizsgálva megállapításokat tehettem a hegyek és kalderák felszíni elterjedésének összefüggéséről. A felvételek eredete A Voyager 1 és Voyager 2 1979-ben fényképezte az Iót, de csak a felszín 45%-áról készültek képek nagy felbontással (275-360 hosszúság). A Galileo űrszonda, mely ma is Jupiter körüli pályán van, napjainkban készít felvételeket a fennmaradó területről (1998-ig a felszín 80%-át fényképezte 2,5-8 km felbontással (Carr et al., 1998). Ezek az adatok együtt 90%-nál nagyobb felszíni borítást biztosítanak 2,8 km/px átlagos felbontás mellett (ez 0,3 és 10 km/px közt váltakozik). Így most nyílt először lehetőség arra, hogy az Io csaknem teljes felszínét átvizsgálhassam olyan felbontásban, mely a hegyek egyértelmű azonosítására alkalmas. Munkám során valós színes felvételeket vagy nem használtam, vagy csak a valamilyen színszűrővel felvett felvételt használtam egymagában, azaz fekete-fehér képként. Az eredeti képeket ahhoz, hogy rajtuk méréseket is lehessen végezni, előbb fel kellett dolgozni. A kalibrálásra és előzetes feldolgozásra Houstonban, a Lunar and Planetary Institute-ban, Paul Schenk vezetésével került sor. 1 Hargitai Henrik, geográfus, doktorandusz, Eötvös Lóránd Tudományegyetem 1
Hargitai Henrik: Az Io földrajzának felderítése A felszíni képződmények azonosítása Az első lépés valamennyi rendelkezésre álló képen (papírképeken és nyers digitális képeken) az egyes képződmények vizuális azonosítása volt. A hegyek azonosítására valamennyi Voyager- és addig az időpontig (1998 nyara) rendelkezésre álló Galileo-felvételt felhasználtam. Az azonos területről több szűrővel készített felvételek közül előnyben részesítettük a Clear azaz színszűrő nélküli, széles spektrumú fekete-fehér felvételeket. Alaptérképként a Voyager-felvételek alapján készült, 1:15.000.000 méretarányú Shaded Relief and Surface Marking Map-et (I-1713: domborzatárnyékolásos és a felszíni albedóalakzatokat is feltüntető térképet) használtuk. A hegyek ezen a térképen nem minden esetben jelentek meg helyes interpretációjú ábrázolással (némely esetben az interpretáció highly speculative a térkép megjegyzése szerint). A Voyagerek által gyengén lefedett területeken - különösen az északi-sarki területeken - egyáltalán nem ábrázolta a térkép a domborzatot. A korábbról rendelkezésre álló sztereó felvételek segítségével már az előzetes vizsgálódások során tudtam - a sztereó képek puszta vizuális interpretációja segítségével - előzetes keresztmetszeti képeket készíteni egyes hegyekről. A hegyek azonosítása a legkönnyebben azokon a felvételeken történik, melyeken nagy árnyékot vet a hegy, tehát a napfény alacsony szögben esik a területre (a terminátorvonal közelében). A terminátorvonalon túl, az árnyékos részen talált világos folt az árnyékzónából kiemelkedő hegyre utal. A bolygó peremének vonalát is tartalmazó felvételeken a perem egyenetlenségei is hegy jelenlétére utalnak. Az előzetes azonosítás során néhány olyan terület maradt az Io felszínén, melyre nagy felbontású (1 km/px-nél jobb) képeket nem találtam, ezeket a területeket kisebb felbontású képeken néztem át. A hegyek azonosítását nagymértékben megkönnyítették a kivágatok, ahol különböző megvilágítás mellett lehetett szemlélni a felszínt. A vulkáni központok azonosítása A vulkáni központokat az albedóalakzatokat jól megjelenítő felvételeken lehet azonosítani. A kalderákon kívül vulkáni központként határoztuk meg azokat a helyeket, amelyekből lávafolyás indul ki (még akkor is, ha ott kaldera nem látszik), valamint amelyek vulkáni kitörésfelhő kiindulási pontjai. A fentieken kívül a vulkáni központok közé soroltam az irodalomban leírt forró pontok helyét, és azokat a területeket is, ahol a felszínen valamilyen változás ment végbe. A többképes módszer hátránya az Io esetében A felszín fényességének változása: A Nap beesési szögétől függően bizonyos felszíni anyagok erősen változtatják fényességüket (azaz itt nem a beeső fény erősségének változásáról vagy árnyékviszonyok változásáról van szó). Így egyes területek feketéből fehérre változhatnak pusztán a Nap beesési szögének változásától, miközben környezetük árnyalata nem változik. Ez némileg megnehezíti bizonyos alakzatok egyértelmű azonosítását, mérését, de szerencsére főleg a lávafolyásoknál fordul elő. Felszíni változások: A kutatók figyelmének középpontjában áll az Io gyors felszínváltozásának követése. Mintegy két évtized alatt több tucatnyi új kaldera lávafolyás, lávamező tűnt fel és el az Io felszínén. A többképes vizsgálatkor ezek a változások megnehezíthetik a képződmények egyértelmű azonosítását. 2
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001 Az Io-térképek és az azonosítás: A munka során az azonosítások mindig az eredeti fényképről történtek, de a kezdeti fázisban az Ióról készült térképet is használtam a munka megkönnyítésére. Mivel az űrszonda-elrepülés során a felszín egyes területei eltérő szög alatt és megvilágítás mellett kerülnek lefényképezésre, az eredeti képek összehasonlításra ill. térképként alig használhatók. Ezért a Voyager-1 elrepülése után rövid idő alatt szórópisztollyal elkészítettek egy előzetes térképet. Ebből rajzoltak meg kézzel Mercator vetületben és poláris sztereografikus vetületben egy térképsorozatot. Ezen a készítő több felvétel alapján hozta egységes megvilágítási viszonyúra az Io térképét. Természetesen számos helyen a topográfia interpretáció csak esetleges lehet. A térképeken a látottakat ugyanis sok esetben interpretálni kell olyankor is, amikor ez nem tehető meg egyértelműen. Így a térkép sokszor csak egy bizonyos megvilágítás mellett felvett kép alapján készül. A mérésre használt képek Kivágatok: A kalibrált képek geometriai transzformációjával ortografikus vetületű kivágatokat (ún. tile-képeket) készítettem az ST1 program segítségével minden egyes hegyről s (az Io koordináta-rendszerében) 15 fokos szélességben környezetéről, többségben 1 km/px felbontással (az 1 km/px-esnél jobb felbontású képeknél az ortografikus képeken is az eredeti felbontásban [0,9-0,2 km/px]). Az ST1 program a vetületbe alakításon túl, túlságosan nagy vagy túl kicsi kontrasztkülönbségek esetén, fényességkiegyenlítést is végzett. Ezek a kivágatok adták a többképes elemzés alapját. Ezeket az egységes vetületű, méretű és látószögű, torzulásmentes képeket használtam mérésekre és az egyes hegyek vizuális összehasonlítására. Az egy adott területről - különböző látószög alatt és eltérő fényviszonyok (napsugár beesési szög) mellett - felvett valamennyi képet felhasználtuk vizsgálódásunk során. A különböző látószög- és fényviszonyok mellett készített felvételek egyidejű vizsgálata jelentős segítséget nyújtott az egyes hegyek morfológiai tulajdonságainak helyes felismeréséhez ahhoz képest, mintha csak egy képet vizsgáltunk volna hegyenként. Az egységes vetületű képeken mind a hegyek, mind a kalderák esetében hosszúság-, szélesség- és területméréseket, a hegyek esetében ezeken túl magasságméréseket is végeztem. A mérések többségét pixelszámlálással ill. háromszögeléssel oldottuk meg. (A területmérésben a hegy általam legvalószínűbbnek tartott körvonalán belüli pixelek [melyek általában 1 km 2 -nek feleltek meg] mennyiségét számoltam meg). A hegyek tájolásának kiszámításakor a hegy hosszanti tengelyét vettem figyelembe. Az adatokból kiszámítható volt a hegyek és kalderák hosszúságának és szélességének aránya (nyúltsága). Sztereó képek: A hegyek beazonosítása és magasságmérés céljából is készítettünk sztereó képeket. E képeket olyan felvételek felhasználásával lehet elkészíteni, melyeken az ábrázolt terület fedésben van a két képen, az űrszonda alatti hosszúsági kör különböző, a nap beesési szöge azonban körülbelül azonos (a fényviszonyok hasonlóak). A képeket vizuális vizsgálatukkor tájolni kell, azaz az eredeti repülési iránynak megfelelően kell szemlélni az eredeti háromdimenziós térbeliség tökéletes modellezése érdekében. A helyes morfológiai és domborzati viszonyok felismerését segítette az a program, melynek segítségével az azonos területről készített felvételeket közvetlenül egymás után, villogtatva lehet szemlélni. A sztereó és a peremképeket csak a hegyek vizsgálatakor használtam. Magasságmérés sztereó felvételpárból Egy automatizált sztereó korrelációs program (melyet Paul Schenk írt) segítségével azon 3
Hargitai Henrik: Az Io földrajzának felderítése hegyek esetén, melyekre sztereó képet tudtunk készíteni, szintén meg tudtunk határozni magassági adatokat. Ez a program a felhasznált két kép parallaxisának felhasználásával domborzatábrázolást készített a kijelölt területről, amelyen minél magasabb volt egy pont, ezt annál világosabb szürkeárnyalatnak megfelelő pixelérték jelezte. Ebből a fekete-fehér képből színes, színfokozatos és perspektivikus domborzatábrázolást készítettem. A sztereó pár két képét a program összehasonlítja és megkeresi a hasonló mintázatokat, a magassági adatokat pedig az azonos alakzatok közötti képi koordinátabeli távolság (azaz a parallaxis pixelben mért nagysága) alapján számítja ki. A jelentős számítási mennyiség miatt a számítás meggyorsítása érdekében a kiválasztott terület nagyságát korlátozni kellett, s a topográfiai mérésekre néhány esetben csak minden 3. ill. 5. pixelt vettük figyelembe. A sztereó magassági képen a kép zajossága a kiugró maximum és min. értékek levágásával csökkenthető. Egy, a topográfiai térképpel egyidejűleg létrehozott file megmutatta a két felhasznált kép közti korrelációs illeszkedést, mellyel a sztereó magassági kép adatainak hitelessége szemléltethető. A szürkeárnyalat-minták rossz korrelációs illeszkedése esetén új képet készítettünk. A sztereó képek elkészítéséhez csak 5 km-nél jobb felbontású képeket használtunk. A képeknél ismert adat volt a vertikális torzítás és felbontás mértéke, mely az eredeti felbontástól és a két kép felvételének távolságától függ. A kész, fekete-fehér magassági modellből színes, a hagyományos (kék-zöld-barna) színfokozatos domborzatábrázolás, valamint tetszés szerinti helyen keresztmetszeti ábrázolás is készíthető megfelelő programmal (pl. Surferrel). A magassági adatok eredeti színű felvétellel való kombinálásával háromdimenziós térbeli kép hozható létre a kiválasztott területről. A magassági térkép mellett lejtőszög-térkép stb. is készíthető. Számos probléma jelentkezett a sztereó képek elkészítésekor. A nagy, jellegtelen síkságok rengeteg zajt okoztak a képeken, azaz a szoftver ezekkel nem tudott mit kezdeni. A nagy részecskesugárzás miatt zajos képeken még nehezebb volt a szoftver dolga. Egyes vulkáni anyagok különböző megvilágítási szög mellett nagyon különbözőképpen verik vissza a fényt, mely szintén megnehezítette az adott terület automatikus programmal történő felismerését. A sztereó képpárok nem csak számítógéppel dolgozhatók fel. Léteznek korábban mindennapos, manuális módszerek is, melyekkel az amúgy zajos képekből is "tiszta" szintfokozatos térkép készíthető. Ezt a módszert a NASA szakemberei már nem használják, így egy ilyen technikai múltbeli módszer használatával a NASA kutatói számára használhatatlan képpárokból is kiváló minőségű információt nyerhetünk ki. Domborzati terepmodell készítése fényességfokozatos topográfiai térkép alapján A sztereó párt alkotó két felvétel parallaxis-különbségen alapuló fényességfokozatos domborzati térképből az adott területről a Erdas programmal szintvonalas, színfokozatos topográfiai térképet és perspektivikus képet tudtam előállítani a 15 fok hosszúság, 13 fok déli szélesség koordinátákon elhelyezkedő hegyről. Morfológiai hegytípusok elkülönítése A fennsík (nem dőlt), gerinc (1 tengely mentén dőlt) és csúcs (2 tengely mentén dőlt) alapesetek mellett a következő altípusok figyelhetőek meg: Főtípus: Fennsík (plató, meza) 4
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001 Nem dőlt, csak kiemelt blokk. Megfigyelhető, hogy az egyes rétegek esetenként lefelé szélesednek. Ez vagy a felső rétegek eróziójának a következménye (kérdés: hová tűnik a lepusztult anyag, mi szállítja el), vagy a kiemelkedés (a környezet lesüllyedésének) sajátossága. Ebbe a csoportba tartoznak a mezák (sík fennsík) és a platók (zavart, barázdás, gyűrt stb. felszínű fennsík). A fennsíkok magassága maximum 6 km, e felett csak elvétve fordulnak elő, ez alatt viszont egyenletes az előfordulásuk. Altípus: -felpúposodott fennsík:: lehet megfigyelési hiba vagy félrebesorolás következménye, de kompressziós vagy alulról történő diapír-szerű képződmény hatásának is a következménye. -nem dőlt fennsík, de a kiemelt blokkban, általában annak közepén vékony gerinc fut. Lehetséges, hogy két oldalról történő nyomóerők hatására a blokk közepén repedés keletkezik és így jön létre a gerinc. -kiemelt, alig dőlt plató. A blokk dőlés nélkül emelkedik ki és ezután egyik oldalán kissé lesüllyed vagy egyik oldalán kissé erőteljesebben emelkedik ki a környezethez képest. Az is lehetséges, hogy nagyon lapos szögű feltolódás történik ebben az esetben. Főtípus: Gerinc T1: 1 tengely mentén dőlt hegy (gerinc). Létrejöhet egy blokk két oldalának igen különböző mértékű kiemelkedésével vagy egy kéregdarab a másikra nagy szögben történő rátolódásával. Elképzelhető, hogy az aktív megemelő erőt elvesztő süllyedő blokk. A dupla gerincek keletkezése az egyes rétegek egymás melletti párhuzamos - akár különböző időben törétnő - kiemelkedésével magyarázható. Bármilyen magas lehet az oldalán álló szerkezet. Különböző magasságokban a 2,5-ös arány megtartása csak úgy lehet, hogy minél magasabb a hegy, annál jobban megdől (a hossza nem változik), vagy a hosszú jobban kiemelkedik, a kicsi kevésbé (azonos szög esetén). Altípus: -megdőlt gerinc, azaz 2 tengely mentén, a hossztengelyre jobban, a rövidebbikre kevésbé (asszimetrikusan) dőlt gerinc. Ez esetben a gerinc jellemző dominál, de aszimmetrikus lejtésű, egyik végénél csúccsal. Főtípus: Csúcs (masszívum) T2: Mindkét tengelye mentén erősen megdőlt hegy (csúcs). Létrejöhet egy blokk két szemközti sarkának igen különböző mértékű kiemelkedésével vagy egy kéregdarab a másikra nagy szögben történő rátolódásával, miközben valami miatt a blokk egyik sarka mentén jobban megemelkedik. Elképzelhető, hogy az aktív megemelő erőt elvesztő (alacsony csúcs) majd újra elnyerő (magas csúcs) blokk. Altípus: -csúcsos gerinc. Ez esetben a gerincnek nagyjából a közepén található a gerinc legmagasabb pontja. Irodalom Batson et al 1980: Mapping the Galilean Satellites of Jupiter with Voyager data - Photogr. Engeneering and Rem. Sensing 46, 1303-1312 Schenk, P, Davenport, T. 1995. Topography of Ionian Shield Volcanoes from Stereo LPI Intern Conference Schenk, P. et al 1997. Geology and topography of Ra Patera, Iom, in the Voyager era: Prelude to Eruption Geophis. Res. Lett. 24. pp 2467-2470 5
Hargitai Henrik: Az Io földrajzának felderítése Carr, M. H. et al. 1998. Mountains and Calderas on Io: Possible Implications for Lithosphere Structure and Magma Generation. Icarus 135, pp146-165 Carr M, 1997 presented at Io in the Galileo Era conference, Flagstaff, AZ, (http://eis.jpl.nasa.gov/roadmap/site/) (Io Volcanic Observer) Galileo Spacecraft Sees Volcanic Fireworks on Jupiter s moon IO, July 2, 1998 http://www.jpl.nasa.gov IO Mosaics: JI +000 no. 6 (Blue), 7 (Clear, 8 (clear) Shaded Relief and Surface Markings Map of Io 1:15 000 000 MAP I-1713 Voyager Picture Catalog Voyager Bulletin 41, 38, 39, 36, 33, 9, 2, 43 6