Výzkumy v ASU AV ČR (225): Gravitační aspekty vyprávějí historii útvarů na Měsíci

Dobrá znalost gravitačního a magnetického pole nebeských těles představuje cennou informaci pro studie niter těchto těles, ale také geologické historie povrchových útvarů. V minulosti se gravitační mapování na Zemi stalo velmi užitečnou aplikací například pro odhalování útvarů a objektů ukrytých pod zemským povrchem nebo pod ledovým příkrovem. Ložiska nerostných surovin (např. ropy), podzemní jezera nebo krátery schované pod ledovým příkrovem Antarktidy bylo možné s pomocí těchto technologií identifikovat dříve, než bylo možné v těchto lokalitách provést přímý výzkum.

Autorský tým vedený Jaroslavem Klokočníkem z ASU v minulém desetiletí vyvinul novou metodologii vhodnou k dálkovému průzkumu geologických struktur na základě vyhodnocování gravitačních aspektů (deskriptorů). Tyto veličiny jsou určovány z modelu gravitačního pole, které v případě Země pocházejí z měření prováděných jak na povrchu Země (i na moři) tak z umělých družic. Model gravitačního pole je k dispozici nejčastěji ve formě rozvoje gravitačního potenciálu do tzv. kulových funkcí. Každá z kulových funkcí reprezentuje určitou škálu prostorových změn gravitačního pole a jejich součtem lze popsat skutečné gravitační pole Země v rozlišení, které umožňuje kvalita dosažitelných dat. 

Z gravimetrických dat jsou tradičně využívány především tíhové anomálie. Autoři představovaného článku používají gravitační aspekty, ke kterým vedle tíhových anomálií patří Marussiho tensor (tento tensor obsahuje druhé prostorové derivace poruchového potenciálu), invarianty gravitačního pole (což je bezrozměrná kombinace složek Marussiho tensoru) a také úhel směru hlavních napětí. Druhé derivace potenciálu svědčí o detailech přípovrchových struktur a byly již v minulosti použity opakovaně pro průzkum nalezišť nerostných surovin. Úhel napětí popisuje, jak se gradiometrická měření odchylují od hlavního směru podpovrchových struktur. Dále doplnili ještě bezrozměrnou veličinu nazývanou virtuální deformace, která popisuje hlavní směry deformace v důsledku napětí pod povrchem. Autorský tým má na svém kontě celou řadu publikací, v nichž popsal typické chování gravitačních aspektů pro rozmanité pozemské struktury a získal tak s gravimetrickými daty dobrou pracovní zkušenost.

Nyní nastal čas opustit Zemi a vydat se do vesmíru, přinejmenším symbolicky. Podrobné modely gravitačních polí se s vypouštěním moderních družic stávají běžnými i pro další nebeská tělesa, zejména pro Měsíc a terestrické planety. V okolí Měsíce v nedávné minulosti operovalo hned několik sond vybavených pro měření gravitačního pole, zmínit musíme zejména misi GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory), která byla v okolí Měsíce v činnosti v letech 2011 a 2012. Díky tomu, že je Měsíc menší než Země, je efektivní rozlišení gravitačních modelů obou těles přibližně stejné, a dosahuje asi 10 km lineárně. Autoři měli pro svoji studii k dispozici také podrobnou výškovou mapu (s přesností až 10 cm ve výšce) z altimetru LOLA (Lunar Orbiter Laser Altimeter) na družici Měsíce LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) a měření magnetického pole z družic Lunar Prospector a Kaguya.

Autoři se podívali novým pohledem na několik známých povrchových útvarů a diskutovali vlastnosti gravitačních aspektů pro ně. V součinnosti s výškovou mapou a signálem magnetického pole se lze o těchto útvarech dozvědět více než jen z tíhových anomálií.

Cílem tak byl například dobře patrný a všem amatérům známý kráter Koperník na přivrácené straně. Zde se deriváty gravitačního pole chovají stejně jako v případě impaktních kráterů identifikovaných na Zemi. Impakt vedoucí ke vzniku kráteru je zdrojem enormního přesunu hornin hlavně v horizontálním směru, což se například v zobrazení virtuální deformace projeví jako oblast negativní virtuální deformace (ta odpovídá masivní kompresi) lemované kružnicí pozitivní virtuální deformace, která odpovídá dilataci (expanzi) horniny. V derivátech je však dobře patrná i rozsáhlá oblast pozitivní virtuální deformace jihovýchodně od kráteru, která je patrná i v dalších aspektech gravitačního pole. Výšková mapa zde nezobrazuje nic význačného, snad jen mírnou vyvýšeninu. Tuto skutečnost lze interpretovat jako dávné nadzvednutí pláště v prastaré impaktní pánvi, která byla překryta novým útvarem při vzniku kráteru Koperník.

Dalšími zkoumanými útvary byly krátery Clavius, impaktní pánev Mare Crisium nebo řetízek kráterů (katéna) u velkého kráteru Michelson. Autoři touto prací extrapolovali svoji zkušenost s vyhodnocováním derivátů gravitačního pole Země na Měsíc a u význačných struktur ověřili, že i v prostředí Měsíce se metodologie chová velmi podobně. To otevírá nové okno průzkumu Měsíce a dalších těles Sluneční soustavy. Další zastávkou je Mars. Věřme, že takové studie budou velmi užitečné i z praktického hlediska, a to návratu člověka na Měsíc a v budoucnosti snad i dále. O použití gravitačních aspektů, jmenovitě úhlů napětí, pro jižní polární oblasti Měsíce k odhadu míst s větší pravděpodobností výskytu podzemní vody pro misi Artemis s plánovanou trvalou lidskou posádkou jsme již referovali.

REFERENCE

Klokočník, J., Kostelecký, J., Cílek, V., Kletetschka, G., Bezděk, A., Gravity aspects from recent gravity field model GRGM1200A of the Moon and analysis of magnetic data, Icarus 384 (2022) 115086

Kletetschka, G., Klokočník, J., Hasson, N., Kostelecký, J., Bezděk, A., Karimi, K., Distribution of water phase near the poles of the Moon from gravity aspects, Scientific Reports 12 (2022), 4501

KONTAKTY

prof. Ing. Jaroslav Klokočník, DrSc.
jaroslav.klokocnik@asu.cas.cz, jklokocn@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.