Mars w 3D dzięki Polakowi

Naukowcy z NASA i ESA docenili polskiego matematyka Jana Kotlarza, który stworzył program analizujący zdjęcia satelitarne Marsa i tworzący ich trójwymiarowe modele. To pomoże w dalszym poznawaniu Czerwonej Planety. Marsjański algorytm - Algorytm Rover nad Orbiter Delta Mars (RODM) był nominowany do naukowego odkrycia roku
National Geographic. Jego autor jest członkiem stowarzyszenia Mars Society.* *

- Jakie są najciekawsze atrakcje turystyczne Czerwonej Planety? Dzięki Twojemu algorytmowi możemy zrobić sobie wirtualny spacer po Marsie.

Algorytm RODM to narzędzie zarówno dla naukowców jak i dla miłośników kosmosu. Dzięki trójwymiarowym wizualizacjom każdy bez specjalistycznych urządzeń, może zobaczyć jak wygląda powierzchnia Marsa. Lot nad marsjańskimi wydmami, spacer po zboczu wygasłego wulkanu, wycieczka na czapę lodową południowego bieguna - to
wszystko jest możliwe dzięki algorytmowi. To przede wszystkim Vales Marineris, system kanionów, największy w całym układzie słonecznym (nie tylko na Marsie i nie tylko na Ziemi). Tu znaleźliby moc atrakcji wszyscy ci, którzy chcieliby skoczyć ze spadochronem. Można bowiem stanąć na krawędzi, spojrzeć w dół i zobaczyć kilkumetrową przepaść. Symulację takie skoku będzie można przeżyć w Warszawie podczas Festiwalu Nauki. Skok w przepaść na Marsie
to jest inne wrażenie niż na Ziemi. Bowiem na Marsie mamy trzykrotnie niższą grawitację, więc ten lot w dół jest trochę wolniejszy.Drugą atrakcją jest Olympus Month (Góra Olimp) to największa góra w całym Układzie Słonecznym. Pod względem powierzchni jest wielkości Polski czy Niemiec. Gdybyśmy stanęli na jej krawędzi, to nie zauważylibyśmy nawet, że to góra, bo jest tak bardzo rozległa. Olympus Mons to wygasły, nieczynny wulkan.

- A jakie są Twoje ulubione miejsca na Marsie?

Mam dwa ulubione. Oba są położone na południowej półkuli Marsa, to: Inca City i Hellas Planitia. Inca City z satelity wygląda jak cegiełki inkaskiego budownictwa widziane z lotu ptaka.Miałem okazję wirtualnie pospacerować sobie po Inca City i czułem się jakbym był zamknięty w jakimś czworościanie. Z kolei Hellas Planitia to najgłębszy na całym Marsie krater. To jest bardzo polskie miejsce, dlatego, że jedyną osobą, która bada skład minerałów tam występujących jest polska geolog pani Natalia Andrzejewska-Zalewska z Warszawy. Hellas Planitia nie sposób nie zauważyć na mapie Marsa, ma średnicę 2100 kilometrów. Musiał powstać po uderzeniu ogromnej asteroidy, około 3,9 miliarda lat przed tym, gdy jego budową geologiczną zajęła się dr Andrzejewska. I tu ciekawostka pani Natalia gra na skrzypcach, zapytałem ją kiedyś, jak to będzie na Marsie, przecież tam jest tak rzadka atmosfera, że niestety nikt nie usłyszy jej gry. Mogłaby grać tylko w specjalnych kloszach, zamkniętych kopułach, bo na zewnątrz nie da rady...

- W takim razie wystarczy zapuścić komputer, żeby dowiedzieć się wszystkiego o Marsie i nie muszą tam lecieć astronauci, kosmici? Do poznania wystarczą łazik i sonda?

Tutaj mamy albo podejście, że ważne jest samo to, aby człowiek stanął na Marsie nogą. I to bardziej uderza w serce niż w rozum (podejście romantyczne). Albo drugie podejście - pozytywistyczne, czyli dowiedzieć się jak najwięcej dzięki technologii. Wystarczy wysłać łazika i będziemy wiedzieć wszystko. I to jest prawda. Obecnie jest czynny jeden łazik: Oppurtinity (niestety jego bliźniaczy łazik Spirit od roku był uwięziony w piasku, zakopał się na marsjańskiej Troi, a obecnie przestał odpowiadać na sygnały z Ziemi). Jeżeli w 2012 roku po Marsie zacznie jeździć kolejny łazik to będziemy wiedzieć jeszcze więcej. Na pustyni w stanie Utah w USA jest podobny krajobraz do Marsa. Dlatego właśnie tam powstał pierwowzór bazy marsjańskiej.

- Dlaczego Mars jest czerwony?

Mars jest czerwony zazwyczaj, ale czasami nie jest. Generalnie mamy duży udział różnych tlenków żelaza, głównie hematyt o czerwonej barwie. To pytanie jest o tyle ciekawe, że ostatnio padła jedna z teorii na temat czerwonego koloru Marsa. Dawniej myślano, że ta barwa powstała przy udziale wody, co jest nieprawdą. Ostatnio naukowcy wykazali, że bardzo długie oddziaływanie atmosfery o takim składzie chemicznym, jaki jest na Marsie, czyli głównie dwutlenek węgla przy takim ciśnieniu, to wystarczy, żeby w przeciągu kilkuset lat tlenki żelaza przejęły czerwony kolor. W niektórych miejscach krajobraz jest bardzo zróżnicowany. Na przykład dawna marsjańska rzeka Nanedi i działalność wody zmieniła trochę tę barwę i stąd właśnie mamy bardzo ładną mozaikę czerwono-białawą.

- Jeśli woda ukształtowała Marsa, to gdzie ona teraz jest?

Kiedyś na Marsie były oceany i morza. I widać to bardzo wyraźnie w rzeźbie terenu. Rzeczywiście od razu nasuwa się pytanie: gdzie ta woda się podziała? Woda na planecie znajduje się albo pod powierzchnią w postaci wiecznej zmarzliny albo w atmosferze. Jeżeli chodzi o atmosferę, para wodna uleciała razem z resztą atmosfery i to jest zasługa naszej najbliższej gwiazdy, czyli Słońca, ponieważ Słońce "wyrwało" tę atmosferę z Marsa. Natomiast ta część wody, która była na powierzchni, częściowozamarzła. Dzisiaj znajduje się pod powierzchnią w postaci wiecznej zmarzliny. Analiza ilości lodu na Marsie pokazała i to była informacja z pierwszych stron publikacji NASA, że zamarzniętej wody jest tyle, że gdyby ją rozmrozić, powstałoby znowu morze.

- Skoro jest woda, czy będzie można żyć na Marsie? Kiedy człowiek stanie na Marsie? NASA planuje to za 20 lat.

Przy dzisiejszej technologii już teraz można żyć na Marsie. Polecam badania pana doktora Jana Kozickiego z Politechniki Gdańskiej, twórcy projektuhabitatu. Ostatnio coraz bardziej wyłania się problem baz pozaziemskich. Istnieją już stacje
orbitalne i ludzie polecą na Marsa. Będą tam musiały powstać stacje, które zapewnią ludziom warunki bytu. Najpierw będzie to niewielka kabina przywieziona z Ziemi. Forma tejże konstrukcji pneumatycznej to będzie wynik ustaleń technicznych a jej wnętrza będą ergonomiczne.

- Lubisz rozwiązywać zagadki...

Podam taki przykład, na Marsie widzimy śnieg i lód. Kiedyś pojawiło się pytanie, z którym długo się zmagałem. A dotyczyło południowej czapy lodowej Marsa. Dlaczego ona jest bardziej zmienna z jednej strony niż z drugiej. Kontaktowałem się w tej sprawie ze specjalistami, którzy kiedyś pracowali w polskiej stacji arktycznej na Spitzbergenie. Dziwna historia, z jednej strony co dwa lata znika trochę śniegu, z drugiej strony przybywa. Nikt nie wziął pod uwagę tego, ze na Marsie mamy dwa rodzaje śniegu. Na Ziemi mamy tylko wodny, a ponieważ na Marsie jest bardzo niska temperatura, to dodatkowo mamy śnieg suchy, czyli zamarznięty dwutlenek węgla. W związku z tym, kiedy nadchodziło lato i podwyższała się temperatura, to wystarczało, żeby topił się jeden rodzaj śniegu - wodny, a drugi - suchy pozostawał. Czy to nie jest fascynujące?

- Zapytam jeszcze o wykonanie super dokładnej mapy Marsa, trójwymiarowej, która pokazywałaby szczególnie ważne tereny na Marsie.

Najprościej byłoby pójść nam drogą NASA. Ale ja chciałbym, aby taka mapa powstała w Polsce, w Toruniu albo w Warszawie. Dzięki takiej mapie można będzie zweryfikować hipotezy o aktywności wody na Marsie, o historii Marsa, o dawnym klimacie, o bezpieczeństwie terenu podczas planowanych misji...Generalnie do opracowywania takich modeli potrzebnych jest wiele obliczeń naukowych i bardzo dobry komputer.

- Czy Twój program również działa na inne planety, np. na Księżyc, czy tylko na Marsa?

No właśnie i tu mamy kolejny punkt. Teraz zaczynam współpracę z Centrum Badań Kosmicznych w Warszawie. Mars dla tego algorytmu był poligonem doświadczalnym, natomiast są jeszcze do przebadania, np. Księżyce Jowisza i Księżyce Saturna, gdzie tych zdjęć jest o wiele mniej i ta dokładność, którą wypracowujemy z tym algorytmem o wiele bardziej tam się przyda. Podstawowe kryterium do stosowania tego algorytmu, to: planety skaliste. W naszym układzie mamy tylko cztery planety skaliste: Merkury, Wenus, Ziemia i Mars. Bo algorytm przekształca tylko zdjęcia stałych elementów, które się nie zmieniają w krótkim czasie. Dlatego nie możemy wykorzystywać go do badań planet gazowych. A reszta to właśnie planety gazowe, czyli nawet robiąc dwa zdjęcia tego samego obszaru w przeciągu pięciu minut sytuacja diametralnie się zmienia i algorytm nam nic tu nie da.

- To miała być zwyczajna praca magisterska: czysta algebra i rachunek prawdopodobieństwa. A teraz z Twojego algorytmu korzystają takie agencje kosmiczne jak NASA i ESA.

Pierwsza wersja algorytmu zajęła mi pół roku, teraz ulepszam ją od dwóch lat. Korzystałem z dorobku polskich topologów z lwowskiej szkoły matematycznej (takich jak Stefan Banach, Hugo Steinhaus czy Stanisław Ulam). Dodam, że ten ostatni matematyk pracował m.in. nad amerykańską bomba atomową. Ja te osiągnięcia wykorzystałem w pokojowych zamiarach, do obliczania powierzchni Marsa. Ciekawostką jest, że ten program pozwala na obliczenia pozwalające na zbadanie nawet kilkudziesięciocentymetrowego obiektu.

- Dlaczego właśnie ten algorytm jest najprecyzyjniejszy? Możesz wyjaśnić jak najprościej?

Satelita, który wykonuje te fotografie krąży mniej więcej w odległości 200 km od powierzchni Marsa. Zdjęcia są wykonywane przez sondę Mars Reconnaisance Orbiter (MRO) z dokładnością do jednego punkciku (a jeden taki punkcik to 30 cm). Następnie zdjęcia zostają przesłane do Warszawy, gdzie przetwarzane są przez RODM na
trójwymiarowe animacje. Przy optymalnym położeniu ten algorytm może zbudować prawdopodobną powierzchnię sfotografowaną z rozdzielczością dwu-, trzykrotnie większą, czyli to będzie 10-15 cm. Ktoś może się zapytać, po co komu aż taka dokładność? Te 10 cm to pojedynczy kamień, który leży na Marsie. Ale czasami, taka dokładność bardzo się przydaje, np. żeby łazik MSL, który planują wysłać Amerykanie w 2012 r. nie rozbił się o ostrą krawędź w miejscu, gdzie będzie lądował. Może łatwiej na przykładzie. Żeby stworzyć model jednej powierzchni, musimy mieć przynajmniej dwa zdjęcia. To jest tak samo jak patrzysz na otaczającą cię rzeczywistość dwojgiem oczu. Jak zamkniesz lewe oko i spojrzysz tylko prawym, to ten obraz jest inny niż obraz drugiego oka. I właśnie te dwa obrazy wpadają do mózgu, który ma tam swój algorytm i oblicza różnice między dwoma obrazami. I dzięki temu wiesz, że coś jest blisko, a coś daleko. Im mniej fragmenty obrazów z dwojga oczu różnią się od siebie, tym ten przedmiot jest dalej. To samo robi
mój algorytm w komputerze.Mamy tu zastosowaną algebrę, rachunek prawdopodobieństwa, ale przede wszystkim topologię.

- Ile kilometrów dzieli nas od Marsa? Jaka to jest odległość?

Teraz podróż na Marsa odbywa się w 6-7 miesięcy i okna startowe mamy co dwa lata. Niedługo będzie możliwa podróż w 90 dni dzięki nowemu wynalazkowi, który Polacy stworzyli, jest to specyficzny silnik, który zwiększy możliwość eksploracji. Odległość między Ziemią a Marsem zależy od położenia, teraz akurat, prawie 2 miesiące temu, minęliśmy się na orbitach. Więc ta odległość była bardzo niewielka - 99 mln km. To jest tyle, ile światło przebywa w ciągu pięciu minut. Natomiast są takie momenty co dwa lata, kiedy Ziemia jest po jednej stronie Słońca a Mars po drugiej i wówczas ta odległość jest pięciokrotnie większa. Wtedy potrzebujemy ponad 20 minut, żeby przesłać informacje na Marsa. Więc jak chcemy sterować łazikiem na Marsie, to nie możemy mieć myszki czy dżojstika przy komputerze i sobie sterować,
bo nawet każemy mu jechać lewo, to on pojedzie, ale dopiero za pięć albo dopiero za dwadzieścia minut.

- Na koniec zapytam o Twój osobisty stosunek do Marsa?

Pierwszy raz zaciekawiłem się Marsem po lekturze książki C.S Lewisa "Z milczącej planety" i zachwyciłem się. Ale to był obraz planety naszkicowany w latach II wojny światowej, kiedy jeszcze bardzo mało wiedziano o Marsie. Trzeba wiedzieć, że co dwa lata Mars jest jednym z najłatwiej obserwowalnych elementów naszego nocnego nieba. Lubię sobie wieczorem spojrzeć w niebo i zobaczyć ten mały lekko czerwonawy punkcik. :-) Na mojej stronie internetowej mars24.info zamieszczam wiadomości co się codziennie na Marsie dzieje. A dzieje się naprawdę dużo: a to burza piaskowa, a to powstała nowa jaskinia, łazik znalazł meteoryt... Mars jest nieprzewidywalny! Mentalnie więcej czasu spędzam na Marsie niż na Ziemi. Podobają mi się tamtejsze widoki i uważam, że z czysto ludzkich względów powinniśmy
na Marsa polecieć. Znam wielu pasjonatów, którzy badają Marsa i chętnie polecieliby nawet bez biletu powrotnego.;-)

(Marbo)

rodm.marssociety.pl
mars24.info

| Algortym Rover nad Orbiter Delta Mars (RODM) został nominowany w kategorii naukowe odkrycie roku w plebiscycie Travelery 2009 National Geographic. Jego autorem jest Jan Kotlarz, członek polskiego stowarzyszenia The Mars Society i pracownik Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie. Obecnie kończy studia matematyczne na Wydziale Matematyczno-Przyrodniczym UKSW. Pochodzi z Torunia. Prowadził badania w Instytucie Problemów Jądrowych w Warszawie, także przez pewien czas w Karlsruhe Institute of Technology w ramach programu badania promieniowania reliktowego po Wielkim Wybuchu LOFAR. Obecnie pracuje na UW współtworzy uniwersytecką platformę e-learningową. |
| --- |