Климат Титана - Climate of Titan

График с подробным описанием температуры, давления и других аспектов климата Титана. Атмосферная дымка снижает температуру в нижних слоях атмосферы, а метан повышает температуру на поверхности. Криовулканы извергаются метан в атмосферу, которая затем падает на поверхность, образуя озера.

В климат Титан, самая большая луна Сатурн, во многом похож на земной шар, несмотря на гораздо более низкую температуру поверхности. Его густая атмосфера, метан дождь, и возможно криовулканизм создать аналог, хотя и с использованием других материалов, климатическим изменениям, которым подверглась Земля за гораздо более короткий год.

Температура

Титан получает примерно 1% солнечного света, который получает Земля.[1] Средняя температура поверхности составляет около 90,6 К (-182,55 ° C, или -296,59 ° F).[2] При этой температуре водяной лед имеет чрезвычайно низкое давление пара, поэтому в атмосфере почти нет водяного пара. Однако метан в атмосфере вызывает существенное парниковый эффект который поддерживает температуру поверхности Титана намного более высокую, чем это было бы в противном случае тепловое равновесие.[3][4][5]

Туман в атмосфере Титана способствует антипарниковый эффект отражая солнечный свет обратно в космос, делая его поверхность значительно холоднее, чем верхние слои атмосферы.[3] Это частично компенсирует парниковое потепление и сохраняет поверхность несколько прохладнее, чем можно было бы ожидать от одного парникового эффекта.[6] Согласно McKay et al., «Антипарниковый эффект на Титане снижает температуру поверхности на 9 К, тогда как парниковый эффект увеличивает ее на 21 К. Чистый эффект заключается в том, что температура поверхности (94 К) на 12 К выше, чем температура эффективная температура 82 К. [т.е., равновесие, которое было бы достигнуто в отсутствие атмосферы] "[3]

Сезоны

Наклон орбиты Титана по отношению к Солнцу очень близок к наклону оси Сатурна (около 27 °), а наклон его оси относительно орбиты равен нулю. Это означает, что направление падающего солнечного света почти полностью определяется циклом дня и ночи Титана и годовым циклом Сатурна. Дневной цикл на Титане длится 15,9 земных дня, то есть столько времени требуется Титану для обращения вокруг Сатурна. Титан приливно заблокирован, поэтому одна и та же часть Титана всегда обращена к Сатурну, и отдельного «месячного» цикла нет.

Сезонное изменение обусловлено годом Сатурна: Сатурну требуется около 29,5 земных лет, чтобы вращаться вокруг Солнца, выставляя разное количество солнечного света на северное и южное полушария Титана в разные периоды сатурнианского года. Сезонные погодные изменения включают в себя более крупные углеводородные озера в северном полушарии зимой, уменьшение дымки в периоды равноденствия из-за изменения атмосферной циркуляции и связанные с этим ледяные облака в южных полярных регионах.[7][8] Последнее равноденствие произошло 11 августа 2009 года; это было весеннее равноденствие для северного полушария, а это означает, что южное полушарие получает меньше солнечного света и переходит в зиму.[9]

Обычно приземный ветер слабый (<1 метр в секунду). Недавнее компьютерное моделирование показывает, что огромные дюны сажа например, материал, падающий из атмосферы в экваториальных регионах, вместо этого может быть сформирован редкими штормовыми ветрами, которые случаются только каждые пятнадцать лет, когда Титан находится в равноденствие.[10] Штормы производят сильные нисходящие потоки, текущие на восток со скоростью до 10 метров в секунду, когда достигают поверхности. В конце 2010 года, что эквивалентно ранней весне в северном полушарии Титана, в районах экваториальной пустыни Титана наблюдалась серия метановых бурь.[11]

Из-за эксцентриситета орбиты Сатурна Титан примерно на 12% ближе к Солнцу летом в южном полушарии, что делает южное лето короче, но жарче, чем северное. Эта асимметрия может способствовать топологическим различиям между полушариями - в северном полушарии гораздо больше углеводородных озер.[12] Озера Титана в основном спокойные, с небольшими волнами и рябью; тем не мение, Кассини обнаружил свидетельства увеличения турбулентности в течение лета в северном полушарии, предполагая, что приземные ветры могут усиливаться в определенное время года на Титане.[13] Волны и рябь также видели Кассини.[14]

Метановый дождь и озера

Выводы Гюйгенс Зонд указывает, что атмосфера Титана периодически проливает на поверхность Луны жидкий метан и другие органические соединения.[15] В октябре 2007 года наблюдатели отметили увеличение видимой непрозрачности облаков над экваториальной зоной. Занаду области, что наводит на мысль о "моросящем метане", хотя это не было прямым доказательством дождя.[16] Однако последующие изображения озер в южном полушарии Титана, сделанные за год, показывают, что они увеличены и заполнены сезонными углеводородными дождями.[5][17] Возможно, участки поверхности Титана могут быть покрыты слоем толины, но это не подтверждено.[18] Присутствие дождя указывает на то, что Титан может быть единственным телом Солнечной системы, помимо Земли, на котором радуги может образоваться. Однако, учитывая крайнюю непрозрачность атмосферы для видимого света, подавляющее большинство любых радуг будет видно только в инфракрасном диапазоне.[19]

Количество метановых озер, видимых около южного полюса Титана, явно меньше, чем количество наблюдаемых около северного полюса. Поскольку южный полюс в настоящее время находится летом, а северный - зимой, появляется гипотеза, что метан выпадает на полюса зимой и испаряется летом.[20] Согласно статье Тэцуи Токано из Кельнского университета, циклоны под воздействием этого испарения и с участием дождя, а также ураганных ветров до 20 м / с (45 миль в час) ожидается формирование над большими северными морями (Kraken Mare, Ligeia Mare, Punga Mare) только северным летом, продолжительностью до десяти дней.[21] Расчеты показывают, что, поскольку северное полушарие, где расположено большинство озер, вступает в длительное титановое лето, скорость ветра может увеличиться до 3 км / ч, уровня, достаточного для образования волн.[22] Волны несколько раз наблюдались Кассини РАДАР и визуальный и инфракрасный картографический спектрометр с 2014 года, которые, вероятно, были созданы из-за летних ветров[23][24] или приливные течения.[25][26]

Тираж

Вращающийся вихрь над южным полюсом Титана

Моделирование глобальной картины ветра на основе данных о скорости ветра, полученных Гюйгенс во время его спуска предположили, что атмосфера Титана циркулирует в единственном огромном Ячейка Хэдли. Тёплый газ поднимается в южном полушарии Титана, где в течение лета Гюйгенс' спускается - и опускается в северном полушарии, что приводит к высокогорному потоку газа с юга на север и низковысотному потоку газа с севера на юг. Такая большая ячейка Хэдли возможна только в медленно вращающемся мире, таком как Титан.[27] Ячейка межполюсной ветровой циркуляции, по-видимому, сосредоточена в стратосфере; моделирование предполагает, что он должен меняться каждые двенадцать лет, с трехлетним переходным периодом, в течение года Титана (30 земных лет).[28] Эта ячейка создает глобальную полосу низкого давления - что, по сути, является вариацией земного Зона межтропической конвергенции (ITCZ). Однако, в отличие от Земли, где океаны ограничивают ITCZ ​​тропиками, на Титане зона перемещается от одного полюса к другому, унося с собой метановые дождевые облака. Это означает, что можно сказать, что на Титане, несмотря на низкие температуры, тропический климат.[29]

В июне 2012 года Кассини изобразил вращающийся Полярный вихрь на южном полюсе Титана, который, по мнению специалистов по визуализации, связан с «полярным колпаком» - областью плотной высотной дымки, наблюдаемой над северным полюсом с момента прибытия зонда в 2004 году. Поскольку полушария теперь меняют сезоны после равноденствия 2009 года Предполагается, что, когда южный полюс входит в зиму, а северный - в лето, предполагается, что этот вихрь может означать формирование нового южного полярного колпака.[30][31]

Облака

Титан - Северный полюс - облачная система изображена в ложных цветах.
Титан - Южный полюс - деталь вихря

Облака Титана, вероятно, состоящие из метан, этан или другие простые органические вещества, рассыпаны и изменчивы, подчеркивая общую дымку.[32]

В сентябре 2006 г. Кассини сфотографировал большое облако на высоте 40 км над северным полюсом Титана. Хотя известно, что метан конденсируется в атмосфере Титана, облако, скорее всего, было этаном, поскольку обнаруженный размер частиц составлял всего 1–3 микрометры и этан также может замерзнуть на этих высотах. В декабре, Кассини снова наблюдал облачный покров и обнаружил метан, этан и другие органические вещества. Облако было более 2400 км в диаметре и все еще было видно во время следующего пролета месяц спустя. Одна из гипотез состоит в том, что в настоящее время идет дождь (или, если достаточно прохладно, идет снег) на северном полюсе; нисходящие потоки в высоких северных широтах достаточно сильны, чтобы вытеснять органические частицы на поверхность. Это были самые убедительные доказательства давно предполагаемого «метанологического» цикла (аналогичного земному циклу). гидрологический цикл ) на Титане.[33]

Облака также были обнаружены над южным полярным регионом. Хотя обычно он покрывает 1% диска Титана, наблюдались вспышки, при которых облачный покров быстро расширялся до 8%. Одна из гипотез утверждает, что южные облака образуются при повышении уровни солнечного света во время лета на Титане создают подъем в атмосфере, в результате чего конвекция. Это объяснение осложняется тем фактом, что образование облаков наблюдалось не только после летнего солнцестояния, но и в середине весны. Повышенная влажность метана на южном полюсе, возможно, способствует быстрому увеличению размера облаков.[34] В южном полушарии Титана было лето до 2010 года, когда орбита Сатурна, управляющая движением Луны, наклонила северное полушарие к Солнцу.[27] При смене сезонов ожидается, что этан начнет конденсироваться над южным полюсом.[35]

Метановые облака Титана (анимация; июль 2014 г.).[36]

Исследовательские модели, которые хорошо согласуются с наблюдениями, предполагают, что облака на Титане группируются в предпочтительных координатах и ​​что облачный покров зависит от расстояния от поверхности в разных частях спутника. В полярных регионах (выше 60 градусов широта ) обширные и постоянные облака этана появляются в тропосфере и над ней; на более низких широтах в основном метановые облака встречаются на расстоянии от 15 до 18 км, и они более спорадические и локализованные. В летнем полушарии частые, толстые, но спорадические облака метана, кажется, группируются около 40 °.[28]

Наземные наблюдения также показывают сезонные колебания облачности. В течение 30 лет орбиты Сатурна облачные системы Титана проявляются в течение 25 лет, а затем исчезают в течение четырех-пяти лет, прежде чем появятся снова.[33]

Кассини также обнаружил высотные белые, циррус облака в верхних слоях атмосферы Титана, вероятно, образованные из метана.[37]

Хотя на Титане еще не наблюдалось никаких свидетельств молниеносной активности, компьютерные модели предполагают, что облака в нижней тропосфере Луны могут накапливать достаточно заряда, чтобы генерировать молнии с высоты примерно 20 км.[38] Присутствие молний в атмосфере Титана будет способствовать производству органических материалов. Кассини не обнаружил никаких значительных сигналов молний в атмосфере Титана. [39] хотя молния все еще могла присутствовать, если она была слишком слабой для обнаружения.[40] Недавнее компьютерное моделирование показало, что при определенных обстоятельствах стримерные разряды, ранние стадии разряда молнии, могут быть сформированы на Титане.[41]

Рекомендации

  1. ^ «Титан: мир, похожий на Землю». Space.com. 6 августа 2009 г.. Получено 2 апреля, 2012.
  2. ^ Д. Э. Дженнингс и другие. (2016). Письма в астрофизический журнал, 816, L17, http://dx.doi.org/10.3847/2041-8205/816/1/L17. видеть: https://www.nasa.gov/image-feature/jpl/pia20020/titan-temperature-lag-maps-animation.)
  3. ^ а б c McKay, C.P .; Pollack, J. B .; Куртин, Р. (6 сентября 1991 г.). «Титан: парниковые и антипарниковые эффекты на Титане». Наука. 253 (5024): 1118–1121. Bibcode:1991Научный ... 253.1118М. Дои:10.1126 / science.11538492. PMID  11538492.
  4. ^ Маккей, Крис (3 ноября 2005 г.). «Титан: теплица и анти-теплица». Астробиология. Архивировано из оригинал 13 февраля 2006 г.. Получено 3 октября, 2008.
  5. ^ а б «У Титана нефти больше, чем на Земле». Space.com. 13 февраля 2008 г.. Получено 13 февраля, 2008.
  6. ^ «PIA06236: Титан: Комплекс« Антипарник »'". Планетарный фотожурнал. Лаборатория реактивного движения. 2 мая 2005 г.. Получено 30 января, 2019.
  7. ^ «Титан, спутник Сатурна, показывает удивительные сезонные изменения». ScienceDaily. 28 сентября 2012 г.. Получено 30 января, 2019.
  8. ^ Морроу, Эшли (10 ноября 2015 г.). «Чудовищное ледяное облако в южной полярной области Титана». НАСА. Получено 30 января, 2019.
  9. ^ «На Титане небо падает!». Исследование Солнечной системы: наука НАСА. 4 мая 2011 г.. Получено 30 января, 2019.
  10. ^ «Сильные метановые бури на Титане могут объяснить направление дюн». SpaceRef. 15 апреля 2015 г.. Получено 19 апреля, 2015.
  11. ^ «Кассини видит, как сезонные дожди меняют поверхность Титана». НАСА. 17 марта 2011 г.. Получено 20 января, 2018.
  12. ^ Ахаронсон, Одед (Ноябрь 2009 г.). «Озера Титана». Калифорнийский технологический институт. Архивировано из оригинал 15 апреля 2018 г.. Получено 30 января, 2019.
  13. ^ Бойл, Ребекка (5 марта 2016 г.). «Лето на Титане может вызвать волны на озерах». Новый ученый. № 3063. Получено 30 января, 2019.
  14. ^ Клотц, Ирэн (23 марта 2014 г.). "Кассини шпионит за волнами на Титане". Space.com. Получено 30 января, 2019.
  15. ^ Лакдавалла, Эмили (21 января 2003 г.). «Титан: Аризона в морозильнике?». Планетарное общество. Архивировано из оригинал 12 февраля 2010 г.. Получено 28 марта, 2005.
  16. ^ Ádámkovics, Máté; Вонг, Майкл Х .; Лейвер, Конор; де Патер, Имке (9 ноября 2007 г.). «Утренняя морось на Титане». Наука. 318 (5852): 962–965. Bibcode:2007Наука ... 318..962А. Дои:10.1126 / science.1146244. PMID  17932256.
  17. ^ Мейсон, Джо; Бакли, Майкл (29 января 2009 г.). «Кассини обнаружил, что углеводородные дожди могут заполнить озера». Центральная операционная лаборатория Cassini Imaging. Институт космических наук. Получено 29 января, 2009.
  18. ^ Сомоги, Арпад; Смит, М.А. (сентябрь 2006 г.). «Масс-спектральное исследование толинов, полученных в лаборатории, и продуктов их реакций: влияние на химию поверхности толина на Титане». Бюллетень Американского астрономического общества. 38: 533. Bibcode:2006ДПС .... 38.2730С.
  19. ^ «Радуга на Титане». НАСА Наука. 25 февраля 2005 г.. Получено 8 октября, 2011.
  20. ^ "Файл НАСА Кассини: радарные изображения Южного полюса Титана". SpaceRef. 9 января 2008 г.. Получено 11 января, 2008.
  21. ^ Хехт, Джефф (27 февраля 2013 г.). «Ледяной Титан порождает тропические циклоны». Новый ученый. Получено 9 марта, 2013.
  22. ^ «Прогноз для Титана: может быть дикая погода». Лаборатория реактивного движения. 22 мая, 2013. Получено 19 июля, 2013.
  23. ^ Барнс, Джейсон У .; Сотин, Кристоф; Содерблом, Джейсон М .; Браун, Роберт Х .; Hayes, Александр G .; Донелан, Марк; Родригес, Себастьен; Муэлик, Стефан Ле; Бейнс, Кевин Х .; МакКорд, Томас Б. (21.08.2014). «Cassini / VIMS наблюдает за шероховатыми поверхностями Punga Mare Титана в зеркальном отражении». Планетарная наука. 3 (1): 3. Дои:10.1186 / s13535-014-0003-4. ISSN  2191-2521. ЧВК  4959132. PMID  27512619.
  24. ^ Хофгартнер, Джейсон Д .; Hayes, Александр G .; Лунин, Джонатан I .; Зебкер, Ховард; Lorenz, Ralph D .; Маласка, Майкл Дж .; Мастрогиузеппе, Марко; Нотарникола, Клаудиа; Содерблом, Джейсон М. (01.06.2016). «Волшебные острова Титана»: переходные явления в углеводородном море ». Икар. 271: 338–349. Дои:10.1016 / j.icarus.2016.02.022. ISSN  0019-1035.
  25. ^ Хеслар, Майкл Ф .; Барнс, Джейсон У .; Содерблом, Джейсон М .; Сеньоверт, Бенуа; Dhingra, Rajani D .; Сотин, Кристоф (14 августа 2020 г.). "Приливные течения, обнаруженные в проливе Кракен-Маре по данным наблюдений за солнечным блеском на аппарате Cassini VIMS". Журнал планетарной науки. 1 (2): 35. Дои:10.3847 / PSJ / aba191. ISSN  2632-3338.
  26. ^ Сотин, Ц .; Barnes, J. W .; Лоуренс, К. Дж .; Soderblom, J.M .; Audi, E .; Brown, R.H .; Le Mouelic, S .; Baines, K. H .; Buratti, B.J .; Clark, R.N .; Николсон, П. Д. (2015-12-01). "Приливные течения между морями Титана, обнаруженные солнечными бликами". Тезисы осеннего собрания AGU. 12: P12B – 04.
  27. ^ а б "Как ветер дует на Титане". Лаборатория реактивного движения. 1 июня 2007 г. Архивировано с оригинал 27 апреля 2009 г.. Получено 2 июня, 2007.
  28. ^ а б Rannou, R .; Montmessin, F .; Hourdin, F .; Лебоннуа, С. (13 января 2006 г.). "Широта распространения облаков на Титане". Наука. 311 (5758): 201–205. Bibcode:2006Научный ... 311..201R. Дои:10.1126 / science.1118424. PMID  16410519.
  29. ^ «Тропический Титан». Астробиология. 7 октября 2007 г. Архивировано с оригинал 11 октября 2007 г.. Получено 16 октября, 2007.
  30. ^ «Южнополярный вихрь в движении». Центральная операционная лаборатория Cassini Imaging. Институт космических наук. 10 июля 2012 г.. Получено 11 июля, 2012.
  31. ^ «Огромный вихрь, замеченный на луне Сатурна». Новости BBC. 11 июля 2012 г.. Получено 11 июля, 2012.
  32. ^ Арнетт, Билл (2005). "Титан (Сатурн VI)". Университет Аризоны. Архивировано из оригинал 21 ноября 2005 г.. Получено 10 апреля, 2005.
  33. ^ а б "Кассини снимки мамонтового облака, охватывающего северный полюс Титана". НАСА. 1 февраля 2007 г.. Получено 14 апреля, 2007.
  34. ^ Schaller, Emily L .; Браун, Майкл Э .; Роу, Генри Дж .; Бушез, Антонин Х. (13 февраля 2006 г.). "Вспышка большого облака на южном полюсе Титана" (PDF). Икар. 182 (1): 224–229. Bibcode:2006Icar..182..224S. Дои:10.1016 / j.icarus.2005.12.021. Получено 23 августа, 2007.
  35. ^ Шига, Дэвид (14 сентября 2006 г.). «На Титане обнаружено огромное этановое облако». Новый ученый. Vol. 313. с. 1620. Получено 7 августа, 2007.
  36. ^ Дайчес, Престон (12 августа 2014 г.). «Кассини отслеживает облака, развивающиеся над морем Титана». НАСА. Получено 13 августа, 2014.
  37. ^ Аткинсон, Нэнси (4 февраля 2011 г.). "На Титане найдены перистые облака земного типа". Вселенная сегодня. Получено 11 февраля, 2011.
  38. ^ Чоу, Дениз (11 мая 2010 г.). «Гром Титана может указывать на инопланетную молнию». Space.com. Получено 11 февраля, 2011.
  39. ^ Фишер, G; Gurnett, D.A .; Kurth, W.S .; Farell, W.M .; Kaiser, M.L .; Зарка, П (2007). «Обнаружение радиоизлучения молний Титана с помощью Кассини / RPWS после 35 близких пролетов Титана». Geophys. Res. Латыш. 34 (22): L22104. Bibcode:2007GeoRL..3422104F. Дои:10.1029 / 2007GL031668.
  40. ^ Фишер, G; Гурнетт, Д.А. (2011). «Поиски радиоизлучения молний Титана». Geophys. Res. Латыш. 38 (8): L08206. Bibcode:2011GeoRL..38.8206F. Дои:10.1029 / 2011GL047316.
  41. ^ Köhn, C; Дуйко, С; Чанрион, О; Нойберт, Т (2019). «Распространение стримеров в атмосфере Титана и др.2: CH4 смеси по сравнению с N2: O2 смеси ». Икар. 333: 294–305. arXiv:1802.09906. Bibcode:2019Icar..333..294K. Дои:10.1016 / j.icarus.2019.05.036.