16.2.1. Титан - Божественний Космос

16.2.1. Титан

Титан - єдиний супутник у Сонячній системі з хмарами і щільною атмосферою і один з найхолодніших світів. Але, як це не парадоксально, він володіє великою кількістю органічних речовин в атмосфері і на поверхні. Титан більше Меркурія, є найбільшим супутником в системі Сатурна і другим в Сонячній системі після Ганімеда. Він приблизно на 50% більше місяця і на 80% перевершує її за масою. В системі Сатурна Титан в 20 разів перевищує за масою всі інші супутники Сатурна, разом узяті.

[More]

До «Кассіні» значні дослідження Титана були виконані апаратом « Вояджер 1 ». 12 листопада 1980 зонд пройшов в 5600 км від нього, однак отримані знімки не дозволили розрізнити будь-які деталі поверхні через димки в атмосфері. «Вояджер-1» зміг вивчити тільки склад атмосфери і визначити основні дані, такі як розмір і маса , Їм також було уточнено орбітальний період. Подивіться на рис. 16.24.

1

- знімок, виконаний «Вояджером». У той час здалося дивним, що атмосфера Титана має помаранчевий колір і для оптики практично непрозора. Крім того, вона оточена синюватою шаруватої серпанком. Детальні дослідження були виконані «Кассіні».

2 - чудове зображення Титана, складене з 4-х знімків, зроблених «Кассіні» в жовтні 2004 року в ультрафіолеті і інфрачервоних променях з відстані всього 1200 км. І на даному знімку немає чіткої картини поверхні Титана - та ж синя зовнішня серпанок і туманна атмосфера, тільки кольору умовні.

- фотографія, виконана «Кассіні», на якій дуже чітко видно шарувату будову зовнішньої синьої димки.

Мал. 16.24. Титан. Знімки «Вояджер-1» і «Кассіні»,

1, 3 - Вікіпедія,

2 - http://kuasar.ru/old-news/2004-11/02-11-2004.htm

Основний зонд приніс з собою приголомшливий апарат для дослідження супутника - спусковий модуль "Гюйгенс". Головна і абсолютно неймовірна інформація передана саме їм. Але про все по порядку.

Титан знаходиться поза кілець Сатурна . Радіус його орбіти становить 1221870 км, що відповідає приблизно 20 радіусів Сатурна. Орбіти Титана і наступного за ним Гіперіона утворюють орбітальний резонанс 3: 4 - Титан робить чотири оберти навколо Сатурна, в той час як Гіперіон тільки три.

Період обертання Титана навколо планети становить 15 днів, 22 години і 41 хвилину. Площина орбіти відхилена від екватора Сатурна і площині кілець незначно - на 0,348 °.

Титан має синхронне обертання щодо планети, що стало результатом дії приливних сил . Це означає, що періоди обертання навколо своєї осі і обертання навколо Сатурна збігаються, і супутник повернуть до планети завжди однією і тією ж стороною.

Нахил осі обертання Сатурна становить 26,73 °, що забезпечує зміну пір року на планеті і її супутниках. Кожен сезон триває близько 7,5 земних років, оскільки Сатурн робить повний оборот навколо сонця приблизно за 30 років. Вісь обертання Титана перпендикулярна площині його орбіти.

Середня щільність Титана складає 1,88 г / см ³ і є найвищою щільністю серед супутників Сатурна. Температура поверхні - мінус 179 ° С. Тиск на поверхні трохи вище, ніж на Землі і відповідає 1,6 бар. Вважається, що Титан, будучи досить великим небесним тілом, має можливість для підтримки високої температури внутрішнього ядра, і це робить його геологічно активним.

Внутрішня будова Титану - знову-таки предмет моделювання і припущень (рис. 16.25).

Мал. 16.25. Внутрішня будова Титану,

http: // lifeglobe .net / media / entry / 537 / titancore _3. gif

Була висунута гіпотеза про існування глобального підповерхневого океану. Потужне приливної дію Сатурна може призвести до розігріву ядра і підтримці досить високої температури для існування рідкої води. Порівняння знімків « Кассіні »За 2005 і 2007 роки показало, що деталі ландшафту змістилися приблизно на 30 км. Оскільки Титан завжди повернений до Сатурна однією стороною, таке зрушення може пояснюватися тим, що крижана кора відділена від основної маси супутника і ковзає по глобальної рідкої прошарку.

Передбачається, що в воді міститься значна кількість аміаку (близько 10%), який знижує температуру її замерзання і в поєднанні з високим тиском, що чиниться корою супутника, може бути додатковою умовою існування підповерхневого океану. Було висловлено припущення, що рідина в океані супутника Сатурна відрізняється підвищеною щільністю і екстремальної солоністю. Швидше за все, вона являє собою розсіл , До складу якого входять солі, що містять натрій, калій і сірку. Крім того, в різних районах супутника глибина океану варіює.

Під рідким океаном знаходиться шар високосжатих льодів, а під ними - тверде ядро ​​діаметром 3400 км, що складається з скельних порід.

Якщо внутрішня будова Титану - гіпотетична модель, то дані по атмосфері і поверхні, крім отриманих зондом «Кассіні», безпосередньо зафіксовані за допомогою модуля «Гюйгенс». В процесі спуску на парашуті він виконував дослідження атмосфери і фотографував Титан з різної висоти, а, опустившись на грунт, вивчав його поверхню.

Атмосфера супутника, що складається в основному з азоту (95%) і метану (5%), простягається приблизно на 600 км, а це значно більша за земну (по недавнім експериментів прийнято уточнене значення кордону атмосфери Землі, відповідне висоті 118 кілометрів). В атмосфері Титана також присутні органічні молекули, що містять вуглець, водень, кисень і деякі інші елементи, необхідні для біологічного життя. Наявність значної кількості метану в атмосфері, зазвичай розкладається під дією Сонця, змушує припустити, що на Титані працює якийсь механізм, що поповнює запаси атмосферного метану. Імовірно, таким джерелом може бути вулканічна діяльність.

В атмосфері Титана відзначено кілька шарів нещільні хмар, в тому числі на дуже великих висотах. Шаруватість туману спостерігається на висотах від 200 до 500 км. В деталях атмосферу від 140 км і нижче аж до поверхні можна побачити на схемі, представленої на рис. 16.26.

Мал. 16 26. Схема атмосфери від 140 км і нижче,

http: // nashavselenaya .blogspot .ru / 2012/02 / blog -post .html

Слід особливо відзначити характер зміни температури. Найвища температура (до 180 К) спостерігається у верхніх шарах атмосфери на рівні 500-600 км, найнижча - на висоті 40-50 км, на рівні поверхні - 80-90 К. Наявність в атмосфері великої кількості метану не призводить до парникового ефекту внаслідок того, що помаранчевий туман, що складається з органічних молекул, поширений повсюдно в нижніх шарах атмосфери, добре поглинає сонячне випромінювання і пропускає інфрачервоне від поверхні. Виникає антипарниковий ефект.

На основі даних про швидкість вітрів на різних висотах, зібраних під час спуску апарату « Гюйгенс », Була створена модель руху атмосферних мас на Титані. За отриманими результатами атмосфера Титана являє собою одну гігантську осередок Хедлі . Теплі маси повітря піднімаються в Південній півкулі в літній період і переносяться до Північного полюса, де остигають і вже на більш низьких висотах повертаються назад. Приблизно кожні 14,5 років відбувається зміна напрямку циркуляції. Титан отримує дуже мало сонячної енергії для того, щоб за рахунок неї організувати таку динаміку атмосферних процесів. Ймовірно, енергію для переміщення атмосферних мас забезпечують потужні приливні впливу Сатурна, в 400 разів перевищують за силою припливи на Землі, обумовлені Місяцем. На користь припущення про приливному характер вітрів говорить широтне розташування гряд дюн, широко поширених на Титані.

Метан конденсується в хмари на висоті в кілька десятків кілометрів. У вересні та грудні 2006 року «Кассіні» зафіксував над Північним полюсом Титану величезну хмару діаметром 2400 км, що складається з етану (С 2 Н 6), метану (СН 4) і невідомого органічної сполуки. У той час в Північній півкулі був зимовий період. Імовірно, на полюсі супутника йшов етано-метановий дощ або сніг; спадні потоки в північних широтах досить сильні, щоб викликати випадання опадів. Над Південним полюсом теж зафіксовані хмари. Але склад був в основному метановий. Схоже, що полярна хмарність - явище постійне. А ось розміри хмар залежать від сезону. Коли на полюсі літо, хмарність менше, тому що в умовах літа етан не здатний утворювати стійкий постійний хмарний покрив. Але хмарність Чи має місце в даному випадку? До цього питання ми повернемося трохи пізніше.

Поверхня.

Коли спусковий апарат "Гюйгенс" пройшов верхні шари атмосфери, в оптиці поступово стали вимальовуватися деталі поверхні Титана. До цього «Кассіні» для дослідження поверхні супутника використовував в основному радарну зйомку і зйомку в інфрачервоних і ультрафіолетових променях.

Як виявилося, поверхня Титану в низьких широтах розділена на кілька світлих і темних областей з чіткими кордонами. В районі екватора на провідному півкулі розташований світлий регіон розміром з Австралію , Видимий також на інфрачервоних знімках телескопа « Хаббл ».

на радарних знімках, зроблених в квітні 2006 року, видно гірські хребти висотою понад 1 км, долини, русла річок , Що стікають з пагорбів, а також темні плями заповнених або висохлих озер. помітна сильна ерозія гірських вершин (потоки рідкого метану під час сезонних злив могли утворити печери в гірських схилах). Є загадкова яскрава дуга, яка, можливо, є «гарячим» вулканічним районом.

В екваторіальному світлому регіоні виявлені протяжні ланцюга гір (або пагорбів) заввишки до декількох сотень метрів. Імовірно, в Південній півкулі може існувати масивний гірський хребет протяжністю близько 150 км і висотою до 1,6 км. Виявлено високий пік (3337 м). На вершинах гір є світлі відкладення - можливо, що представляють собою поклади метану та інших органічних матеріалів. Все це свідчить про тектонічні процеси, які формують поверхню Титана.

В цілому рельєф Титана відносно рівний - варіація по висоті не більше 2 км, однак локальні перепади висот можуть бути досить значними; круті схили на Титані не рідкість. Це є результатом інтенсивної ерозії за участю вітру і рідини. ударних кратерів на Титані небагато. Поверхня супутника в помірних широтах менш контрастна. Для деяких деталей передбачається кріовулканіческое походження. Типові ділянки поверхні представлені на рис. 16.27.

Мал. 16.27. Деталі поверхні Титана,

1 - http://astro-world.narod.ru/solarsystem/piclit/missions/cassini/images/HuygensRocks01_H.jpg

2 - http://smartnews.ru/storage/c/2014/01/14/1389686504_689806_2.jpg

3 - http://galspace.spb.ru/index50-1.file/big/10.jpg

4 - http://dic.academic.ru/pictures/wiki/files/49/180px-huygens_surface_color.jpg

На рис. 16.27 демонструються:

- Місце посадки «Гюйгенса» в уявленні художника.

2 - Гірський хребет.

-Темні звивиста лінія з відгалуженнями близько верхнього краю зображення - русло метанової річки, сіра гладка область близько нижнього краю - дно озера.

4 - Пейзаж місця посадки «Гюйгенса», 3 і 4 - знімки «Гюйгенса».

Поблизу полюсів радар «Кассіні» показав наявність дуже рівною і / або добре поглинає поверхні, яка представляє собою рідкі метанові (Або метан-метанова) резервуари. Зокрема, в червні 2005 року знімки «Кассіні» виявили в південній полярній області темне освіту з дуже чіткими кордонами, яке було ідентифіковано як рідке озеро (рис. 16.28). Чіткі радарні знімки озер в північній полярній області Титану отримані в липні 2006 року .

Мал. 16.28. Метанові озера в північній полярній зоні Титана,

http://www.the-submarine.ru/cat/t4395/

Радарний покриття області в високих широтах Південної півкулі показало наявність розвиненої річкової системи, берегової лінії з характерними слідами ерозії, а також поверхні, покритої рідиною в даний час або в недавньому минулому.

У районі Північного полюса «Кассіні» виявив кілька гігантських озер, найбільше з яких досягає в довжину 1000 км і по площі порівняно з Каспійським морем , Крім того, є озеро площею 100000 км ², що перевершує будь-який із земних прісноводних озер. Запаси вуглеводнів в озерах Титана в кілька разів перевищують загальні запаси нафти і газу на Землі.

"Гюйгенс", мабуть, сів в темну область з твердою поверхнею. Склад грунту на місці посадки нагадує мокрий пісок (можливо, що складається з крижаних піщинок, перемішаних з вуглеводнями). На знімках поверхні видно камені (ймовірно, крижані) округлої форми. Така форма могла утворитися в результаті тривалого впливу на них рідини.

На Титані є виразні ознаки вулканічної активності. Однак при загальній схожості вулканів Титана за формою і властивостями з іншими вулканами, тут відбуваються виверження не розплавлених силікатів, як, наприклад, на Землі, Марсі та Венері, а водно-аміачної суміші з домішкою вуглеводнів . Такий тип вулканів називається кріовулканів. «Кассіні» зареєстрував потужне джерело метану, який імовірно є кріовулканів. Магма на Землі складається з розплавлених порід, які мають меншу щільність, ніж породи кори, через які вони вивергаються. На Титані ж водно-аміачна суміш має набагато більшу щільність, ніж водяний лід, через який вона вивергається на поверхню. Отже, для підтримки вулканізму потрібна більша кількість енергії. Одним з джерел такої енергії є потужне приливної вплив Сатурна на свій супутник.

У Титана, як і у планет з атмосферами, які вже розглядалися в даній книзі, полярні зони істотно відрізняються від середніх і екваторіальних широт. Даних по Титану не так багато, але все-таки вони шикуються в певні закономірності.

1. У полярних зонах в атмосфері сконцентровані так звані «хмари», вельми значні за площею та обсягом. Вони складаються з метану, етану або їх суміші. Далі буде пояснено, чому слово «хмари» я поставила в лапках. На рис. 16.29 представлена ​​карта розподілу «хмарності» над поверхнею Титана в період зими в Північній півкулі.

Мал. 16.29. Карта розподілу хмарності на Титані,

http://starmission.ru/secondary_planets/saturn_moons/titan/226.html

Представлена ​​вище карта говорить дуже багато про що. По-перше, про те, що, як і у планет, що мають атмосфери, полярні зони - це зони особливі, що відрізняються від всіх інших регіонів: на Титані основна маса «хмар» зосереджена навколо полюсів, все решту регіонів практично безхмарні. По-друге, про те, що «хмарність», незважаючи на різну щільність на півночі і на півдні, має щось спільне: а саме - ослаблення і навіть розриви в областях, що припадають приблизно на одні і ті ж значення по довготі: від 50 до 135 і від -90 до -45 °. По-третє, про те, що так звана в публікаціях НАСА «хмарність» хмарністю цілком може і не бути. В аналогічних зонах Сатурна і інших планет подібні прояви називалися полярними вихорами. Я в цьому впевнена і зараз. Виходячи навіть з тієї мізерної інформації, яка у нас є, спробую аргументувати свою точку зору з цього приводу. Подивіться на рис. 16.30. На жаль, якість фотографій залишає бажати кращого, але, як то кажуть, «за відсутністю гербової - пишемо на простий».

Мал. 16.30. Полярні вихори Титана,

північ - http://www.the-submarine.ru/cat/t4395/

південь - https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Titan#/media/File:Titan-SaturnMoon-Maps-TraceGases-20141022.jpg

Але є ще одна фотографія, виконана, як то кажуть, анфас! Подивіться уважно на полюси. Це рівнодення, і тут обидва вони видно одночасно (ріс.16.31).

Мал. 16.31. Фотографія Титана в період рівнодення,

http://www.americaspace.com/wp-content/uploads/2014/07/pia02146-640.jpg

На Північному полюсі на цій фотографії ми бачимо червона пляма, на Південному - біло-рожеве. І хмарність спостерігається в обох півкулях до 40-30-х широт. Кольори, природно, штучні, як і на рис. 16.24 (2). Кадр один, а колір полярних вихорів різний. Значить, вихори різні.

Чи не нагадує полюси Сатурна? Мені дуже. Але на відміну від Сатурна, полярні прояви вихорів на Титані залежать ще й від кліматичного сезону. Картина розподілу «хмарності» на рис. 14.29 відноситься до зимового періоду на Північному полюсі. В цей час там «хмарність» максимальна. А на півдні її набагато менше. На Титані, оскільки атмосферна осередок Хедлі всього одна, зі зміною сезонів внаслідок зміни напрямку вітрів і температури змінюється і приполярних зміст газів (головним чином - метану і етану) і їх стан. «Хмарність» посилюється там, де настає зимовий період.

У Північній півкулі Титана в серпні 2009 року почалася весна. Разом з Сатурном, що робить оборот навколо Сонця трохи менше, ніж за 30 років, сезони на Титані тривають близько 7 земних років. Тому випала нагода вивчити значні атмосферні зміни, починаючи з липня 2004 року, коли в Південній півкулі було раннє літо, аж до квітня 2010 року, коли в Північну півкулю прийшла весна. Знімки показали, що з наближенням сонцестоянням «хмарна» активність на обох полюсах трохи знизилася, але обидва ці регіону були покриті потужними «хмарними» утвореннями аж до 2008 року. Північні полярні «хмари» складаються в основному з етану, який потрапляє в тропосферу в зимовий період зі стратосфери, маючи намір на висоті від 30 до 50 км. У той же час в Південній півкулі на середніх і високих широтах «хмари» формуються в результаті підйому атмосферних мас багатих метаном.

І це ще не все. Подівіться на рис. 16.32. У процесі дослідження атмосфери були виявлені яскраві газові плями, що світяться в сутінках і на світанку біля Північного і Південного полюсів Титану.

Експерти обговорюють ряд ймовірних причин утворення такого явища. Це можуть бути, на думку дослідників, теплові ефекти, невідомі раніше особливості атмосферної циркуляції на Титані, а також вплив Сатурна і його потужного магнітного поля.

Мал. 16.32. Розподіл органічних газів у полюсів в залежності від освітлення (і, відповідно, температури),

https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Titan#/media/File:Titan-SaturnMoon-Maps-TraceGases-20141022.jpg

Зверніть увагу на те, як змінюється в полярних областях зміст двох органічних газів (.HNC - ізоціанід водню і .HC3.N - ціаноацетілен) в залежності від часу доби. Причому, обидва газу скупчуються біля полюсів. Думаю, якщо б їх розподіл можна було б зафіксувати в середині ночі і в середині дня, тобто в момент екстремальних температур, картина щодо полюсів була б більш симетричною.

Атмосфера Титана для вчених уже давно становить інтерес, оскільки сам супутник функціонує як хімічний завод, використовуючи для виробництва широкого спектру органічних молекул і енергію від Сонця, і магнітне поле Сатурна.

Температура. Вченим вдалося відстежити інфрачервоне випромінювання Титана, що йде від його поверхні в період з 2004 по 2016 рік і зробити дивовижну анімацію, що дозволяє оцінити характер зміни температури полюсів за дванадцятирічний період. Анімація представлена ​​в публікації http://earth-chronicles.ru/news/2016-02-26-89462 . На ній чітко видно зміна температури по роках. Для книги мені вдалося зафіксувати окремі найхарактерніші кадри з цієї анімації (рис. 16.33). За вказаний період добре помітна загальна тенденція зниження температури в Південній півкулі Титана. На початку експерименту на Південному полюсі було літо, а в Північному - зима; в 2009-2010 роках - полярні зони пофарбовані практично однаково; потім почалося потепління в Північній півкулі і похолодання в Південному. Незважаючи на те, що різниця сезонних температур на полюсах укладається всього в 5 К, цього виявляється достатньо для тих сезонних полярних змін, які описані вище в розділі «Полярні зони».

Мал. 16.33. Сезонне зміна температури поверхні на Титані

Магнітосфера. Взагалі-то даних за магнітними характеристиками і про іоносфері Титана майже ніяких немає. Вважається, що власного, рідного, поля у Титана немає. Однак коли він знаходиться у владі сонячного вітру, то поводиться багато в чому як Венера, Марс або комета. Орбіта Титана проходить так, що протягом 95% орбіти він знаходиться всередині магнітосфери Сатурна і тільки на 5% - за її межами.

Періоди обертання навколо осі Сатурна і Титана не збігаються (10,7 годину а (.) І майже 26 днів, відповідно). Тому будь-яка заряджена частинка в магнітному полі Сатурна володіє великою швидкістю і при зіткненні з атмосферою Титана може вибивати з неї атоми або іони. Таким чином, поряд із захистом від сонячного вітру, магнітосфера Сатурна може бути причиною додаткових втрат атмосфери свого найбільшого супутника.

Дуже цікаве спостереження було зроблено в період потужного спалаху на Сонці 1 грудня 2013 року. В той момент Титан виявився точно перед Сатурном. Ситуація відображена на схемі, наведеній на рис. 16.34.

Мал. 16.34. Магнітне поле Сатурна і Титан в момент сонячного спалаху,

http: // www .infuture .ru / article / 12632

Під тиском сонячного вітру головна ударна хвиля магнітосфери Сатурна помітно зрушилася вглиб, і Титан виявився без магнітного захисту планетарного поля. «Кассіні» в той момент отримав дуже цікаву інформацію. Виявилося, за словами С. Бертуксі з Інституту астрономії і Космічної Фізики в Буенос-Айресі, що «Титан взаємодіє з сонячним вітром в точності як Марс, якщо його перемістити на відстань Сатурна. Ми думали, що Титан буде вести себе зовсім по-іншому, і, звичайно, були здивовані ».

Якби Титан ні супутником Сатурна, а як планети, обертався навколо Сонця, він цілком міг відповідати планетарним критеріям.

Є багато причин для подиву в світі планет і супутників. До сих пір ми розглядали найбільші супутники Юпітера і Сатурна. Але, як виявляється, і зовсім невеликі супутники мають здатність приводити вчених у подив. Далі коротко будуть приведені незвичайні і в якійсь мірі несподівані наукові дані просто як інформація для роздумів. Висновки робити поки що зарано.

до змісту