Озера жидкого этана и метана существуют на поверхности Титана , крупнейшего спутника Сатурна. Это было подтверждено космическим зондом Кассини-Гюйгенс , как и предполагалось с 1980-х годов. [2] Большие массы жидкости известны как maria (моря), а мелкие — как lacūs (озера). [3]
Возможность существования морей на Титане была впервые предложена на основе данных космических зондов «Вояджер-1» и «Вояджер -2 », пролетевших мимо Титана в 1980 году. Данные показали, что Титан имеет плотную атмосферу примерно с правильной температурой и составом для поддержания жидких углеводородов. . Прямые доказательства были получены в 1995 году, когда данные космического телескопа «Хаббл» и другие наблюдения позволили предположить существование жидкого метана на Титане либо в отдельных карманах, либо в масштабах океанов размером со спутник, подобных воде на Земле. [5]
Миссия Кассини подтвердила первую гипотезу, хотя и не сразу. Когда зонд прибыл в систему Сатурна в 2004 году, была надежда, что углеводородные озера или океаны можно будет обнаружить по отраженному солнечному свету от поверхности любых жидких тел, но изначально никаких зеркальных отражений не наблюдалось. [6]
Оставалась вероятность того, что жидкие этан и метан могут быть найдены в полярных регионах Титана, где они, как ожидалось, будут в изобилии и стабильны. [7] В южной полярной области Титана загадочная темная особенность под названием Онтарио Лакус была первым обнаруженным озером, возможно, созданным облаками, которые, как наблюдают, собираются в этом районе. [8] Возможная береговая линия была также определена вблизи полюса с помощью радиолокационных изображений. [9] После пролета 22 июля 2006 года, во время которого радар космического корабля Кассини получил изображение северных широт, где в то время была зима. На поверхности вблизи полюса было замечено несколько больших гладких (и, следовательно, темных для радаров) пятен. [10] Основываясь на наблюдениях, в январе 2007 года учёные объявили о «окончательных доказательствах существования озёр, наполненных метаном на спутнике Сатурна Титане». [7] [11] Команда Кассини-Гюйгенс пришла к выводу, что изображенные объекты почти наверняка являются долгожданными углеводородные озера, первые устойчивые тела поверхностной жидкости, обнаруженные у Земли. Некоторые из них, по-видимому, имеют каналы, связанные с жидкостью, и лежат в топографических впадинах. [7] Каналы в некоторых регионах вызвали на удивление небольшую эрозию, что позволяет предположить, что эрозия на Титане происходит чрезвычайно медленно, или какие-то другие недавние явления могли уничтожить старые русла рек и формы рельефа. [12] В целом, радиолокационные наблюдения Кассини показали, что озера покрывают лишь несколько процентов поверхности и сконцентрированы вблизи полюсов, что делает Титан намного суше, чем Земля. [13] Высокая относительная влажность метана в нижних слоях атмосферы Титана могла поддерживаться за счет испарения из озер, покрывающих лишь 0,002–0,02% всей поверхности. [14]
Во время пролета Кассини в конце февраля 2007 года наблюдения с помощью радаров и камер выявили несколько крупных объектов в северном полярном регионе, интерпретируемых как большие пространства жидкого метана и/или этана, в том числе один, Лигейя-Маре , площадью 126 000 км 2 (49 000 кв. миль), чуть больше озера Мичиган-Гурон , самого большого пресноводного озера на Земле; и еще один, Kraken Mare , который позже окажется в три раза больше. Облет южных полярных регионов Титана в октябре 2007 года выявил похожие, хотя и гораздо меньшие по размеру, образования, напоминающие озера. [15]
Во время близкого пролета Кассини в декабре 2007 года визуальный и картографический прибор наблюдал озеро Онтарио Лакус в южной полярной области Титана. Этот прибор идентифицирует химически различные материалы на основе того, как они поглощают и отражают инфракрасный свет. Радиолокационные измерения, проведенные в июле 2009 и январе 2010 года, показывают, что озеро Онтарио чрезвычайно мелкое, со средней глубиной 0,4–3,2 м (1 фут 4 дюйма – 10 футов 6 дюймов) и максимальной глубиной 2,9–7,4 м (9 футов). 6 дюймов – 24 фута 3 дюйма). [16] Таким образом, это может напоминать земное илистое покрытие . Напротив, Лигейя-Маре в северном полушарии имеет глубину 170 м (560 футов). [17]
По данным Кассини, 13 февраля 2008 года ученые объявили, что Титан содержит в своих полярных озерах «в сотни раз больше природного газа и других жидких углеводородов, чем все известные запасы нефти и природного газа на Земле». Песчаные дюны пустыни вдоль экватора, хотя и лишены открытой жидкости, тем не менее содержат больше органики, чем все запасы угля на Земле. [18] Было подсчитано, что видимые озера и моря Титана содержат примерно в 300 раз больше доказанных запасов нефти Земли. [19] В июне 2008 года картографический спектрометр видимого и инфракрасного диапазона Кассини подтвердил присутствие жидкого этана вне всякого сомнения в озере в южном полушарии Титана. [20] Точная смесь углеводородов в озерах неизвестна. Согласно компьютерной модели, среднее полярное озеро на 3/4 состоит из этана, из него 10 процентов метана, 7 процентов пропана и меньшее количество цианистого водорода , бутана , азота и аргона . [21] Ожидается, что бензол выпадет как снег и быстро растворится в озерах, хотя озера могут стать насыщенными так же, как Мертвое море на Земле наполнено солью . Избыток бензола затем будет накапливаться в виде грязи на берегах и на дне озера, а затем в конечном итоге будет размыт этановым дождем, образуя сложный ландшафт, пронизанный пещерами. [22] Также прогнозируется образование солеподобных соединений, состоящих из аммиака и ацетилена. [23] Однако химический состав и физические свойства озер, вероятно, варьируются от одного озера к другому (наблюдения Кассини в 2013 году показывают, что Лигейя-Маре заполнена тройной смесью метана, этана и азота, и, следовательно, радиолокационные сигналы зонда были для обнаружения морского дна на глубине 170 м [560 футов] ниже поверхности жидкости). [24]
Первоначально Кассини не обнаружил волн, когда северные озера вышли из зимней тьмы (расчеты показывают, что скорость ветра менее 1 метра в секунду [2,2 мили в час] должна вызвать заметные волны в этановых озерах Титана, но ни одного не наблюдалось). Это может быть связано либо со слабыми сезонными ветрами, либо с затвердеванием углеводородов. На Титане есть несколько озер, расположенных вблизи его северного полюса, которые различаются по размеру. Площадь, которую покрывают эти озера, и более низкая скорость ветра также могут объяснить, почему не было обнаружено поверхностных волн. Площадь над жидкостью, через которую дует ветер, называется областью вытягивания. [25] Чем больше эта площадь, тем больше становятся волны, поскольку ветер имеет большую площадь, через которую может дуть ветер для передачи энергии. Чем меньше площадь выборки, тем меньше будут волны. Оптические свойства поверхности твердого метана (близкой к температуре плавления) достаточно близки к свойствам поверхности жидкости, однако вязкость твердого метана даже вблизи температуры плавления на много порядков выше, что может объяснить необычайную гладкость поверхности. поверхность. [26] Твердый метан плотнее жидкого, поэтому со временем он утонет. Вполне возможно, что метановый лед мог какое-то время плавать, поскольку он, вероятно, содержит пузырьки азота из атмосферы Титана. [27] Температуры, близкие к температуре замерзания метана (90,4 К; -182,8 °C; -296,9 °F), могут привести как к плавающему, так и к опускающемуся льду, то есть к образованию корки углеводородного льда над жидкостью и глыб углеводородного льда на поверхности. дно дна озера. Прогнозируется, что с наступлением весны лед снова поднимется на поверхность, а затем растает.
С 2014 года Кассини обнаружил переходные особенности в разрозненных участках Кракен-Маре , Лигейи-Маре и Пунга-Маре . Лабораторные эксперименты предполагают, что эти особенности (например, «волшебные острова» с яркостью радара) [28] могут представлять собой обширные пятна пузырьков, вызванные быстрым выбросом растворенного в озерах азота. Прогнозируется, что выбросы пузырей будут происходить по мере того, как озера остывают, а затем нагреваются, или когда жидкости, богатые метаном, смешиваются с жидкостями, богатыми этаном, из-за обильных дождей. [29] [30] Вспышки пузырей также могут влиять на формирование дельт реки Титана. [30] Альтернативное объяснение заключается в том, что переходные характеристики в данных Cassini VIMS в ближнем инфракрасном диапазоне могут представлять собой мелкие, вызванные ветром капиллярные волны (рябь), движущиеся со скоростью около 0,7 м/с (1,6 миль в час) и на высоте около 1,5 см (0,59 дюйма). ). [31] [32] [33] Анализ данных VIMS после Кассини предполагает, что приливные течения также могут быть ответственны за генерацию постоянных волн в узких каналах ( Фрета ) Кракен-Маре. [33]
Ожидается, что циклоны , вызванные испарением и дождем, а также ураганные ветры со скоростью до 20 м / с (72 км / ч; 45 миль в час) сформируются только над крупными северными морями (Кракен-Маре, Лигейя-Маре, Пунга-Маре). северным летом 2017 года, продолжаясь до десяти дней. [34] Однако анализ данных Кассини за 2007–2015 годы показывает, что волны в этих трех морях были крошечными, достигая всего около 1 сантиметра (0,39 дюйма) в высоту и 20 сантиметров (7,9 дюйма) в длину. Результаты ставят под сомнение классификацию начала лета как начало сезона ветров на Титане, поскольку сильный ветер, вероятно, привел бы к более крупным волнам. [35] Теоретическое исследование 2019 года пришло к выводу, что вполне возможно, что относительно плотные аэрозоли, падающие на озера Титана, могут обладать водоотталкивающими свойствами, образуя стойкую пленку на поверхности озер, которая затем будет препятствовать образованию волн размером более нескольких сантиметры длины волны. [36]
21 декабря 2008 года «Кассини» пролетел прямо над озером Онтарио на высоте 1900 км (1200 миль) и смог наблюдать зеркальное отражение при радиолокационных наблюдениях. Сигналы оказались намного сильнее, чем ожидалось, и насытили приемник зонда. На основании силы отражения был сделан вывод, что уровень озера не менялся более чем на 3 мм (0,12 дюйма) в первой зоне Френеля, отражая площадь шириной всего 100 м (330 футов) (более гладкую, чем любая естественная сухая поверхность на Земле). ). На основании этого было сделано предположение, что в это время года приземные ветры в этом районе минимальны и/или жидкость озера более вязкая , чем ожидалось. [37] [38]
8 июля 2009 года спектрометр визуального и инфракрасного картирования (VIMS) Кассини наблюдал зеркальное отражение инфракрасного света длиной 5 мкм от жидкого тела в северном полушарии на 71 ° с.ш., 337 ° з.д. Это было описано как на южной береговой линии. Кракен-Маре, [39] , но на комбинированном изображении радара и VIMS это место показано как отдельное озеро (позже названное Jingpo Lacus). Наблюдение было сделано вскоре после того, как северный полярный регион вышел из 15-летней зимней тьмы. Из-за полярного расположения отражающего жидкого тела для наблюдения требовался фазовый угол, близкий к 180°. [40]
Открытия в полярных регионах контрастируют с результатами зонда «Гюйгенс» , который приземлился вблизи экватора Титана 14 января 2005 года. недавнее прошлое, показывающее бледные холмы, пронизанные темными дренажными каналами, ведущими в широкую, плоскую и темную область. Первоначально считалось, что темная область может быть озером жидкости или, по крайней мере, смолоподобного вещества, но теперь ясно, что Гюйгенс приземлился в темной области и что она твердая, без каких-либо признаков жидкости. Пенетрометр изучил состав поверхности, когда корабль столкнулся с ней, и первоначально сообщалось, что поверхность была похожа на влажную глину или , возможно , на крем-брюле (то есть твердую корку, покрывающую липкий материал). Последующий анализ данных показывает, что это показание, вероятно, было вызвано тем, что Гюйгенс сместил большой камешек при приземлении, и что поверхность лучше описать как «песок», состоящий из ледяных зерен. [41] На снимках, сделанных после приземления зонда, видна плоская равнина, покрытая галькой. Камешки могут состоять из водяного льда и иметь несколько округлую форму, что может указывать на действие флюидов. [42] Термометры показали, что тепло ушло от Гюйгенса так быстро, что земля, должно быть, была влажной, а на одном изображении виден свет, отраженный каплей росы, падающей в поле зрения камеры. На Титане слабый солнечный свет позволяет испаряться только около одного сантиметра в год (по сравнению с одним метром воды на Земле), но атмосфера может удерживать эквивалент примерно 10 метров (33 фута) жидкости до того, как образуется дождь (против около 2 см воды на Земле). [0,79 дюйма] на Земле). Таким образом, погода на Титане, как ожидается, будет включать ливни высотой в несколько метров (15–20 футов), вызывающие внезапные наводнения, перемежающиеся десятилетиями или столетиями засухи (тогда как типичная погода на Земле включает небольшой дождь большую часть недель). [43] Кассини наблюдал экваториальные ливни только один раз с 2004 года. Несмотря на это, в 2012 году неожиданно был обнаружен ряд давних тропических углеводородных озер [44] (в том числе одно возле места посадки Гюйгенса в районе Шангри-Ла, что примерно Как и на Земле, вероятным поставщиком, вероятно, являются подземные водоносные горизонты , другими словами, засушливые экваториальные регионы Титана содержат « оазисы » . [45 ]
Модели колебаний атмосферной циркуляции Титана предполагают, что в течение сатурнианского года жидкость переносится из экваториальной области к полюсам, где выпадает в виде дождя. Это может объяснить относительную засушливость экваториального региона. [46] Согласно компьютерной модели, интенсивные ливни должны происходить в обычно бездождных экваториальных областях во время весеннего и осеннего равноденствия на Титане — достаточно жидкости, чтобы образовать каналы того типа, которые обнаружил Гюйгенс. [47] Модель также предсказывает, что энергия Солнца будет испарять жидкий метан с поверхности Титана, за исключением полюсов, где относительное отсутствие солнечного света облегчает накопление жидкого метана в постоянных озерах. Модель также, по-видимому, объясняет, почему в северном полушарии больше озер. Из-за эксцентриситета орбиты Сатурна северное лето длиннее южного, и, следовательно, сезон дождей на севере длиннее.
Однако недавние наблюдения Кассини (2013 г.) предполагают, что геология также может объяснить географическое распределение озер и другие особенности поверхности. Одной из загадочных особенностей Титана является отсутствие ударных кратеров на полюсах и в средних широтах, особенно на нижних высотах. Эти территории могут представлять собой водно-болотные угодья, питаемые подземными источниками этана и метана. [48] Таким образом, любой кратер, образовавшийся от метеоритов, быстро покрывается влажными осадками. Наличие подземных водоносных горизонтов может объяснить еще одну загадку. Атмосфера Титана полна метана, который, по расчетам, должен вступать в реакцию с ультрафиолетовым излучением Солнца с образованием жидкого этана. Со временем на Луне должен был образоваться океан этана глубиной в сотни метров (от 1500 до 2500 футов), а не всего лишь несколько полярных озер. Наличие водно-болотных угодий предполагает, что этан впитывается в землю, образуя подземный слой жидкости, аналогичный грунтовым водам на Земле. Возможно, образование материалов, называемых клатратами , меняет химический состав дождевого стока, который заряжает подземные углеводородные «водоносные горизонты». Этот процесс приводит к образованию резервуаров пропана и этана, которые могут поступать в некоторые реки и озера. Химические превращения, происходящие под землей, повлияют на поверхность Титана. Озера и реки, питаемые источниками из подземных резервуаров пропана или этана, будут иметь одинаковый состав, тогда как те, которые питаются дождями, будут отличаться и содержать значительную долю метана. [49]
Все озера Титана, кроме 3%, были обнаружены на ярком участке местности площадью около 900 на 1800 километров (560 на 1120 миль) недалеко от северного полюса. Озера, найденные здесь, имеют очень характерную форму — округлые сложные силуэты и крутые склоны — что позволяет предположить, что деформация земной коры создала трещины, которые могли быть заполнены жидкостью. Были предложены различные механизмы формирования. Объяснения варьируются от обрушения суши после извержения криовулкана до карстовой местности, где жидкости растворяют растворимый лед. [50] Меньшие озера (до десятков миль в поперечнике) с крутыми краями (до сотен футов высотой) могут быть аналогом мааровых озер , т.е. кратеров взрыва, впоследствии заполненных жидкостью. Предполагается, что взрывы являются результатом колебаний климата, которые приводят к тому, что карманы жидкого азота накапливаются в земной коре в более холодные периоды, а затем взрываются, когда потепление приводит к быстрому расширению азота при переходе в газообразное состояние. [51] [52] [53]
Titan Mare Explorer (TiME) представлял собой предложенный посадочный модуль НАСА/ЕКА, который должен был приводниться на Лигейю-Маре и анализировать ее поверхность, береговую линию и атмосферу Титана . [54] Однако в августе 2012 года предложение было отклонено, когда НАСА вместо этого выбрало миссию InSight на Марс. [55]
Предполагается, что объекты, помеченные как «лакус», представляют собой этановые / метановые озера, а объекты, помеченные как « лакуны» , представляют собой дна высохших озер. Оба названы в честь озер на Земле. [3] Объекты, обозначенные как пазухи, представляют собой заливы внутри озер или морей. Они названы в честь заливов и фьордов на Земле. Элементы, обозначенные как островки, представляют собой островки внутри тела жидкости. Они названы в честь мифических островов. Титанские моря (большие углеводородные моря) названы в честь морских чудовищ из мировой мифологии. [3] Таблицы актуальны на 2023 год. [56]