Неожиданно холодный вихрь на Титане объяснили следовыми газами

Неожиданное резкое уменьшение температуры вихря около южного полюса Титана можно объяснить охлаждением атмосферы из-за инфракрасного излучения молекул следовых газов, говорится в опубликованой в Nature Communications статье. Группа ученых под руководством Николаса Тинби (Nicholas A. Teanby) изучила этот эффект и выделила три стадии формирования вихря. 

Один год на Сатурне составляет 29,5 земных лет. В то же время, ось вращения Титана (спутника Сатурна) довольно сильно наклонена к плоскости эклиптики (примерно на 29,7 градусов), что приводит к выраженной смене времен года во время движения спутника вместе с планетой вокруг Солнца. Наблюдения зонда «Кассини», продлившиеся чуть больше тринадцати лет, захватили примерно половину этого периода, начиная с ранней зимы (речь идет о зиме в северном полушарии Титана) 2004 года и заканчивая летним солнцестоянием 2017 года. Всего зонд пролетал мимо Титана 127 раз.

До момента весеннего равноденствия 2009 года «Кассини» наблюдал около северного полюса ярко выраженный вихрь, который захватил стратосферу и мезосферу спутника. После равноденствия аналогичный вихрь начал формироваться в южном полушарии, что позволило подробно исследовать процесс образования подобных структур. В 2012 году инфракрасный спектрометр VIMS, установленный на «Кассини», зарегистрировал молекулы циановодородного льда на высоте около трехсот километров над южным полюсом. Такой лед мог образоваться только при температурах меньше 125 градусов Кельвина, что на 50 градусов ниже, чем измеренная в середине зимы 2011 температура вихря. Это заставило ученых пересмотреть механизм формирования вихря.

Для этого исследователи изучили данные, собранные «Кассини» за тринадцать лет работы. В распоряжении ученых оказались изображения атмосферы Титана, составленные с помощью инфракрасного спектрометра CIRS, установленного на зонде. Излучение метана (содержание которого в атмосфере составляет около полутора процентов) регистрировалось на длинах волн 1100-1500 сантиметров, излучение следовых газов — на длинах 600-1100 сантиметров. Температуру и состав атмосферы ученые определили по спектру излучения с помощью инструмента NEMESIS. Таким образом им удалось наблюдать этапы формирования вихря, которые включали в себя охлаждение стратосферы, формирование горячей точки около полюса, внезапное охлаждение мезосферы в 2012 году и восстановление температуры к 2016 году. Такой сценарий развития не совпадал с предсказаниями модели общей циркуляции.

Чтобы объяснить расхождение, ученые предложили учесть влияние следовых газов, которые излучают тепло и охлаждают атмосферу Титана. Ранее подобным образом уже объясняли разницу температур на 53° южной и 50° северной широты, замеченную «Вояджером». Кроме того, ученые учли адиабатический разогрев атмосферы и то, что в течение периода наблюдения южное полушарие Титана получало все меньше солнечной энергии из-за наклона оси вращения спутника. Затем они построили математическую модель и численно смоделировали происходящие в атмосфере явления, разбив ее на 49 слоев и взяв концентрации газов из предыдущих работ. 

Результаты моделирования на этот раз совпали с наблюдаемой картиной и позволили выделить три стадии эволюции вихря. На первой стадии уменьшение поступающей от Солнца энергии и длинноволновое излучение молекул, составляющих атмосферу, создает перепад температур, который стягивает воздух к полюсу. Из-за эффекта Кориолиса воздух закручивается, и образуется вихрь. Затем мезосфера обогащается молекулами следовых газов в результате адвекции, что приводит к ее усиленному охлаждению. В частности, в ней образуется циановодородный лед. Наконец, на третьей стадии вихрь стабилизируется, и адиабатическое нагревание снова начинает играть главную роль.

Недавно мы писали о том, как на Титане обнаружили холодные облака из циановодорода и бензола, а почитать про результаты работы миссии «Кассини» можно в нашем материале. Кроме того, в опубликованной на прошлой неделе в Nature статье ученые схожим образом объяснили необычно холодную атмосферу Плутона.

Дмитрий Трунин