ТИТАН

Вика Воробьева

Титан - самый крупный спутник Сатурна и второй по величине спутник в Солнечной системе (крупнее его только Ганимед, спутник Юпитера). По своим размерам он даже немного больше Меркурия, хотя и уступает ему в массе (масса Титана составляет 40% от массы Меркурия и в 1,83 раза превышает массу Луны). Титан вращается вокруг Сатурна по правильной круговой орбите на расстоянии 1,22 млн.км (в 3 раза дальше, чем Луна от Земли) и делает один оборот примерно за 16 дней. Видимый угловой размер Титана с Сатурна в 2 раза меньше видимого размера Луны в земном небе.

Титан - единственный спутник в Солнечной системе, имеющий плотную атмосферу (давление у поверхности составляет 1,45 атмосфер). Поверхность спутника скрыта за плотным слоем желто-оранжевого смога.
Атмосфера Титана состоит основном из азота и метана, также в ней присутствуют в виде примесей аргон и продукты фотолиза метана, такие как этан, цианистый водород, ацетилен и молекулярный водород. Молекулярный водород медленно улетучивается из атмосферы в космос.
При низких температурах, царящих на Титане (температура воздуха у поверхности составляет 94 К или -179 С), метан и этан могут существовать в жидком виде и играют ту же роль, что играет на Земле вода: выпадают на поверхность в виде дождя, текут по речным руслам и образовывают моря и озера. Развитая метеорология, сложные и разнообразные формы рельефа и геологическая активность делают Титан одним из интереснейших небесных тел в Солнечной системе.

Атмосфера Титана
Дымка, освещенность и цвет неба
Рельеф и поверхность Титана
Титан в цифрах

Атмосфера Титана.
Основной атмосферной составляющей на Титане является молекулярный азот (более 95%). Количество метана меняется от 2,7% на высоте 1174 км до 1,6% в стратосфере, а у поверхности достигает 4,9%. Кроме азота и метана, атмосфера содержит аргон-40 (43 молекулы на миллион), углекислый газ (345 молекул на миллион) и продукты фотолиза метана: этан, ацетилен, бензол, дициан С2N2 и молекулярный водород. В момент посадки зонда Гюйгенс на поверхность Титана "метановая влажность" у поверхности составила 50%, на высоте 8 км она достигла 100%.

Состав атмосферы Титана по данным масс-спектрометра зонда Гюйгенс. Показан состав атмосферы на высоте 120-130 км и у поверхности. Кроме азота и метана, в атмосфере присутствуют этан, аргон 40, углекислый газ, дициан, бензол и молекулярный водород. Также в качестве примесей присутствуют высокомолекулярные углеводороды сложного состава.

Из-за низкой силы тяжести атмосфера Титана простирается на высоту 1500 км и выше.

Дымка в верхней атмосфере Титана. Снимок был получен АМС "Кассини" 31 марта 2005 года с расстояния 9500 км от поверхности Титана.

График зависимости плотности атмосферы Титана от высоты. Непрерывной линией показаны данные, полученные зондом Гюйгенс 14 января 2005 года, пунктирной линией показаны данные, полученные "Вояджером-1". На высоте 1500 км плотность атмосферы составила 5 * 10-12 кг/куб.м, что соответствует 100 млн. молекул азота в кубическом сантиметре.

Температурный минимум (тропопауза) в атмосфере Титана расположена на высоте 44 км над поверхностью при температуре 70 К и давлении 0,11 атм. Ниже температура начинает расти и достигает у поверхности значения 94 К. Выше тропопаузы лежит стратосфера - область атмосферы, где температура растет с высотой. На высоте 250 км температура достигает 186 К, а выше снова начинает падать. На высотах 500-1000 км расположено шесть инверсионных слоев с разницей температур между слоями 20-30 К. На высоте 1500 км над поверхностью температура составляет около 140 К.

Температурный профиль атмосферы Титана по данным зонда Гюйгенс.

Солнечный ветер, заряженные частицы магнитосферы Сатурна и космические лучи ионизируют атмосферу Титана, образуя ионосферу. По данным зонда Гюйгенс максимум электронной концентрации достигается на высоте 60 км.
Атмосфера Титана вращается в ту же сторону, что и спутник в целом, но гораздо быстрее. Это явление называется суперротацией и роднит Титан с Венерой. В стратосфере скорость ветра достигает 160 м/сек. На высотах 120-150 км над поверхностью скорость ветра составляет около 100 м/сек, ниже скорость ветра падает, и на высоте около 80 км наступает полный штиль. Ниже ветер снова усиливается и на высоте 50 км достигает 40 м/сек. Еще ниже скорость ветра снова падает; на высотах ниже 5 км скорость ветра не превышает нескольких метров в секунду.

Скорость зональных ветров на Титане по данным зонда Гюйгенс. По горизонтальной оси внизу отложено время (в минутах) от начала работы зонда.

По данным зонда Гюйгенс атмосфера Титана затуманена почти на всем своем протяжении. Туман редеет лишь на высотах ниже 30 км. Метановые облака в тропосфере Титана очень динамичны: возникая буквально за полчаса вследствие подъема воздушных масс из средней тропосферы к тропопаузе, они проливаются дождем и рассеиваются в течение следующего часа. Также в атмосфере иногда появляются облака из этанового снега. Одно такое облако наблюдалось автоматической межпланетной станцией "Кассини" в северном (зимнем) полушарии Титана на широтах 51-68 градусов и на всех наблюдаемых долготах. Конденсация этанового снега на полюсах Титана во время полярной зимы может объяснить отсутствие жидких этановых водоемов в низких и средних широтах.

Дымка, освещенность и цвет неба.
В оптическом диапазоне протяженная облачная дымка пропускает к поверхности только 10% падающего света.
Во время спуска в атмосфере Титана зонд Гюйгенс измерял спектры неба как при взгляде "вверх", так и "вниз" (точнее, в интервале углов от 10 до 50 градусов от надира). Эти спектры (для разных высот) представлены ниже.

Здесь показаны спектры атмосферы при взгляде "вниз и немного вбок" для разных высот над поверхностью Титана. Видно, что максимум излучения в спектре приходится на лучи с длиной волны 550-600 нм (желтые) и 620-720 нм (красные), что и придает Титану характерный оранжевый цвет. По мере погружения в атмосферу (снижения высоты зонда) интенсивность излучения падает, внизу становится все темнее и "краснее" - максимум излучения сдвигается в сторону волн с длиной 640-680 нм.

Здесь показаны спектры атмосферы при взгляде вверх, т.е. спектры неба. На высоте 140 км небо еще неяркое, светло-желтого оттенка (интенсивность излучения "сверху" примерно в 2 раза меньше интенсивности излучения "снизу"). По мере погружения яркость неба растет, а его цвет становится все более и более красным. На высоте 50 км максимум излучения в спектре неба уже приходится на волны с длиной 560-680 нм (оранжевые и красные лучи).

График, аналогичный предыдущему, но для высот ниже 50 км. При дальнейшем погружении яркость неба на коротких волнах (< 700 нм) начинает падать, а на длинных продолжает расти. При взгляде с поверхности небо, по всей видимости, выглядит оранжево-красным и еще довольно ярким. Полная освещенность на Титане в полдень соответствует ранним сумеркам на Земле (1/1000 от освещенности в солнечный полдень на Земле).

Здесь показана яркость неба вблизи поверхности Титана для световых волн инфракрасного диапазона. Черными ромбами показаны замеры интенсивности света "сверху", которые зонд Гюйгенс сделал на высоте 734 м над поверхностью, когда в поле зрения датчика попало Солнце. Черными квадратами показаны аналогичные замеры, сделанные на высоте 53 м, когда Солнце в поле зрения датчика не попало. Контраст между замерами, полученными в обоих случаях, говорит о том, насколько хорошо видно Солнце в разных спектральных диапазонах. Видно, что для света с длиной волны около 940 нм оптическая плотность атмосферы близка к 2, а для света с длиной волны 1550 нм она падает до 0,5.

В окнах прозрачности (около 1270 нм и 1550 нм) атмосфера Титана прозрачна почти так же, как и земная атмосфера в оптическом диапазоне! И если в видимых лучах на Титане всегда пасмурно, в ИК-диапазоне с поверхности Титана видны и Солнце, и Сатурн, и самые яркие звезды.

Рельеф и поверхность Титана.
Атмосфера Титана непрозрачна для видимого света, поэтому поверхность спутника наблюдают или в ИК-диапазоне в одном из окон прозрачности, или с помощью радара. Оснащенность автоматической межпланетной станции Кассини позволяет ей исследовать Титан обоими способами.

Эти снимки были получены Кассини 28 октября 2005 года (левый), 26 декабря 2005 года (средний) и 15 января 2006 года (правый) во время пролетов межпланетной станции около Титана. На среднем снимке изображено полушарие, противоположное полушарию, снятому на левом и правом снимках. Цвета искусственные; они получены наложением снимков, снятых в ближнем инфракрасном диапазоне: 1600 нм (изображен голубым цветом), 2010 нм (зеленым) и 5000 нм (красным). Примерно так мы увидели бы Титан, если бы могли видеть в инфракрасном диапазоне.
Первое, что бросается в глаза на снимках Титана - наличие контрастных темных и светлых областей и почти полное отсутствие кратеров на поверхности спутника. Тектонические процессы, криовулканизм, ветровая и "водная" (вызванная потоками жидкого метана) эрозия постоянно модифицируют поверхность Титана.
Темные области представляют собой низкие плоские равнины, заполненные пологими дюнами из ледяного песка, загрязненного сложными органическими веществами. Дюны вытянуты с запада на восток, отражая направление господствующих ветров. Светлые "острова" являются, скорее всего, высокими холмами, сложенными более чистым льдом.

Это радарное изображение было получено с помощью синтетического апертурного синтеза 7 сентября 2006 года. Область, покрываемая изображением, занимает 325х160 км, разрешение около 500 м в пикселе. Координаты области 8 градусов северной широты, 44 градуса западной долготы. Видны протяженные ряды дюн, ширина каждой дюны составляет 2-3 км.

Еще одно радарное изображение, полученное Кассини 7 сентября 2006 года. Слева виден кратер диаметром около 30 км с валом и центральным пиком. Снизу и справа видны дюны, по центру снимка проходит разлом или дренажный канал (сухое русло). Изображение покрывает область 190х150 км, разрешение 500 м в пикселе. Координаты местности 10 градусов северной широты, 70 градусов западной долготы.

Большое количество метана в тропосфере Титана требует объяснения. Под действием ультрафиолетового света Солнца его молекулы непрерывно разрушаются. Без постоянного пополнения его запасов весь метан в атмосфере Титана разрушился бы в течение двадцати миллионов лет. Одной из популярных гипотез такого источника метана была гипотеза метаново-этанового океана, покрывающего поверхность спутника. Действительно, при температуре и давлении, царящих на поверхности Титана, и метан, и этан должны находиться в жидком состоянии.
Однако никаких обширных водоемов на поверхности Титана найдено не было. Равнинные темные области, покрывающие Титан, оказались не углеводородным океаном, а пустынями, покрытыми дюнами. Исследователи пришли к выводу, что метановые ливни - явление, довольно редкое на Титане, и что речные русла, обнаруженные на снимках зонда Гюйгенс и на некоторых радарных изображениях, большую часть времени остаются сухими.
Летом 2006 года Кассини пролетал над северной полярной областью Титана, в которой сейчас стоит полярная ночь. Радарные изображения, полученные во время этих пролетов, показали многочисленные озера из жидких углеводородов с изрезанной береговой линией и обширной системой протоков.

Радарное изображение, полученное Кассини 23 сентября 2006 года. Видно два озера поперечником 20-25 км. Координаты местности 73 градуса северной широты, 46 градусов западной долготы.

Страна озер вблизи северного полюса Титана. Оба радарных изображения получены Кассини 21 июля 2006 года. Координаты верхнего снимка 80 градусов северной широты, 92 градуса западной долготы, изображение покрывает область 420х150 км. Координаты нижнего снимка 78 градуса северной широты, 18 градусов западной долготы. Разрешение 500 м в пикселе.

14 января 2005 года на поверхность Титана в точке с координатами 11 градусов северной широты, 192 градуса западной долготы опустился зонд Гюйгенс, созданный Европейским космическим агентством. Во время спуска он сделал снимки поверхности Титана, показывающие нам удивительный и загадочный мир, во многом похожий на Землю.

Снимки поверхности Титана, сделанные зондом Гюйгенс с высоты 16 км. Видна темная низина, более светлые холмы и многочисленные речные русла. Разрешение снимков 40 м в пикселе.

Панорама Титана, сделанная зондом Гюйгенс с высоты 8 км. Разрешение снимка около 20 м в пикселе.

Гюйгенс опустился на поверхность в темной области, оказавшейся дном сухого русла. Физические свойства грунта под ним больше всего напомнили влажный песок. На снимке, сделанном непосредственно на поверхности, видны округлые "камни", состоящие, по всей видимости, из окатанного метановым потоком водяного льда. Ледяной песок был пропитан жидким метаном.

Титан в цифрах:
Большая полуось орбиты вокруг Сатурна: 1 221 900 км.
Орбитальный эксцентриситет: 0,0292
Период обращения: 15,94542 земных суток
Экваториальный радиус: 2575 км (1,482 лунного радиуса).
Масса: 13,455 * 10 кг (1,83 массы Луны)
Средняя плотность: 1,88 г/куб.см
Ускорение свободного падения на поверхности: 1,35 м/с2 (примерно в 7,3 раза меньше, чем на Земле)
Температура поверхности: 94 К (-179 С)
Температура плавления/кипения метана при 1 атм.: 90,5 К/108,5 К
Температура плавления/кипения этана при 1 атм.: 89,7 К/184,4 К

Источники:
1. The vertical structure of Titan's upper atmosphere from Cassini Ion Neutral Mass Spectrometer measurements
2. Evidence for a Polar Ethane Cloud on Titan
3. The Evolution of Titan's Mid-Latitude Clouds
4. The vertical profile of winds on Titan
5. Rain, winds and haze during the Huygens probe's descent to Titan's surface
6. П.Шаров, И.Соболев, "Успешная посадка на Титан", журнал "Новости Космонавтики", 3/2005
7. Титан в Планетном Фотожурнале НАСА
8. Алканы и циклоалканы

Сатурн

наверх

к оглавлению