Что творится на Титане?

[Полушин Алексей]

 Об этом спутнике Сатурна все еще известно слишком мало. Однако, информация, полученная с "Гюйгенса", позволяет выдвинуть несколько гипотез о процессах, протекающих на Титане.
I. Метановые источники. Как показал химический анализ атмосферы Титана, там в значительных количествах присутствует метан (из него же состоят облака этой планеты). Но метан - далеко не самое устойчивое из химических соединений. Под воздействием космических лучей, УФ-излучения, солнечной радиации, он разрушается, причем довольно быстро. Согласно расчетам, опубликованным в журнале "Наука и жизнь", для полного разрушения всех титановских (или титанических? ) запасов метана потребуется около 10 млн. лет. Следовательно, запасы этого вещества постоянно пополняются из некоего внутреннего источника (или, по крайней мере, не так давно пополнялись).
 Логично предположить, что метан выделяется откуда-то из недр планеты (нечто вроде метановых вулканов). Возможно, что активные метановые источники существуют на поверхности Титана и по сей день. Но как их обнаружить? Прежде всего, посмотрим, что будет происходить с метаном при достаточно мощных его выбросах.
 Начнем, пожалуй, с определения плотности атмосферы Титана (которая состоит на 85% из азота). В данном случае удобно отталкиваться от уравнения Менделеева-Клапейрона:
pV=(m/M)*RT, где
p - давление газа (на Титане оно составляет около 162120Па),
V - объем газа
m - масса газа
M - молярная масса газа (для азота равна 28x10^-3 кг/моль,
                                               для метана 16x10^-3 кг/моль),
R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(К*моль)),
T - температура газа (в поверхностном слое = 94K)
 Думаю, это уравнение знакомо всем (из школьного курса химии). Разделим обе части данного выражения на V. Получим:
p=(m/V)*(RT/M).
 А т.к. плотность газа ro=m/V, то можно записать: p=ro*(RT/M). Отсюда получим формулу для расчета плотности газа при заданном давлении и температуре:
ro=pM/RT.
 Кончно же, это выражение, строго говоря, справедливо только для идеальных газов (как и большинство термодинамических расчетов). И хотя азот и метан по свойствам довольно близки к идеальным газам, неплохо бы сначала проверить, насколько адекватно данное уравнение. Итак, из справочника узнаём, что плотность азота при 1 атм (101325Па) и 0⁰С (273,15К) равна 1,2506 г/л. А расчет показывает:
ro=(101325Па*28x10^-3)/(8,314*273,15)=1,2493.
 Как видите, погрешность составляет всего 0,1%. Следовательно, данное уравнение можно использовать смело. Получаем:
ro_азота=(162120*28x10^-3)/(8,314*94)=5,808 г/л
ro_метана=(162120*16*10^-3)/(8,314*94)=3,319 г/л
 Результаты довольно необычные. Вначале я даже подумал, что где-то в расчетах ошибка. Ведь получается, что плотность метана в 1,75 раза меньше плотности азота! Выходит, что метан в условиях Титана ощутимо легче азота. И воздушный шарик, заполненный метаном, на Титане будет взлетать вверх (как на Земле взлетают шары с гелием). Соответственно, если из какого-нибудь источника произойдет значительный выброс метана, то метановые пузыри (и тем более метановая струя) "всплывут" в верхние слои атмосферы Титана. Причем т.к. с высотой температура атмосферы быстро падает, поднявшийся ввысь метан начнет конденсироваться, образуя облако. "Свежие" метановые облака, где еще не накопились окрашенные продукты распада, белого цвета. Это выгодно отличает их от обычной оранжевой облачности Титана.
 Вывод: если над какой-то областью Титана время от времени появляются белые (или хотя бы более светлые) облака, то под ними скорее всего находится метановый источник. Эх, где бы побольше снимков этой планеты достать? Да еще чтоб поподробнее были?  

II. А где же грозы? Жидкий метан, как известно, очень легко электризуется. Для образования значительных статических зарядов достаточно даже слабого трения. А т.к. облака на Титане метановые, то ученые были убеждены, что в атмосфере этой планеты бушуют мощные грозы. Поэтому на "Гюйгенсе" установили грозоотметчики. Эти приборы должны были фиксировать радиоизлучение от грозовых разрядов. Таким способом планировалось выявить основные районы грозовой активности планеты (аналогичные эксперименты проводились на Венере и дали очень хорошие результаты). Итог получился неожиданным и обескураживающим: на Титане грозы полностью (или почти полностью) отсутствуют! Это тем более странно, что атмосферный ветер там есть, и не слабый. В чем тут дело? Во-первых, можно предположить, что над поверхностью Титана не образуется достаточно мощных восходящих потоков (они необходимы для формирования грозовых облаков). Во-вторых, столь низкая грозовая активность может объясняться какими-то особыми свойствами облачных аэрозолей. Характер распределения облачных масс в атмосфере Титана известен (благодаря "Гюйгенсу"). Однако для расчетов устойчивости облачных масс и оценки интенсивности протекающих там процессов, необходимо знать средний диаметр капелек жидкого метана, из которых эти облака состоят.
 Самое интересное, что этот диаметр может быть измерен при наблюдении покрытия звезд Титаном. Когда звездный свет проходит через верхние слои титанической атмосферы, он рассеивается азотом и капельками метана. Соответственно, вокруг звезды образуется светлое кольцо (такие же кольца можно наблюдать и на Земле, когда свет звезд или Луны проникает через тонкие перистые облака). Измерив угловой диаметр таких колец, можно легко вычислить размеры рассеивающих свет частиц. Тогда у меня вот какой вопрос: нет ли таких снимков Титана, чтобы через его атмосферу просвечивала какая-нибудь звезда или планета (на крайний случай, сам Сатурн)?

III. Аргоновые облака. Наряду с азотом и метаном, в атмосферу Титана входит также значительное количество аргона. А этот газ конденсируется уже при 87К. Учитывая, что в месте посадки "Гюйгенса" температура оказалась 94К, можно предположить, что в облака Титана входит также значительное количество жидкого аргона (может, этим и объясняется их низкая электризуемость? Способен ли жидкий аргон выполнять роль антистатика? Надо будет узнать...). Действительно, при падении температуры всего на 7К (а это очень немного!) может пойти массовая конденсация аргона. Кстати, аргоновые облака тоже должны быть белыми. А на снимках Титана какая-то подозрительно светлая облачность крутится у полярной шапки. Вполне возможно, что это вымерзает аргон и над полюсом висят аргоновые облака. Если эта гипотеза верна, то светлую облачность можно будет наблюдать вблизи утреннего терминатора. Возможны также сезонные изменения яркости титановых облаков (кстати, сделать фотометрию Титана при разных положениях Сатурна на орбите вполне по силам ЛА).

Итак, основной вопрос: где можно найти возможно более полную коллекцию снимков Титана?
Дополнительный вопрос: может, у вас тоже есть какие-либо гипотезы о процессах, протекающих на Титане?

[AAV]

Итак, основной вопрос: где можно найти возможно более полную коллекцию снимков Титана?

http://saturn.jpl.nasa.gov/multimedia/images/images.cfm?subCategoryID=10

[Sergiusz]

А также http://saturn.jpl.nasa.gov/multimedia/images/raw/raw-images-list.cfm?browseLatest=0&cacheQ=0&storedQ=0.

[hoarfrost]

Грозы:
А может ли образующийся за счёт трения заряд, каким-либо образом уходить?

[Diletant]

Если в атмосфере присутствует ионизированный газ. Только чем ниже температура, тем меньше способность газа к ионизации.

[Полушин Алексей]

http://saturn.jpl.nasa.gov/multimedia/images/images.cfm?subCategoryID=10
http://saturn.jpl.nasa.gov/multimedia/images/raw/raw-images-list.cfm?browseLatest=0&cacheQ=0&storedQ=0.

Большое спасибо за ссылки. К сожалению, снимки Титана содержат больше загадок, чем ответов  
Вот, например, одна из них:
IV. Красное пятно на Титане. Меня очень заинтересовал вот этот снимок:

Данное изображение получено КА "Кассини" с помощью топографического ИК-спектрометра (т.е. цвета условные). На снимке видно необычно яркое красное пятно. Его яркость на целых 50% выше следующей по яркости детали - "глаз Ксанаду". А интенсивный красный цвет объясняется тем, что пятно видимо в очень узком спектральном диапазоне (участок спектра от 5 мкм). Размер пятна более 200км.
 Соответственно, выдвинуто несколько гипотез о природе этого пятна:
1. Это какая-то деталь поверхности планеты (наподобие гигантского ударного кратера)
2. Пятно обусловлено специфической облачностью или туманом
3. Интенсивное свечение в ИК-лучах (5мкм) может говорить о том, что это "горячее пятно" (т.е. этот участок поверхности теплее прочих).
 Последняя гипотеза будет проверена 2 июля 2006г., когда данный участок окажется на неосвещенной части Титана. Если это действительно "горячее пятно", оно останется по-прежнему ярким. Но что-то долговато ждать... Может, стоит попытаться проверить правдоподобность гипотезы теоретическим расчетом?
 Итак, предположим, что это действительно нагретый участок поверхности планеты. Длина волны, на которой он излучает, нам известна (5мкм). Следовательно, можно воспользоваться законом Вина и найти температуру, при которой максимум излучения придется на 5мкм:
L=b/T, отсюда T=b/L, где
L (лямбда) - длина волны (=5мкм),
T - искомая температура (в К),
b - константа (=2,9x10^-3 м*К).
Тогда получим:
T=2,9x10^-3/5x10^-6=580К.
Мда. Многовато получается! Учитывая, что у поверхности Титана обычно температура около 94К, то 580К соответствует вулканическому извержению. Но вулкан радиусом 200км - что-то из области фантастики. Кроме того, органические соединения при такой температуре распадаются, образуя очень темные продукты распада. Поэтому предположение о "горячем пятне" скорее всего не оправдается (через годик, когда получат второй снимок, сверим теорию с практикой ).
 Но остаются еще две другие гипотезы. Причем вне зависимости от того, облака ли это, поверхность ли, остается вопрос: что же обеспечивает столь необычную яркость пятна и столь узкий диапазон излучения? У меня возникло предположение, что в данной местности скопилось какое-то вещество, которое и вызывает все эти необычные эффекты. Но что это может быть?
 Наблюдаемое яркое свечение скорее всего соответствует какой-нибудь линии в ИК-спектре. Если взять справочник по спектральным линиям, найти там нужную (~5мкм), то можно понять, чему она соответствует (какой группе атомов). Итак, углубляемся в справочник...   И видим, что там значения характеристических полос приведены не в длинах волн, а в волновых числах. Перевести длину волны в волновое число можно по формуле:
V=10^-2/L, где
V - волновое число (в см^-1),
L - длина волны (в м). Получаем:
V=10^-2/5x10^-6=2000см^-1.
 Теперь роемся в справочнике...   Пожалуй, ближе всего к данному значению подходит полоса в 2080см^-1, которая соответствует валентному колебанию связи S-H. Получается, что в данной области много соединений серы. Возможно, там "лежит" замерзший сероводород (H₂S). Но не будем торопиться с выводами. Действительно, трудно себе представить, чтоб огромные запасы сероводорода были сосредоточены в одном-единственном районе Титана. Хотя, если это - ударный кратер, то почему бы и нет.
 Тем не менее, не стоит упускать из вида и другую возможность: сильное свечение, напоминающее эмиссионное, может вызываться радиоактивными изотопами, поступающими на поверхность из недр планеты. Наиболее вероятный "кандидат" - сверхтяжелый водород (тритий), который, кстати, иногда выделяется и из земных недр. Посмотрим, на какой частоте будет излучать метан, обогащенный радиоактивным тритием. Для этого воспользуемся законом Гука:
V=(1/2пc)*sqrt(f/мю), где
V - волновое число, соответствующее излучению (см^-1),
п - число "пи" (~3,14).
c - скорость света (=2,998x10¹⁰ см/с),
sqrt - квадратный корень,
f - силовая постоянная (=5x10⁵ дин/см),
мю - приведенная масса, г мю=M₁*M₂/(M₁+M₂), где
M₁,M₂ - массы атомов, образующих валентную связь.
 В случае метана излучение связано с колебанием связи C-H (других связей там попросту нет ). Тогда:
мю=19,8x10^-24*5x10^-24/(19,8x10^-24+5x10^-24)=4x10^-24
V=1/(2*3,14*2,998x10¹⁰)*sqrt(5x10⁵/4x10^-24)=1878см^-1.
 Этому волновому числу будет соответствовать длина волны 5,32мкм. Видно, что данное излучение довольно близко к тому, которое наблюдается на снимке. А если учесть, что кроме трития радиоактивный выброс наверняка содержит еще и дейтерий, совпадение будет еще более полное.
Так что вполне возможно, что красное пятно - область, обогащенная радионуклидами.
Что ж, ждем дальнейших снимков...

[AAV]

Ральф Лоренц (Ralph Lorenz) из университета Аризоны  (University of Arizona  представил теорию "метановых муссонов" (methane monsoon) Титана, названную в честь романа Артура Кларка. Лоренц и его коллеги-планетологи рассуждают о том — есть всё же на Титане речная деятельность и круговорот метана. Метана на Титане приблизительно 5%, и он играет ту же самую роль, что вода на Земле , выпадает вниз, а затем испаряется подобно водному циклу на Земле (там он играет ту же самую роль, что вода на Земле), или тут мы видим что-то иное  Дело в том, что первые данные, полученные в ходе экспедиции Cassini показали: Титан похож на Землю. У него есть круговорот жидкости (метана), её испарение, формирование облаков, и, по всей видимости, выпадение осадков. Об этом свидетельствовали русла рек, найденное позднее озеро, да и данные о составе и виде поверхности планеты, поступившие с посадочного зонда Huygens: крупные снимки гальки, к примеру, или свидетельство о жидком метане, скрытом всего в нескольких сантиметрах под поверхностью луны. Позже, однако, наступило некоторое разочарование — все русла оказались сухими. Новая теория, основанная на моделировании и расчётах климата Титана, увязывает как все старые, так и свежие сведения из системы Сатурна в стройную картину. Оказывается, хотя в любой момент времени в какой-то точке Титана вполне может идти метановый дождь — в каждой конкретной местности дождей, скорее всего, не бывает по нескольку сотен лет. Зато потом на эту сухую местность обрушиваются сильнейшие ливни. И здесь наступает короткий сезон муссонов. Высохшие русла снова переполняются до краёв, чтобы через какое-то время постепенно опустеть и вновь затаиться на пару-тройку столетий. О наличии периодических сильных наводнений, перемежающихся долгой засухой, учёным рассказали радарные снимки Cassini, выявившие особенности русел рек и расположения отложений в их устьях. Похожие, весьма характерные формы рельефа специалисты видят в каньонах и сухих реках пустынь юго-запада США, где вода протекает лишь несколько дней в году. Авторы теории отметили, что в атмосфере Титана метана очень много, так что дожди там, быть может, и очень редкие, но зато – необычайно сильные. В каждой конкретной местности после столетий затишья может выпасть, по расчётам планетологов, порядка метра осадков за один раз, возможно – и несколько метров.
Кроме того, команда Cassini сообщила, что, по всей видимости, они наконец-то нашли доказательство идущих на Титане прямо сейчас метановых дождей. В инфракрасном спектре они наблюдали за динамикой облачности в южном полушарии, где происходили очень интенсивные конвекционные процессы, вертикальные перемещения различных облачных масс на 10-20 километров за каких-то 30 минут, что свидетельствовало о выпадении дождей. http://www.newscientistspace.com/article/dn7975-methane-monsoons-may-lash-titan.html

[Ob_ivan]

Чрезвычайно интересная тема.
Формирование облачных систем и круговорот метана можут служить доказательством возможности географических процессов (русловая эрозия, образование облачных систем и т.п.), основанных на распределении тепла и влаги, но не воды. Возможны ли погодные явления  создаваемые в атмосфере метаном? Можно ли говорить о Климате на метановой основе?
Это в том числе к вопросам о грозе.
На мой взгляд маловато информации по этому поводу. Необходимо больше измерений характеристик разных частей атмосферы Титана за разное время, чтобы судить о том, что там грозы 100% возможны или не возможны.

Я бы со скептицизмом относился к некоторым восторженным и не достаточно обоснованным высказываниям некоторых зарубежных исследователей.

[AAV]

Климат Титана намного сильнее связан с ландшафтом, чем земной, считают американские ученые. Они попробовали объяснить закономерности в появлении и исчезновении облаков, основываясь на снимках, переданных аппаратом Cassini. Поскольку съемка велась одновременно в нескольких областях спектра, по ультрафиолетовым данным удалось восстановить трехмерную картину атмосферы
Метановые облака до сих пор удавалось увидеть только около полюсов и в полосе между 40-й и -40-й параллелями, а в остальных местах их не бывает почти никогда. Считается, что в "облачных" областях регулярно идут дожди и испаряются водоемы, однако у веществ, из которых состоят облака, должны быть и другие источники.Ученые предполагают, что в окрестностях экватора расположено большинство криовулканов, которые выбрасывают в атмосферу воду, метан и аммиак. Все эти компоненты вместе составляют не больше пяти процентов от общего состава атмосферы, но облака могут образовываться только из них. Остальные 95 процентов - азот, для конденсации которого на Титане недостаточно холодно.
Согласно новой гипотезе, протяженные облака складываются из нескольких небольших "смерчей", каждый из которых возникает благодаря извержению вулкана. Затем вихри замедляются, вещество внутри облака распределяется равномерно, а само облако поднимается на высоту до 40 километров. Таким образом детали ландшафта не могут помешать движению облаков, но сами они нестабильны и не успевают сместиться далеко от места возникновения.
http://uanews.org/cgi-bin/WebObjects/UANews.woa/10/wa/SciDetails?ArticleID=11870

[GOTA]

Об этом спутнике Сатурна все еще известно слишком мало. Однако, информация, полученная с "Гюйгенса", позволяет выдвинуть несколько гипотез о процессах, протекающих на Титане.

[licantrop]

Гота! Именно так все и было! Но как ты догадалась? 

[GOTA]

Гота! Именно так все и было! Но как ты догадалась? 

Так об этом "Новости космонавтики" писали, третий номер этого года... 

[Корецкий]

 На http://photojournal.jpl.nasa.gov/targetFamily/Saturn размещены, видимо, слегка подредактированные "классические" предпосадочные фотки "Гюйгенса". Обращает на себя внимание, по моему, весьма заметное сходство т.н. "каналов" в районе посадки с фиордами Гренландии и Норвегии, в то время как более поздние радарные снимки демонстрируют нечто, гораздо более схожее с речными руслами

[bibliograf]

 Про тритиевые источники на Титане - на Алексея Полушина, несомненно, произвело сильное впечатление чтение
старинного романа бр. Стругацких "Страна Багровых Туч" - там тоже было огромное месторождение радиоактивных
элементов - только не трития, а актинидов - след падения гигантского метеорита из антивещества.
http://www.lib.ru/STRUGACKIE/strana2.txt
 Идея "Урановой Голконды" была подсказана писателям статьей о природном ядерном реакторе в Окло, в Габоне.
http://www.africana.ru/lands/Gabon/oklo.htm
Алексей Полушин демонстрирует нам успешное усвоение школьного курса физики - к сожалению, он еще не изучал
ядерную физику - иначе смог бы оценить количество трития, необходимое для появления эффектов в спектре,
заодно придумать реакцию, в результате которой такие количества трития образуются...

[А_лексей_]

Вот 3D модель ландшафта Титана, созданная на основе данных с "Гюйгенса". (цвета предположительные).

[an]

А где русла?

[bibliograf]

  Эту "3D модель" просто художник нарисовал вскоре после публикации первых снимков с "Гюйгенса" -
когда стало ясно, что на Титане есть выровненные низменные поверхности, однородно окрашенные -
и возвышенности с более пестрой окраской - очевидно, с развитым мезо- и микрорельефом. Все осталь-
ное - артистическое воображение!

[Корецкий]

На Астронете – небезынтересная статья Дэвида Гринспуна (David Grinspoon) «Гипотеза обитаемых миров» Титан в экзобиологическом ракурсе...
http://www.astronet.ru/db/msg/1209520