Titan Povrchové Teploty během Mise Cassini

Naše naměřené povrchové teploty jsou uvedeny na Obrázku 1. Ze sedmi map zeměpisné šířky lze okamžitě rozpoznat některé sezónní charakteristiky. Za prvé, maximální teploty v blízkosti rovníku byly vždy 93-94 K a klesaly směrem k pólům o 1-4 K, v závislosti na ročním období. Za druhé, v průběhu mise se nejteplejší zeměpisné šířky přesunuly z Jižní na severní polokouli. Třetí, polární sever se zahřál asi 2 K a polární jih se ochladil asi 2 K. tyto vlastnosti pokračují v trendech, které jsme viděli v našich dřívějších, částečné datové sady. Naše měření na 10 S v období 2004-06 (Ls = 313°) porovnává dobře s HASI měření na povrchu, 93.65 ± 0.25 K (Fulchignoni et al. 2005). Naše měření také souhlasí s teplotami v blízkosti povrchu, které uvádí Schinder et al. (2012) z Cassini radio occultations.

Přiblížit Oddálit Obnovit velikost obrázku

Naše teď-dokončen soubor dat nám umožňuje provádět komplexnější srovnání s modely. Obrázek 1 ukazuje předpovědi z nedávné studie GCM, která zahrnuje hydrologický cyklus metanu a zkoumá účinky geografie, jednotné i nejednotné (Tokano 2019). Nerovnoměrná geografie zahrnuje pozorované globální rozdíly v topografii, albedo, emisivita, a tepelná setrvačnost. Na obrázku je také zobrazen výsledek z dřívějšího GCM (Tokano 2005), který nezohledňoval kondenzovaný metan na povrchu (označený jako „suchý“). V minulých zprávách (Jennings et al. 2011, 2016) jsme porovnali povrchové teploty CIRS s dřívější případovou studií dry. Pomocí dat až 2012 (Ls = 313°-26°) jsme zjistili, že pozorování souhlasila s přibližně suché model, pokud je povrch tepelné setrvačnosti se předpokládá nízká na jihu a vysoko na severu (Obrázek 1 ukazuje, suché, nízká tepelná setrvačnost scénář). Nicméně, začátek v roce 2013, v Ls = 49° období, teploty na severu výrazně odchýlil od suchého model, spadající pod předpokládá na jaře zvýší o 1 K. i když Saturn je excentricita lze předpokládat vznik chladnější severní léto v současné epochy (Tokano 2019), že nemůže být příčinou pozorovaného zpoždění, protože excentricita byla zahrnuta v suchém model (Tokano 2005). V našem předchozím článku (Jennings et al. 2016) Navrhli jsme, že chladnější než očekávané teploty byly způsobeny odpařovacím chlazením mokrých povrchů, moří i půdy, v severních zeměpisných šířkách během jarního oteplování (Lora et al . 2015; Jennings et al. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall et al. (2016) dospěl k podobnému závěru ze studií radiometru Cassini 2, 2 cm. Obrázek ukazuje, že když metanu povrchu hydrologie je zahrnuta v GCM (Tokano 2019), pozorované celkové chování povrchové teploty je tvořily, a zejména depresi severní jarní teploty jsou vysvětleny. Tokano (2019) oznámil tuto dohodu se svými modelovými výsledky pomocí dat CIRS až do roku 2014. Jak je vidět na obrázku 1, Během posledních dvou období, Ls = 73° a 90°, předpovědi modelu nadále odpovídaly chladnějším měřením na severu.

celkově jsou měření CIRS lépe popsána jednotnými i nerovnoměrnými případy než suchým případem. To znamená, že hydrologie povrchu metanu hraje klíčovou roli při řízení sezónních povrchových teplot. Rozdíly mezi těmito dvěma geografickými případy, primárně poháněnými topografií, jsou nejvýraznější na vlhčím severu (Tokano 2019). Počátkem severního jara (Ls = 26°) jsou nejednotné předpovědi na severu výrazně pod jednotnými předpovědi. V polovině severního jara (Ls = 49°) se měření nad 40 N začínají odchylovat směrem k nerovnoměrnému případu. Pak na konci severního jara (Ls = 73°) až do slunovratu (Ls = 90°) se rozdíl mezi jednotnými a nerovnoměrnými případy zmenšuje. V těchto dvou závěrečných obdobích měření mezi rovníkem a 40 N odpovídala blíže k non-jednotné případě, zatímco ve vyšší, polárních zeměpisných šířkách data jsou blíže jednotný případ. Pokles pozorovaných teplot na 0-40 N po roce 2015 mohl být způsoben srážkovými událostmi, jako jsou ty, které viděli Turtle et al. (2011). Tyto události mohou být indikovány ostrými hroty směrem dolů při 30 N v nejednotných modelových případech pro Ls = 26°, 49° a 73°. Odpařovací chlazení po srážkách mohlo snížit povrchové teploty střední šířky pozdě na jaře. Tokano (2019) GCM předpovídá, že v současné době nejsou maximální teploty na severu nikdy tak teplé jako na jihu. Jih, na rozdíl od severu, bývá většinu roku suchý (Lora & Mitchell 2015; Lora & Ádámkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Proto mezi modely na jihu není velký rozdíl a měření mezi nimi nerozlišuje. Výjimka nastává ve dvou nejranějších obdobích (Ls = 313° a 335°), kde na jižním pólu je suchá předpověď výrazně vyšší než ostatní dva případy a také nad daty. Pokles teplot na pólu může být důkazem trvalé vlhkosti povrchu. Očekává se, že jižní pól udrží vlhkost trvaleji než zbytek jižní polokoule (Tokano 2019).

v letech 2015-16 došlo k anomálnímu oteplování v jižních zeměpisných šířkách(Ls = 73°). Teploty na 50-90S byly výrazně nad všemi třemi modelovými předpověďmi. Zdá se, že k tomuto oteplování nedošlo během předchozích období 2013-14 (Ls = 49°) nebo po roce 2017 (Ls = 90°) (Coustenis et al. 2019). Nejsme si jisti, co by způsobilo takové přechodné oteplování na polárním jihu v pozdním podzimu, ale jedním z možných mechanismů je uvolňování latentního tepla v důsledku kondenzace etanu v blízkosti povrchu. Tento proces není součástí modelů. Je přirozené předpokládat, že účinek souvisel s dynamickou atmosférickou strukturou, která se vyvinula na jižním pólu v polovině až do pozdního podzimu (Achterberg et al . 2014; Jennings et al. 2015; West et al. 2016; Coustenis a kol. 2019). V té době se na jižním pólu formovala sestupná větev globálního meridionálního oběhu. Silný, studený downwelling přinutil stopové plyny k akumulaci a kondenzaci ve studené stratosféře (Bampasidis et al. 2012; Teanby a kol. 2012, 2017; Coustenis et al. 2013, 2016, 2018; Vinatier et al. 2015, 2018; Sylvestre et al. 2018). Zejména pevných částic ethanu sestoupil v teplejších troposféře a znovu odpaří, budování hojnosti na pólu. Jak hluboké chlazení začalo koncem podzimu, ethan se rekondenzoval poblíž povrchu (Rannou et al. 2006), možná jako mlha nebo mlha. Uvolnění latentního tepla dočasně zahřálo povrch. Nakonec byl tento efekt překonán zimním chlazením. Nemůžeme si být jisti, že kondenzace etanu na Blízkém povrchu by byla dostatečná k tomu, aby způsobila pozorované zahřívání. Ve srovnání s metanem, který je součástí modelu Tokano (2019), je rychlost kondenzace etanu 1000krát menší (Rannou et al. 2006; Anderson a kol. 2014). Na druhé straně kondenzace metanu mohla také hrát roli při uvolňování latentního tepla. Kondenzace metanu poblíž jižního pólu nemusí být plně modelována pro dobu silného polárního víru na konci podzimu. Alternativní vysvětlení pro zjevné oteplování v daleko na jih, je to, že krytí teplejší stratosféře mohou mít zvýšené během 2015-16, produkovat chyby v atmosférické korekce. Mezi lety 2013 a 2017 teplota při 0,5–5 mbar ve vysokých jižních zeměpisných šířkách klesla na nízkou a poté se zotavila (Coustenis et al. 2019). Jakákoli zvýšená kondenzace během této doby by krátce zvýšila neprůhlednost a způsobila, že teplá stratosféra přispívá k extra záři, nad rámec atmosférického korekčního modelu.

stejně jako v našich předchozích zprávách jsme se pokusili charakterizovat distribuci a sezónní vývoj povrchových teplot titanu vytvořením analytického popisu měření. Představujeme to jako vzorec, který shrnuje zeměpisnou závislost povrchových teplot jako funkci času:

Tady, T(L,Y) je povrch, jasu, teploty, L je šířka a Y je čas v letech, měřeno od Titan equinox (2009 srpen 11 → 2009.61). Tento analytický model je platný pouze pro rozsah údajů, tj. pro L = -90 až +90 a Y = -4,9 až 8,1 (2004 říjen až 2017 září). Vzorec byl odvozen tím, že nejprve přizpůsobil pozorování v každém ze sedmi období na obrázku 1 samostatnému kosinu. Montáž byla provedena úpravou amplitudy, fáze a šířky každého kosinu, aby se minimalizovala směrodatná odchylka. Tyto parametry odpovídají špičkové teplotě, posunu vrcholu od rovníku a poklesu směrem k pólům. Ze zkoumání sedmi křivek jsme zjistili, že všechny tři parametry se během ročních období systematicky měnily. Provedli jsme lineární přizpůsobení (a+bY) sedmi hodnotám každého parametru a pomocí výsledných šesti koeficientů jsme vytvořili vzorec (1). Zjistili jsme, že tento analytický výraz je dobrou reprezentací povrchových teplot měřených CIRS během mise Cassini. Jeho směrodatná odchylka od celé datové sady je 0,4 k. Nejhorší byl fit pro 2010-12 (Ls = 26°), které se směrodatnou odchylkou 0,7. K. bereme na vědomí, že to byl čas, asi dva roky po rovnodennosti, když dramatické změny se vyskytují po celém světě v atmosféře (viz, například, Teanby et al. 2012).

vzorec (1) shrnuje sezónní trendy povrchových teplot. Posun maximální teploty na sever, který jsme již dříve uvedli (Jennings et al. 2011, 2016) pokračoval přes pozdní Severní jaro až do slunovratu. Zeměpisná šířka maximální teploty (střed severojižní symetrie) úzce sledovala subsolární bod od 13 S v roce 2005 do 24 N v roce 2017. Najdeme nenulový fázový posun, který odpovídá malému sezónnímu zpoždění při rovnodennosti, asi 0, 1 měsíce Titanu. Obrázek 1 ukazuje, že malé zpoždění je v souladu s non-jednotné GCM případě, i když to není tak jasné, že tam je zpoždění v uniformě případě (viz také Tokano 2019, Obrázek 3). Naše sezónní zpoždění souhlasí s tím, co uvádí Janssen et al. (2016) a je také v souladu s pozorováním kosatce Voyager 1 poblíž předchozí rovnodennosti v listopadu 1980 (Flasar et al . 1981; Courtin & Kim 2002). Malé zpoždění je v souladu s nízkou tepelnou setrvačností vyžadovanou od povrchu pro denní variace (Cottini et al . 2012). Naše Rovníková teplota 93,5 ± 0,4 K při rovnodennosti (Ls = 0°) souhlasí s měřením duhovky Voyageru, 93 ± 1 K (Courtin & Kim 2002). Od počátku do konce mise klesla maximální amplituda kosinu asi o 1 K, z 93,9 na 92,8 k. Časově závislá šířka ve vzorci (1) znamená „zploštění“ rozložení teploty při pohybu vrcholu na sever, tj. postupnější pokles směrem k pólům. Vyšetření měření a namontován cosines naznačuje, že, i když maximální teplota klesla, průměrná severní a jižní pól teploty v každém období zůstaly přibližně stejné v průběhu všech sedmi období.

náš vzorec lze použít ke kontrole změny povrchové teploty v jakékoli konkrétní zeměpisné šířce během dvousezónní mise. Například na místě přistání Huygens, 10 S, se teplota v letech 2005 až 2017 pohybovala od 93,9 do 92,5 K. Protože maximální teplota klesla, jak to přesunula na sever, semi-roční kolísání teploty byla silně závislá na zeměpisné šířce. Kolísání teploty byla největší na 40 S (Aspoň 93,6–91.7 K), kde povrch byl poměrně suchý, a byl nejmenší na 40 N (92.6–92.7 K), kde povrchové teploty byly moderovány vlhčí severní (Lora et al. 2015; Tokano 2019). Změny povrchové kondenzace musí být mnohem menší v polovině severu než ve středních jižních zeměpisných šířkách. Na 40 Y mezi zimní a letní, tlak par, by se zvýšil o faktor 1,26 methanu a 1.61 ethanu při teplotě 40 N oni by měli měnit pouze faktory 1.01 a 1.03. Jakákoli migrace těkavých těkavých látek na sever, zatímco jih je teplejší, nebude později v ročním cyklu zcela zrušena, protože severní teploty nikdy nebudou tak teplé jako na jihu. Teplota se pohybuje v pólech byly prakticky totožné: 91.9–89.8 K na 80 S a 89.9–91.9 K na 80 N. Oba póly, v jejich nejchladnější, dosáhl triple body pro metan (90.7 K) a ethanu (90.3 K). Póly mohou občas ukrývat kapalnou i pevnou fázi. Celkově naše výsledky naznačují, že severní polokoule představuje chladnější, benignější povrchové prostředí, v souladu s nahromaděním kondenzovaných těkavých látek. Všimli jsme si, že Coustenis et al. (2019) uvedli, že v roce 2017 na jihu poblíž pólu zůstaly teploty ve stratosféře nízké při tlacích vyšších než 0, 5 mbar. Současně se hojnost jižních stratosférických plynů výrazně snížila oproti tomu, co bylo v letech 2014-2015. Pozdní podzim mohl být obdobím zvýšené kondenzace v atmosféře a usazování na povrchu.

naše globální povrchové teploty podporují obraz severojižní polokoule asymetrie na Titanu, s obecně chladnějším severem v současné době. Naše dohoda s model předpovědi, které zahrnují vliv metanu hydrologie (Tokano 2019) půjčovat silnou podporu k závěru, že kapalný metan, na souši i v moři, je více převládající na Titanu je severní plochy, než na jihu a zmírňuje povrchové teploty na severu. Na rozdíl od severu není většina jižní polokoule mokrá po celý rok. To umožňuje, aby jih byl teplejší než sever a vykazoval širší teplotní výkyvy. Póly na druhé straně nesdílejí hemisférickou asymetrii. Minimální a maximální teploty na severním a jižním pólu jsou velmi podobné. To znamená, že oba póly jsou vlhké. Jak dokládá Tokano (2019), excentricita sám není dost způsobit silné akumulace metanu na severní pól na úkor jižní pól a topografie může hrát důležitou roli v severo–jižní asymetrie na Titanu.