Temperaturas Superficiales de Titán durante la Misión Cassini

Nuestras temperaturas superficiales medidas se presentan en la Figura 1. A partir de los siete mapas de latitud, se pueden reconocer de inmediato algunas características estacionales. En primer lugar, las temperaturas máximas en las cercanías del ecuador siempre fueron de 93-94 K y disminuyeron hacia los polos en 1-4 K, dependiendo de la temporada. En segundo lugar, en el transcurso de la misión, las latitudes más cálidas se trasladaron del hemisferio sur al hemisferio norte. En tercer lugar, el norte polar se calentó unos 2 K y el sur polar se enfrió unos 2 K. Estas características continúan las tendencias que hemos visto en nuestros conjuntos de datos parciales anteriores. Nuestra medición a 10 S en 2004-06 (Ls = 313°) se compara bien con la medición HASI en la superficie, 93,65 ± 0,25 K (Fulchignoni et al. 2005). Nuestras mediciones también concuerdan con las temperaturas cercanas a la superficie reportadas por Schinder et al. (2012) de la Cassini radio ocultaciones.

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Nuestro conjunto de datos ahora finalizado nos permite realizar una comparación más completa con los modelos. La Figura 1 muestra las predicciones de un estudio reciente de MCG que incluye el ciclo hidrológico del metano y examina los efectos de la geografía, tanto uniforme como no uniforme (Tokano 2019). La geografía no uniforme incorpora variaciones globales observadas en topografía, albedo, emisividad e inercia térmica. También se muestra en la figura el resultado de un MCG anterior (Tokano 2005) que no tenía en cuenta el metano condensado en la superficie (etiquetado como «seco»). En informes anteriores (Jennings et al. 2011, 2016) comparamos las temperaturas superficiales de CIRS con el estudio de caso seco anterior. Utilizando datos hasta 2012 ( Ls = 313°-26°), encontramos que las observaciones coincidían aproximadamente con el modelo seco si se asumía que la inercia térmica superficial era baja en el sur y alta en el norte (la Figura 1 muestra el escenario seco de baja inercia térmica). Sin embargo, a partir de 2013, en el período Ls = 49°, las temperaturas en el norte se desviaron significativamente del modelo seco, cayendo por debajo del aumento de primavera previsto en aproximadamente 1 K. Aunque se puede esperar que la excentricidad orbital de Saturno dé lugar a veranos más fríos en el norte en la época actual (Tokano 2019), esa no puede ser la causa del retraso observado porque la excentricidad orbital se incluyó en el modelo seco (Tokano 2005). En nuestro artículo anterior (Jennings et al. 2016) sugerimos que las temperaturas más frías de lo esperado se debieron al enfriamiento evaporativo de superficies húmedas, tanto marinas como terrestres, en latitudes septentrionales durante el calentamiento de primavera (Lora et al. 2015; Jennings et al. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall et al. (2016) llegaron a una conclusión similar a partir de estudios de radiómetro Cassini de 2,2 cm. La figura demuestra que cuando se incluye la hidrología superficial del metano en el GCM (Tokano 2019), se tiene en cuenta el comportamiento general observado de las temperaturas superficiales y, en particular, se explican las temperaturas deprimidas de primavera del norte. Tokano (2019) informó de este acuerdo con los resultados de su modelo utilizando datos CIRS hasta 2014. Como se puede ver en la Figura 1, durante los dos períodos finales, Ls = 73° y 90°, las predicciones del modelo continuaron coincidiendo con las mediciones más frías en el norte.

En general, las mediciones CIRS se describen mejor por los casos uniformes y no uniformes que por el caso seco. Esto implica que la hidrología superficial del metano juega un papel crucial en la conducción de las temperaturas superficiales estacionales. Las diferencias entre los dos casos geográficos, impulsadas principalmente por la topografía, son más pronunciadas en el norte más húmedo (Tokano 2019). A principios de la primavera septentrional (Ls = 26°) las predicciones no uniformes en el norte están muy por debajo de las predicciones uniformes. A mediados de la primavera norte (Ls = 49°), las mediciones por encima de los 40 N comienzan a desviarse hacia el caso no uniforme. Luego, a finales de la primavera del norte (Ls = 73°) hasta el solsticio (Ls = 90°), la diferencia entre los casos uniformes y no uniformes se reduce. En esos dos períodos finales, las mediciones entre el ecuador y 40 N se ajustaron más estrechamente al caso no uniforme, mientras que en las latitudes polares más altas, los datos están más cerca del caso uniforme. La caída de las temperaturas observadas a 0-40 N después de 2015 puede haber sido causada por eventos de lluvia como los observados por Turtle et al. (2011). Tales eventos podrían indicarse por los picos afilados hacia abajo a 30 N en los casos de modelos no uniformes para Ls = 26°, 49° y 73°. El enfriamiento por evaporación después de eventos de lluvia podría haber reducido las temperaturas superficiales de latitud media a finales de la primavera. El GCM Tokano (2019) predice que en la época actual las temperaturas máximas en el norte nunca son tan cálidas como en el sur. El sur, en contraste con el norte, tiende a ser seco la mayor parte del año (Lora & Mitchell 2015; Lora & Ádámkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Por lo tanto, no hay mucha diferencia entre los modelos en el sur y las mediciones no distinguen entre ellos. Una excepción ocurre en los dos períodos más tempranos ( Ls = 313° y 335°), donde en el polo sur la predicción seca es significativamente mayor que en los otros dos casos y también por encima de los datos. Una caída en las temperaturas en el poste podría ser evidencia de humedad permanente en la superficie allí. Se espera que el polo sur retenga la humedad de manera más persistente que el resto del hemisferio sur (Tokano 2019).

Se produjo un calentamiento anómalo en las latitudes meridionales en 2015-16 (Ls = 73°). Las temperaturas a 50-90S estuvieron significativamente por encima de las tres predicciones del modelo. Aparentemente, este calentamiento no ocurrió durante los períodos anteriores de 2013-14 (Ls = 49°) o posteriores a 2017 (Ls = 90°) (Coustenis et al. 2019). No estamos seguros de qué causaría tal calentamiento transitorio en el polo sur a finales del otoño, pero un posible mecanismo es la liberación de calor latente como resultado de la condensación de etano cerca de la superficie. Este proceso no está incluido en los modelos. Es natural suponer que el efecto estaba relacionado con la estructura atmosférica dinámica que se desarrolló en el polo sur a mediados y finales del otoño (Achterberg et al. 2014; Jennings et al. 2015; West et al. 2016; Coustenis et al. 2019). En ese momento, la rama descendente de la circulación meridional global se estaba formando en el polo sur. El flujo descendente fuerte y frío obligó a los gases traza a acumularse y condensarse en la estratosfera fría (Bampasidis et al. 2012; Teanby et al. 2012, 2017; Coustenis et al. 2013, 2016, 2018; Vinatier et al. 2015, 2018; Sylvestre et al. 2018). En particular, las partículas sólidas de etano descendieron en la troposfera más cálida y se re-evaporaron, acumulando abundancia en el polo. A medida que el enfriamiento profundo comenzó a finales del otoño, el etano se recondensó cerca de la superficie (Rannou et al. 2006), tal vez como niebla o niebla. La liberación de calor latente calentó temporalmente la superficie. Finalmente, este efecto fue superado por el enfriamiento invernal. No podemos estar seguros de que la condensación de etano cerca de la superficie sea suficiente para causar el calentamiento observado. En comparación con el metano, que se incluye en el modelo de Tokano (2019), la tasa de condensación de etano es 1000 veces menor (Rannou et al. 2006; Anderson et al. 2014). Por otro lado, la condensación de metano también puede haber jugado un papel en la liberación de calor latente. La condensación de metano cerca del polo sur puede no haber sido completamente modelada para el momento del fuerte vórtice polar a finales del otoño. Una explicación alternativa para el aparente calentamiento en el extremo sur es que la opacidad de la estratosfera más cálida puede haber aumentado durante 2015-16, produciendo un error en la corrección atmosférica. Entre 2013 y 2017, la temperatura a 0,5–5 mbar en latitudes altas del sur bajó a un nivel bajo y luego se recuperó (Coustenis et al. 2019). Cualquier condensación mejorada durante ese tiempo habría aumentado brevemente la opacidad y causado que la estratosfera caliente contribuyera a una luminosidad adicional, más allá de la del modelo de corrección atmosférica.

Al igual que en nuestros informes anteriores, intentamos caracterizar la distribución y la evolución estacional de las temperaturas superficiales de Titán creando una descripción analítica de las mediciones. Presentamos esto como una fórmula que resume la dependencia latitudinal de las temperaturas superficiales en función del tiempo:

Aquí T (L,Y) es la temperatura de brillo de la superficie, L es la latitud, e Y es el tiempo en años medido desde el equinoccio de Titán (11 de agosto de 2009 → 2009.61). Este modelo analítico solo es válido en el intervalo de datos, es decir, para L = -90 a +90 e Y = -4,9 a 8,1 (octubre de 2004 a septiembre de 2017). La fórmula se derivó ajustando primero las observaciones en cada uno de los siete períodos de la Figura 1 a un coseno separado. El ajuste se realizó ajustando la amplitud, la fase y el ancho de cada coseno para minimizar la desviación estándar. Estos parámetros corresponden, respectivamente, a la temperatura máxima, el desplazamiento del pico desde el ecuador y la caída hacia los polos. Al examinar las siete curvas, determinamos que los tres parámetros habían variado sistemáticamente durante las estaciones. Realizamos un ajuste lineal (a+bY) a los siete valores de cada parámetro y usamos los seis coeficientes resultantes para crear la fórmula (1). Encontramos que esta expresión analítica es una buena representación de las temperaturas superficiales medidas por CIRS durante la misión Cassini. Su desviación estándar con respecto a todo el conjunto de datos es de 0,4 K. El peor ajuste fue para 2010-12 ( Ls = 26°), que tuvo una desviación estándar de 0,7 K. Observamos que este fue el momento, unos dos años después del equinoccio, en que se estaban produciendo cambios dramáticos a nivel mundial en la atmósfera (véase, por ejemplo, Teanby et al. 2012).

La fórmula (1) resume las tendencias estacionales en las temperaturas superficiales. El desplazamiento hacia el norte de la temperatura máxima que hemos reportado anteriormente (Jennings et al. 2011, 2016) continuó hasta finales de la primavera del norte hasta el solsticio. La latitud de temperatura máxima (centro de simetría norte–sur) siguió de cerca el punto subsolar de 13 S en 2005 a 24 N en 2017. Encontramos un desplazamiento de fase distinto de cero que corresponde a un pequeño retraso estacional en el equinoccio, aproximadamente 0,1 meses Titánicos. La figura 1 muestra que un pequeño retraso es consistente con el caso de MCG no uniforme, aunque no está tan claro que haya un retraso en el caso uniforme (consulte también Tokano 2019, Figura 3). Nuestro retraso estacional coincide con el reportado por Janssen et al. (2016) y también está en línea con las observaciones del IRIS del Voyager 1 cerca del equinoccio anterior en noviembre de 1980 (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). Un pequeño retraso es consistente con la baja inercia térmica requerida de la superficie para las variaciones diurnas (Cottini et al. 2012). Nuestra temperatura ecuatorial de 93,5 ± 0,4 K en el equinoccio (Ls = 0°) coincide con la medición del IRIS del Voyager, 93 ± 1 K (Courtin & Kim 2002). De principios a finales de la misión, la amplitud máxima del coseno se redujo en aproximadamente 1 K, de 93,9 a 92,8 K. El ancho dependiente del tiempo en la fórmula (1) significa un «aplanamiento» de la distribución de la temperatura a medida que el pico se movía hacia el norte, es decir, una caída más gradual hacia los polos. Un examen de las mediciones y de los cosenos ajustados sugiere que, aunque la temperatura máxima disminuyó, el promedio de las temperaturas de los polos norte y sur en cada período se mantuvo aproximadamente igual a lo largo de los siete períodos.

Nuestra fórmula se puede utilizar para inspeccionar el cambio de temperatura de la superficie en cualquier latitud en particular durante la misión de dos estaciones. Por ejemplo, en el sitio de aterrizaje de Huygens, a 10 S, la temperatura osciló entre 93,9 y 92,5 K entre 2005 y 2017. Debido a que la temperatura máxima disminuyó a medida que se desplazaba hacia el norte, la variación de temperatura semestral dependía en gran medida de la latitud. La variación de temperatura fue mayor a 40 S (93.6-91.7 K), donde la superficie estaba relativamente seca, y fue menor a 40 N (92.6–92.7 K), donde las temperaturas de la superficie fueron moderadas por el norte más húmedo (Lora et al. 2015; Tokano 2019). Los cambios en la condensación de la superficie deben ser mucho menores en latitudes medias-septentrionales que en latitudes medias-meridionales. A 40 S entre el invierno y el verano, las presiones de vapor habrían aumentado en un factor de 1,26 para el metano y 1,61 para el etano, mientras que a 40 N habrían variado solo en factores de 1,01 y 1,03. Cualquier migración hacia el norte de volátiles mientras el sur es más cálido no se deshará completamente más adelante en el ciclo anual porque las temperaturas del norte nunca son tan cálidas como en el sur. Los rangos de temperatura en los polos eran prácticamente idénticos: 91,9-89,8 K a 80 S y 89,9-91,9 K a 80 N. Ambos polos, en su punto más frío, alcanzaron los puntos triples para el metano (90,7 K) y el etano (90,3 K). Los polos a veces albergan fases líquidas y sólidas. En general, nuestros resultados indican que el hemisferio norte presenta un entorno superficial más frío y benigno, consistente con la acumulación de volátiles condensados. Observamos que Coustenis et al. (2019) han informado que en 2017, en el sur, cerca del polo, las temperaturas se mantuvieron bajas en la estratosfera a presiones superiores a 0,5 mbar. Al mismo tiempo, la abundancia de gas estratosférico del sur había disminuido notablemente con respecto a lo que había sido en 2014-2015. El otoño tardío puede haber sido un período de mayor condensación en la atmósfera y deposición en la superficie.

Nuestras temperaturas superficiales globales apoyan la imagen de una asimetría hemisférica norte–sur en Titán, con un norte generalmente más frío en la época actual. Nuestro acuerdo con las predicciones de modelos que incluyen la influencia de la hidrología del metano (Tokano 2019) respalda firmemente la conclusión de que el metano líquido, tanto en tierra como en el mar, prevalece más en las superficies septentrionales de Titán que en el sur y modera las temperaturas superficiales en el norte. A diferencia del norte, la mayor parte del hemisferio sur no está húmedo durante todo el año. Esto permite que el sur sea más cálido que el norte y exhiba oscilaciones de temperatura más amplias. Los polos, por otro lado, no comparten la asimetría hemisférica. Las temperaturas mínimas y máximas en los polos norte y sur son bastante similares. Esto implica que los dos polos están húmedos. Como demostró Tokano (2019), la excentricidad orbital por sí sola no es suficiente para causar una fuerte acumulación de metano en el polo norte a expensas del polo sur y la topografía puede jugar un papel importante en la asimetría norte–sur en Titán.