Titanin pintalämpötilat Cassini-operaation aikana

mitatut pintalämpötilamme on esitetty kuvassa 1. Seitsemän leveyspiirin kartoista voidaan tunnistaa heti joitakin vuodenaikojen piirteitä. Ensinnäkin Päiväntasaajan läheisyydessä korkeimmat lämpötilat olivat aina 93-94 K ja laskivat napoja kohti 1-4 K vuodenajasta riippuen. Toiseksi lämpimimmät leveysasteet siirtyivät matkan aikana eteläiseltä pallonpuoliskolta pohjoiselle pallonpuoliskolle. Kolmanneksi Pohjoinen napa lämpeni noin 2 K ja eteläinen napa viileni noin 2 K. Nämä ominaisuudet jatkavat trendejä, joita olemme nähneet aiemmissa, osittaisissa tietokokonaisuuksissamme. Mittauksemme 10 S: n lämpötilassa vuosina 2004-06 (Ls = 313°) vertautuu hyvin Hasi-mittaukseen pinnalla, 93,65 ± 0,25 K (Fulchignoni et al. 2005). Mittauksemme sopivat myös schinderin et al: n raportoimiin pintalämpötiloihin. (2012) Cassini radio occultations.

Loitonna kuvan kokoa

nyt viimeistellyn tietokokonaisuutemme avulla voimme tehdä kattavamman vertailun mallien kanssa. Kuvassa 1 on ennusteita tuoreesta GCM-tutkimuksesta, joka sisältää metaanin hydrologisen kierron ja tutkii maantieteen vaikutuksia sekä yhtenäisenä että epäyhtenäisenä (Tokano 2019). Epäyhtenäinen maantiede sisältää havaitut globaalit vaihtelut topografiassa, albedossa, emissiivisyydessä ja termisessä inertiassa. Kuvassa näkyy myös tulos aiemmasta GCM: stä (Tokano 2005), joka ei ottanut huomioon kondensoitunutta metaania pinnalla (merkitty ”kuivaksi”). Aiemmissa raporteissa (Jennings et al. 2011, 2016) vertailimme CIRS-pintalämpötiloja aiempaan kuiva-tapaustutkimukseen. Käyttämällä vuoteen 2012 ulottuvia tietoja (LS = 313°-26°) havaitsimme, että havainnot sopivat suunnilleen kuivan mallin kanssa, jos pinnan lämpöinertian oletetaan olevan alhainen etelässä ja korkea pohjoisessa (kuvassa 1 on kuiva, Alhainen lämpöinertiaskenaario). Kuitenkin vuodesta 2013 alkaen, kaudella LS = 49°, lämpötilat pohjoisessa poikkesivat merkittävästi kuivasta mallista, alittaen ennustetun kevään nousun noin 1 K. vaikka Saturnuksen kiertoradan eksentrisyyden voidaan odottaa aiheuttavan viileämpiä pohjoisia kesiä nykyisellä kaudella (Tokano 2019), se ei voi olla syy havaittuun viiveeseen, koska kiertoradan eksentrisyys sisällytettiin kuivaan malliin (Tokano 2005). Meidän edellinen paperi (Jennings et al. 2016) esitimme, että odotettua viileämmät lämpötilat johtuivat sekä merien että maan kosteiden pintojen haihtumisjäähdytyksestä pohjoisilla leveysasteilla kevään lämpenemisen aikana (Lora et al. 2015; Jennings et al. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall ym. (2016) tuli samaan johtopäätökseen 2,2 cm Cassini radiometri tutkimukset. Luku osoittaa, että kun metaanin pintahydrologia sisällytetään GCM: ään (Tokano 2019), otetaan huomioon pintalämpötilojen havaittu yleinen käyttäytyminen ja erityisesti pohjoisen keväisten lämpötilojen aleneminen. Tokano (2019) raportoi tämän sopimuksen mallituloksineen käyttäen CIRS-tietoja vuoteen 2014 asti. Kuten kuvasta 1 näkyy, kahden viimeisen jakson aikana, Ls = 73° ja 90°, malliennusteet vastasivat edelleen pohjoisen viileämpiä mittauksia.

kaiken kaikkiaan CIR-mittoja kuvaavat paremmin sekä yhtenäiset että epäyhtenäiset tapaukset kuin kuiva tapaus. Tämä merkitsee sitä, että metaanin pintahydrologialla on ratkaiseva merkitys vuodenaikojen mukaisten pintalämpötilojen määrittämisessä. Pääasiassa topografian ohjaamat erot kahden maantieteellisen tapauksen välillä ovat selvimmät kosteammassa pohjoisessa (Tokano 2019). Varhaiseen pohjoiseen kevääseen (Ls = 26°) mennessä pohjoisen epäyhtenäiset ennusteet ovat selvästi uniformisten ennusteiden alapuolella. Keski-pohjoisessa keväällä (Ls = 49°) yli 40 N: n mittaukset alkavat poiketa kohti epäyhtenäistä tapausta. Sitten myöhäiskeväällä (Ls = 73°) aina päivänseisaukseen (Ls = 90°) ero yhtenäisten ja epäyhtenäisten tapausten välillä pienenee. Näillä kahdella viimeisellä jaksolla päiväntasaajan ja 40 N: n väliset mittaukset noudattivat tarkemmin epäyhtenäistä tapausta, kun taas korkeammilla polaarisilla leveysasteilla tiedot ovat lähempänä yhtenäistä tapausta. Havaittujen lämpötilojen lasku 0-40 N vuoden 2015 jälkeen on saattanut johtua Turtle et al-järjestön näkemien sateiden kaltaisista tapahtumista. (2011). Tällaiset tapahtumat voidaan osoittaa jyrkillä alaspäin osoittavilla piikeillä 30 N: n kohdalla epäyhtenäisen mallin tapauksissa, joissa Ls = 26°, 49° ja 73°. Sadetapahtumien jälkeinen haihtumisjäähdytys saattoi laskea keskileveysasteiden pintalämpötiloja myöhään keväällä. Tokano (2019) GCM ennustaa, että nykykaudella pohjoisen maksimilämpötilat eivät ole koskaan yhtä lämpimiä kuin etelässä. Etelässä, toisin kuin pohjoisessa, on yleensä kuivaa suurimman osan vuodesta (Lora & Mitchell 2015; Lora & Ádámkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Siksi etelän mallien välillä ei ole suurta eroa, eivätkä mittaukset erota toisistaan. Poikkeuksena on kaksi varhaisinta jaksoa (Ls = 313° ja 335°), jolloin etelänavalla kuiva ennuste on huomattavasti korkeampi kuin kahdella muulla tapauksella ja myös yli aineiston. Lämpötilojen notkahdus navalla saattaa olla todiste siellä pysyvästä pinnan kosteudesta. Etelänavan odotetaan säilyttävän kosteutta sitkeämmin kuin muun eteläisen pallonpuoliskon (Tokano 2019).

eteläisillä leveysasteilla tapahtui vuosina 2015-16 poikkeava lämpeneminen (Ls = 73°). Lämpötilat 50-90-luvuilla olivat huomattavasti kaikkien kolmen malliennusteen yläpuolella. Ilmeisesti tämä lämpeneminen ei tapahtunut edellisten 2013-14 (Ls = 49°) tai seuraavien 2017 (LS = 90°) jaksojen aikana (Coustenis et al. 2019). Emme ole varmoja, mikä aiheuttaisi tällaisen ohimenevän lämpenemisen etelän napa-alueella loppusyksystä, mutta yksi mahdollinen mekanismi on latentin lämmön vapautuminen etaanin tiivistymisen seurauksena lähellä pintaa. Tämä prosessi ei sisälly malleihin. On luonnollista olettaa, että vaikutus liittyi dynaamiseen ilmakehän rakenteeseen, joka kehittyi etelänavalla Keski-ja myöhäissyksyllä (Achterberg et al. 2014; Jennings et al. 2015; West et al. 2016; Coustenis ym. 2019). Tuohon aikaan maailmanlaajuisen meridionaalisen kiertokulun laskeva haara oli muodostumassa etelänavalle. Voimakas, kylmä alamäki pakotti jäämäkaasut kerääntymään ja tiivistymään kylmässä stratosfäärissä (Bampasidis et al. 2012; Teanby et al. 2012, 2017; Coustenis et al. 2013, 2016, 2018; Vinatier et al. 2015, 2018; Sylvestre et al. 2018). Erityisesti kiinteät etaanihiukkaset laskeutuivat lämpimämpään troposfääriin ja haihtuivat uudelleen, jolloin ne keräsivät navalle yltäkylläisyyttä. Kun syvä jäähtyminen alkoi loppusyksystä, etaani palautui lähelle pintaa (Rannou et al. 2006), ehkä sumuna tai sumuna. Latentin lämmön vapautuminen lämmitti pintaa tilapäisesti. Lopulta tämä vaikutus voitettiin talven kylmenemisellä. Emme voi olla varmoja, riittääkö lähellä pintaa oleva etaanin tiivistyminen aiheuttamaan havaitun kuumenemisen. Verrattuna metaaniin, joka sisältyy Tokanon malliin (2019), etaanin tiivistymisnopeus on 1000 kertaa pienempi (Rannou ym. 2006; Anderson ym. 2014). Toisaalta myös metaanin tiivistymisellä on saattanut olla osansa latentin lämmön vapauttamisessa. Metaanin tiivistyminen etelänavan lähellä ei ehkä ollut täysin mallikelpoista voimakkaan polaaripyörteen aikaan loppusyksystä. Vaihtoehtoinen selitys kaukana etelässä ilmenevälle lämpenemiselle on se, että lämpimämmän stratosfäärin sameus on saattanut kasvaa vuosien 2015-16 aikana, mikä on aiheuttanut virheen ilmakehän korjauksessa. Vuosina 2013 ja 2017 lämpötila 0,5–5 mbar korkeilla eteläisillä leveysasteilla kastettu alhainen ja sitten talteen (Coustenis et al. 2019). Mikä tahansa tiivistyminen tuona aikana olisi hetkellisesti nostanut sameutta ja saanut lämpimän stratosfäärin antamaan ylimääräistä säteilyä, enemmän kuin ilmakehän korjausmallissa.

kuten aiemmissakin raporteissamme, yritimme kuvata Titanin pintalämpötilojen jakautumista ja vuodenaikaiskehitystä luomalla mittauksista analyyttisen kuvauksen. Esitämme tämän kaavana, joka tiivistää pintalämpötilojen latitudin riippuvuuden ajan funktiona:

tässä T (L, Y) on pinnan kirkkaus lämpötila, l on leveysaste ja Y on aika vuosina mitattuna Titan equinox (2009 elokuu 11 → 2009.61). Tämä analyysimalli on voimassa vain aineistojen vaihteluvälillä, eli L = -90 – +90 ja Y = -4,9-8,1 (2004 lokakuusta 2017 syyskuuhun). Kaava saatiin sovittamalla ensin kunkin kuvan 1 seitsemän jakson havainnot erilliseen kosiniin. Asennus suoritettiin säätämällä kunkin kosinin amplitudia, vaihetta ja leveyttä keskihajonnan minimoimiseksi. Nämä parametrit vastaavat vastaavasti huippulämpötilaa, huipun siirtymistä päiväntasaajalta ja pudotusta napoja kohti. Tarkastelemalla seitsemän käyrää olemme määrittäneet, että kaikki kolme muuttujaa oli vaihdellut järjestelmällisesti vuodenaikojen aikana. Olemme suorittaneet lineaarinen fit (a+) seitsemän arvot kunkin parametrin ja käytetään tuloksena kuusi kertoimia luoda kaava (1). Huomasimme, että tämä analyyttinen ilmaisu on hyvä esitys pintalämpötiloista, joita mitataan CIRS yli Cassini mission. Sen keskihajonta koko aineistosta on 0,4 K. Pahin fit oli 2010-12 (LS = 26°), jonka keskihajonta oli 0,7 K. toteamme, että tämä oli aika, noin kaksi vuotta päiväntasauksen jälkeen, kun dramaattisia muutoksia tapahtui maailmanlaajuisesti ilmakehässä (KS.esimerkiksi Teanby et al. 2012).

Kaava (1)tiivistää pintalämpötilojen vuodenaikaisvaihtelut. Pohjoiseen siirtyminen huippu lämpötila, että olemme aiemmin raportoineet (Jennings et al. 2011, 2016) jatkui myöhäisen pohjoisen kevään läpi päivänseisaukseen. Maksimilämpötilan leveysaste (Pohjois-Etelä-symmetrian keskipiste) seurasi tarkasti subsolaarista pistettä 13 S: stä vuonna 2005 24 N: ään vuonna 2017. Löydämme nollasta poikkeavan vaiheen, joka vastaa pientä kausittaista viivettä tasaushetkellä, noin 0,1 Titan-kuukautta. Kuviosta 1 käy ilmi, että pieni viive on yhdenmukainen epäyhtenäisen GCM: n tapauksen kanssa, vaikka ei ole yhtä selvää, että yhtenäisessä tapauksessa olisi viive (KS.myös Tokano 2019, kuva 3). Meidän kausiluonteinen viive on samaa mieltä, että raportoitu Janssen et al. (2016) ja on myös linjassa Voyager 1 Iriksen havaintojen kanssa edellisen päiväntasauksen lähellä 1980 marraskuussa (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). Pieni viive vastaa alhaista lämpöinertiaa, jota pinnalta vaaditaan vuorokausivaihteluissa (Cottini et al. 2012). Päiväntasaajan lämpötilamme 93,5 ± 0,4 K tasauspäivänä (LS = 0°) on yhtäpitävä Voyagerin IRIS-mittauksen kanssa, 93 ± 1 K (Courtin & Kim 2002). Kosinin maksimiamplitudi putosi lennon alusta loppuun noin 1 K, 93,9: stä 92,8 K: een. Ajasta riippuva leveys formula_1 merkitsee lämpötilajakauman ”litistymistä” huipun siirtyessä pohjoiseen eli asteittaisempaa putoamista kohti napoja. Mittausten ja sovitettujen kosinien tarkastelu osoittaa, että vaikka huippulämpötila laski, pohjois-ja etelänavan keskilämpötilat pysyivät kunkin jakson aikana suunnilleen samoina kaikkien seitsemän jakson ajan.

kaavallamme voidaan tutkia pintalämpötilan muutosta millä tahansa tietyllä leveysasteella kahden kauden aikana. Esimerkiksi Huygensin laskeutumispaikalla 10 S lämpötila vaihteli välillä 93,9 – 92,5 K vuosina 2005-2017. Koska huippulämpötila laski siirtyessään kohti pohjoista, puolivuosittainen lämpötilanvaihtelu riippui voimakkaasti leveysasteesta. Lämpötilan vaihtelu oli suurinta 40 S (93,6–91,7 K), jossa pinta oli suhteellisen kuiva, ja pienintä oli 40 N (92,6–92,7 K), jossa pintalämpötiloja hillitsi kosteampi Pohjoinen (Lora et al. 2015; Tokano 2019). Pinnan tiivistymisen muutokset lienevät huomattavasti vähäisempiä pohjoisen keskivaiheilla kuin eteläisten leveysasteiden keskivaiheilla. 40 S talven ja kesän välillä höyrynpaineet olisivat lisääntyneet 1,26 metaanin ja 1,61 etaanin osalta, kun taas 40 N: n kohdalla ne olisivat vaihdelleet vain kertoimilla 1,01 ja 1,03. Haihtuvien aineiden muutto pohjoiseen, kun etelässä on lämpimämpää, ei katoa kokonaan myöhemmin vuotuisessa syklissä, koska pohjoiset lämpötilat eivät koskaan lämpene yhtä paljon kuin etelässä. Lämpötila-alueet navoilla olivat lähes identtiset: 91,9-89,8 K 80 S ja 89,9-91,9 K 80 N. molemmat navat saavuttivat kylmimmillään metaanin (90,7 K) ja etaanin (90,3 K) kolmoispisteet. Navat saattavat toisinaan sisältää sekä nestemäisiä että kiinteitä faaseja. Kaiken kaikkiaan tuloksemme osoittavat, että pohjoisella pallonpuoliskolla on viileämpi, hyväntahtoisempi pintaympäristö, joka sopii yhteen tiivistyneiden haihtuvien aineiden kertymisen kanssa. Toteamme, että Coustenis et al. (2019) ovat raportoineet, että vuonna 2017 etelässä lähellä napaa lämpötila pysyi matalana stratosfäärissä yli 0,5 mbarin paineessa. Samaan aikaan eteläisen stratosfäärin kaasupitoisuudet olivat selvästi vähentyneet siitä, mitä ne olivat olleet vuosina 2014-2015. Myöhäissyksy saattoi olla ajanjakso, jolloin ilmakehässä tiivistyi ja maan pinnalla tapahtui laskeumaa.

maapallon pintalämpötilat tukevat kuvaa pohjoisen ja eteläisen pallonpuoliskon välisestä epäsymmetrisyydestä Titanilla, jonka pohjoinen on nykyisin yleisesti viileämpää. Sopimuksemme malliennusteiden kanssa, jotka sisältävät metaanihydrologian vaikutuksen (Tokano 2019), tukee vahvasti sitä johtopäätöstä, että nestemäinen metaani, sekä maalla että merissä, on yleisempää Titanin pohjoisilla pinnoilla kuin etelässä ja maltillistaa pintalämpötiloja pohjoisessa. Toisin kuin pohjoisessa, suurin osa eteläisestä pallonpuoliskosta ei ole märkää ympäri vuoden. Tällöin Etelä on pohjoista lämpimämpi ja lämpötila vaihtelee laajemmin. Navat sen sijaan eivät jaa puolipallon epäsymmetrisyyttä. Pohjois-ja etelänavalla minimi-ja maksimilämpötilat ovat melko samanlaisia. Tämä viittaa siihen, että molemmat navat ovat kosteita. Kuten tokano (2019) osoittaa, kiertoradan eksentrisyys ei yksin riitä aiheuttamaan voimakasta kasautumista metaania pohjoisnavalla kustannuksella etelänavan ja topografia voi olla tärkeä rooli pohjois–etelä epäsymmetria Titan.