Températures de Surface de Titan pendant la Mission Cassini

Nos températures de surface mesurées sont présentées dans la Figure 1. À partir des sept cartes de latitude, certaines caractéristiques saisonnières peuvent être immédiatement reconnues. Premièrement, les températures maximales au voisinage de l’équateur étaient toujours de 93-94 K et diminuaient vers les pôles de 1-4 K, selon la saison. Deuxièmement, au cours de la mission, les latitudes les plus chaudes se sont déplacées de l’hémisphère sud vers l’hémisphère nord. Troisièmement, le nord polaire s’est réchauffé d’environ 2 K et le sud polaire s’est refroidi d’environ 2 K. Ces caractéristiques poursuivent les tendances que nous avons observées dans nos ensembles de données partiels antérieurs. Notre mesure à 10 S en 2004-2006 (Ls = 313°) se compare bien à la mesure de HASI à la surface, 93,65 ± 0,25 K (Fulchignoni et al. 2005). Nos mesures concordent également avec les températures proches de la surface rapportées par Schinder et al. (2012) d’après les occultations radio de Cassini.

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Notre ensemble de données maintenant finalisé nous permet d’effectuer une comparaison plus complète avec les modèles. La figure 1 montre les prédictions d’une étude récente du GCM qui inclut le cycle hydrologique du méthane et examine les effets de la géographie, uniforme et non uniforme (Tokano 2019). La géographie non uniforme intègre les variations globales observées de la topographie, de l’albédo, de l’émissivité et de l’inertie thermique. La figure montre également le résultat d’un GCM antérieur (Tokano 2005) qui ne tenait pas compte du méthane condensé à la surface (étiqueté « sec »). Dans des rapports antérieurs (Jennings et coll. 2011, 2016) nous avons comparé les températures de surface du CIRS avec l’étude de cas sèche précédente. En utilisant des données jusqu’en 2012 (Ls = 313 ° -26 °), nous avons constaté que les observations concordaient approximativement avec le modèle sec si l’on supposait que l’inertie thermique de surface était faible au sud et élevée au nord (la figure 1 montre le scénario d’inertie thermique sèche et faible). Cependant, à partir de 2013, au cours de la période Ls = 49 °, les températures dans le nord se sont considérablement écartées du modèle sec, tombant en dessous de l’augmentation printanière prévue d’environ 1 K. Bien que l’excentricité orbitale de Saturne puisse donner lieu à des étés nordiques plus frais à l’époque actuelle (Tokano 2019), cela ne peut pas être la cause du retard observé car l’excentricité orbitale a été incluse dans le modèle sec (Tokano 2005). Dans notre article précédent (Jennings et al. 2016), nous avons suggéré que les températures plus fraîches que prévu étaient dues au refroidissement par évaporation des surfaces humides, à la fois marines et terrestres, aux latitudes septentrionales pendant le réchauffement printanier (Lora et al. 2015; Jennings et coll. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall et coll. (2016) sont parvenus à une conclusion similaire à partir d’études au radiomètre Cassini de 2,2 cm. La figure montre que lorsque l’hydrologie de surface du méthane est incluse dans le GCM (Tokano 2019), le comportement global observé des températures de surface est pris en compte et en particulier les températures printanières nordiques déprimées sont expliquées. Tokano (2019) a rapporté cet accord avec les résultats de son modèle en utilisant les données du CIRS jusqu’en 2014. Comme on peut le voir sur la figure 1, pendant les deux dernières périodes, Ls = 73° et 90°, les prévisions du modèle ont continué de correspondre aux mesures plus froides dans le nord.

Dans l’ensemble, les mesures CIRS sont mieux décrites à la fois par les cas uniformes et non uniformes que par le cas sec. Cela implique que l’hydrologie de surface du méthane joue un rôle crucial dans l’évolution des températures de surface saisonnières. Les différences entre les deux cas géographiques, principalement attribuables à la topographie, sont plus prononcées dans le nord plus humide (Tokano 2019). Au début du printemps nordique (Ls = 26°), les prédictions non uniformes dans le nord sont bien inférieures aux prédictions uniformes. Au printemps au milieu du nord (Ls = 49°), les mesures au-dessus de 40 N commencent à dévier vers le cas non uniforme. Puis à la fin du printemps nordique (Ls = 73 °) jusqu’au solstice (Ls = 90 °), la différence entre les cas uniformes et non uniformes diminue. Dans ces deux dernières périodes, les mesures entre l’équateur et 40 N se conformaient plus étroitement au cas non uniforme, tandis qu’aux latitudes polaires supérieures, les données sont plus proches du cas uniforme. La baisse des températures observées à 0-40 N après 2015 pourrait avoir été causée par des événements pluvieux comme ceux observés par Turtle et al. (2011). De tels événements peuvent être indiqués par les fortes pointes vers le bas à 30 N dans les cas de modèles non uniformes pour Ls = 26°, 49° et 73°. Le refroidissement par évaporation à la suite d’événements pluvieux pourrait avoir réduit les températures de surface des latitudes moyennes à la fin du printemps. Le GCM de Tokano (2019) prédit qu’à l’époque actuelle, les températures maximales dans le nord ne sont jamais aussi chaudes que dans le sud. Le sud, contrairement au nord, a tendance à être sec la majeure partie de l’année (Lora & Mitchell 2015; Lora & Ádámkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Par conséquent, il n’y a pas beaucoup de différence entre les modèles du sud et les mesures ne les distinguent pas. Une exception se produit dans les deux premières périodes (Ls = 313 ° et 335 °), où au pôle sud, la prévision sèche est significativement plus élevée que les deux autres cas et également au-dessus des données. Une baisse des températures au pôle pourrait être la preuve d’une humidité permanente de la surface à cet endroit. Le pôle sud devrait retenir l’humidité de manière plus persistante que le reste de l’hémisphère sud (Tokano 2019).

Un réchauffement anormal s’est produit aux latitudes méridionales en 2015-2016 (Ls = 73°). Les températures aux années 50-90 étaient nettement supérieures aux trois prédictions du modèle. Apparemment, ce réchauffement ne s’est pas produit au cours des périodes précédentes 2013-14 (Ls = 49 °) ou suivantes 2017 (Ls = 90 °) (Coustenis et al. 2019). Nous ne sommes pas certains de ce qui provoquerait un tel réchauffement transitoire dans le sud polaire à la fin de l’automne, mais un mécanisme possible est la libération de chaleur latente résultant de la condensation de l’éthane près de la surface. Ce processus n’est pas inclus dans les modèles. Il est naturel de supposer que l’effet était lié à la structure atmosphérique dynamique qui s’est développée au pôle sud entre le milieu et la fin de l’automne (Achterberg et al. 2014; Jennings et coll. 2015; West et coll. 2016; Coustenis et coll. 2019). À cette époque, la branche descendante de la circulation méridionale mondiale se formait au pôle sud. Une forte descente d’eau froide a forcé les gaz à l’état de traces à s’accumuler et à se condenser dans la stratosphère froide (Bampasidis et al. 2012; Teanby et coll. 2012, 2017; Coustenis et coll. 2013, 2016, 2018; Vinatier et coll. 2015, 2018; Sylvestre et coll. 2018). En particulier, des particules solides d’éthane sont descendues dans la troposphère plus chaude et se sont ré-évaporées, accumulant une abondance au pôle. Lorsque le refroidissement profond a commencé à la fin de l’automne, l’éthane s’est condensé près de la surface (Rannou et al. 2006), peut-être sous forme de brume ou de brouillard. La libération de chaleur latente a temporairement réchauffé la surface. Finalement, cet effet a été surmonté par le refroidissement hivernal. Nous ne pouvons pas être sûrs que la condensation près de la surface de l’éthane serait suffisante pour provoquer le chauffage observé. Comparé au méthane, qui est inclus dans le modèle de Tokano (2019), le taux de condensation de l’éthane est 1000 fois plus faible (Rannou et al. 2006; Anderson et coll. 2014). D’autre part, la condensation du méthane peut également avoir joué un rôle dans la libération de chaleur latente. La condensation du méthane près du pôle sud n’a peut-être pas été entièrement modélisée pendant le fort vortex polaire à la fin de l’automne. Une autre explication du réchauffement apparent dans l’extrême sud est que l’opacité de la stratosphère plus chaude pourrait avoir augmenté au cours de 2015-16, produisant une erreur dans la correction atmosphérique. Entre 2013 et 2017, la température à 0,5-5 mbar aux hautes latitudes méridionales a chuté à un niveau bas puis s’est rétablie (Coustenis et al. 2019). Toute condensation accrue pendant cette période aurait brièvement augmenté l’opacité et amené la stratosphère chaude à apporter un éclat supplémentaire, au-delà de celui du modèle de correction atmosphérique.

Comme dans nos précédents rapports, nous avons tenté de caractériser la distribution et l’évolution saisonnière des températures de surface de Titan en créant une description analytique des mesures. Nous présentons ceci comme une formule qui résume la dépendance latitudinale des températures de surface en fonction du temps:

Ici, T (L, Y) est la température de luminosité de la surface, L est la latitude et Y est le temps en années mesuré à partir de l’équinoxe de Titan (11 août 2009 → 2009.61). Ce modèle analytique n’est valable que sur la plage des données, c’est-à-dire pour L = -90 à +90 et Y = -4,9 à 8,1 (octobre 2004 à septembre 2017). La formule a été obtenue en ajustant d’abord les observations de chacune des sept périodes de la figure 1 à un cosinus distinct. L’ajustement a été effectué en ajustant l’amplitude, la phase et la largeur de chaque cosinus pour minimiser l’écart-type. Ces paramètres correspondent respectivement à la température maximale, au déplacement du pic depuis l’équateur et à la chute vers les pôles. En examinant les sept courbes, nous avons déterminé que les trois paramètres avaient varié systématiquement au cours des saisons. Nous avons effectué un ajustement linéaire (a + bY) aux sept valeurs de chaque paramètre et utilisé les six coefficients résultants pour créer la formule (1). Nous avons constaté que cette expression analytique est une bonne représentation des températures de surface mesurées par le CIRS sur la mission Cassini. Son écart type par rapport à l’ensemble des données est de 0,4 K. Le pire ajustement a été pour 2010-12 (Ls = 26 °), qui avait un écart-type de 0,7 K. Nous notons que c’était le moment, environ deux ans après l’équinoxe, où des changements spectaculaires se produisaient globalement dans l’atmosphère (voir, par exemple, Teanby et al. 2012).

La formule (1) résume les tendances saisonnières des températures de surface. Le déplacement vers le nord de la température maximale que nous avons précédemment signalé (Jennings et al. 2011, 2016) s’est poursuivie jusqu’à la fin du printemps nordique jusqu’au solstice. La latitude de température maximale (centre de symétrie nord–sud) a suivi de près le point subsolaire de 13 S en 2005 à 24 N en 2017. On trouve un déphasage non nul qui correspond à un petit décalage saisonnier à l’équinoxe, environ 0,1 mois Titan. La figure 1 montre qu’un léger décalage correspond au cas de GCM non uniforme, bien qu’il ne soit pas aussi clair qu’il y ait un décalage dans le cas uniforme (voir également Tokano 2019, Figure 3). Notre décalage saisonnier est en accord avec celui rapporté par Janssen et al. (2016) et est également conforme aux observations de Voyager 1 IRIS près de l’équinoxe précédent en novembre 1980 (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). Un faible décalage est compatible avec la faible inertie thermique requise de la surface pour les variations diurnes (Cottini et al. 2012). Notre température équatoriale de 93,5 ± 0,4 K à l’équinoxe (Ls = 0°) correspond à la mesure de l’IRIS Voyager, 93 ± 1 K (Courtin & Kim 2002). Du début à la fin de la mission, l’amplitude maximale du cosinus a chuté d’environ 1 K, passant de 93,9 à 92,8 K. La largeur dépendante du temps dans la formule (1) signifie un « aplatissement » de la distribution de la température lorsque le pic se déplace vers le nord, c’est-à-dire une chute plus progressive vers les pôles. Un examen des mesures et des cosinus ajustés suggère que, bien que la température maximale ait diminué, la moyenne des températures des pôles nord et sud pour chaque période est restée à peu près la même pendant toutes les sept périodes.

Notre formule peut être utilisée pour inspecter le changement de température de surface à n’importe quelle latitude particulière au cours de la mission de deux saisons. Par exemple, sur le site d’atterrissage de Huygens, 10 S, la température variait de 93,9 à 92,5 K entre 2005 et 2017. Comme la température maximale diminuait lorsqu’elle se déplaçait vers le nord, la variation semestrielle de la température dépendait fortement de la latitude. La variation de température était la plus élevée à 40 S (93,6–91,7 K), où la surface était relativement sèche, et la plus faible à 40 N (92,6–92,7 K), où les températures de surface étaient modérées par le nord plus humide (Lora et al. 2015; Tokano 2019). Les changements dans la condensation de surface doivent être beaucoup moins importants au milieu du nord qu’aux latitudes moyennes du sud. À 40 S entre l’hiver et l’été, les pressions de vapeur auraient augmenté d’un facteur de 1,26 pour le méthane et de 1,61 pour l’éthane alors qu’à 40 N, elles n’auraient varié que de facteurs de 1,01 et 1,03. Toute migration vers le nord de volatiles alors que le sud est plus chaud ne sera pas complètement annulée plus tard dans le cycle annuel car les températures du nord ne deviennent jamais aussi chaudes que dans le sud. Les plages de température aux pôles étaient pratiquement identiques: 91,9-89,8 K à 80 S et 89,9-91,9 K à 80 N. Les deux pôles, au plus froid, atteignaient les points triples pour le méthane (90,7 K) et l’éthane (90,3 K). Les pôles peuvent parfois abriter à la fois des phases liquides et solides. Dans l’ensemble, nos résultats indiquent que l’hémisphère nord présente un environnement de surface plus frais et plus bénin, compatible avec l’accumulation de substances volatiles condensées. Nous notons que Coustenis et coll. (2019) ont signalé qu’en 2017, dans le sud près du pôle, les températures sont restées basses dans la stratosphère à des pressions supérieures à 0,5 mbar. Dans le même temps, les abondances de gaz stratosphériques méridionaux avaient nettement diminué par rapport à ce qu’elles avaient été en 2014-2015. La fin de l’automne peut avoir été une période de condensation accrue dans l’atmosphère et de dépôts à la surface.

Nos températures de surface globales soutiennent l’image d’une asymétrie hémisphérique nord–sud sur Titan, avec un nord généralement plus frais à l’époque actuelle. Notre accord avec les prévisions des modèles qui incluent l’influence de l’hydrologie du méthane (Tokano 2019) appuie fortement la conclusion que le méthane liquide, sur terre comme dans les mers, est plus répandu sur les surfaces nord de Titan que dans le sud et modère les températures de surface dans le nord. Contrairement au nord, la majeure partie de l’hémisphère sud n’est pas humide toute l’année. Cela permet au sud d’être plus chaud que le nord et de présenter des oscillations de température plus larges. Les pôles en revanche ne partagent pas l’asymétrie hémisphérique. Les températures minimales et maximales aux pôles nord et sud sont assez similaires. Cela implique que les deux pôles sont tous les deux humides. Comme l’a démontré Tokano (2019), l’excentricité orbitale seule ne suffit pas à provoquer une forte accumulation de méthane au pôle nord au détriment du pôle sud et la topographie peut jouer un rôle important dans l’asymétrie nord–sud sur Titan.