Titan felszíni hőmérsékletek a Cassini küldetés során

mért felületi hőmérsékleteinket az 1. ábra mutatja be. A hét szélességi térképből néhány szezonális jellemző azonnal felismerhető. Először is, a csúcshőmérséklet az Egyenlítő közelében mindig 93-94 K volt, a pólusok felé pedig 1-4 K-val csökkent, az évszaktól függően. Másodszor, a misszió során a legmelegebb szélességek a déli féltekéről az északi féltekére költöztek. Harmadik, a sarki Észak körülbelül felmelegedett 2 K, a sarki Dél pedig kb 2 K. Ezek a tulajdonságok folytatják azokat a trendeket, amelyeket korábban láthattunk, részleges adatkészletek. A 10 másodperces mérésünk a 2004-06-os időszakban (Ls = 313++) jól hasonlít a hasi-méréshez a felszínen, 93,65 0,25 k (Fulchignoni et al. 2005). Méréseink egyetértenek a felszín közeli hőmérsékletekkel is, amelyeket Schinder et al. (2012) Cassini rádió okkultációk.

Nagyítás Kicsinyítés képméret visszaállítása

most véglegesített adatkészletünk lehetővé teszi számunkra, hogy átfogóbb összehasonlítást hajtsunk végre a modellekkel. Az 1. ábra egy közelmúltbeli GCM-tanulmány előrejelzéseit mutatja be, amely magában foglalja a metán hidrológiai ciklusát, és megvizsgálja a földrajz hatásait, mind egységes, mind nem egységes (Tokano 2019). A nem egységes földrajz magában foglalja a topográfia, az albedó, az emisszió és a termikus tehetetlenség megfigyelt globális változásait. Az ábrán egy korábbi GCM (Tokano 2005) eredménye is látható, amely nem vette figyelembe a felszínen kondenzált metánt (“száraz”felirattal). A korábbi jelentésekben (Jennings et al. 2011, 2016) összehasonlítottuk a CIRS felszíni hőmérsékleteit a korábbi száraz esettanulmánnyal. A 2012-ig terjedő adatokat (Ls = 313 -26!) felhasználva megállapítottuk, hogy a megfigyelések megközelítőleg egyeznek a száraz modellel, ha a felszíni termikus tehetetlenséget délen alacsonynak, északon magasnak feltételeztük (az 1.ábra a száraz, alacsony termikus tehetetlenségi forgatókönyvet mutatja). Azonban 2013-tól kezdődően, az Ls = 49-es időszakban az északi hőmérséklet jelentősen eltért a száraz modelltől, az előrejelzett tavaszi növekedés alá esett körülbelül 1 K. bár a Szaturnusz orbitális excentricitása várhatóan hűvösebb északi nyarakat eredményez a jelen korszakban (Tokano 2019), ez nem lehet a megfigyelt késés oka, mert az orbitális excentricitás bekerült a száraz modellbe (Tokano 2005). Előző cikkünkben (Jennings et al. 2016) azt javasoltuk, hogy a vártnál hűvösebb hőmérsékletek a nedves felületek, mind a tengerek, mind a szárazföldek párolgási hűtésének tudhatók be az északi szélességeken a tavaszi felmelegedés során (Lora et al. 2015; Jennings et al. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall et al. (2016) hasonló következtetésre jutott a 2,2 cm-es Cassini radiométer vizsgálatokból. Az ábra azt mutatja, hogy amikor a metán felszíni hidrológiáját belefoglalják a GCM-be (Tokano 2019), akkor figyelembe veszik a felszíni hőmérsékletek megfigyelt általános viselkedését, különös tekintettel a nyomott északi tavaszi hőmérsékletekre. Tokano (2019) 2014-ig a CIRS-adatok felhasználásával jelentette be ezt a megállapodást modelleredményeivel. Amint az 1. ábrán látható, az utolsó két periódusban (Ls = 73 és 90) a modell előrejelzései továbbra is megegyeztek az északi hűvösebb mérésekkel.

összességében a CIRS méréseket jobban leírják mind az egységes, mind a nem egységes esetek, mint a száraz eset. Ez azt jelenti, hogy a metán felszíni hidrológiája döntő szerepet játszik a szezonális felszíni hőmérsékletek meghatározásában. A két földrajzi eset közötti különbségek, elsősorban a topográfia miatt, a leghangsúlyosabbak a nedvesebb északon (Tokano 2019). Kora északi tavaszra (Ls = 26!) az Északi nem egységes előrejelzések jóval elmaradnak az egységes előrejelzésektől. Az északi tavasz közepén (Ls = 49) a 40 N feletti mérések elkezdenek eltérni a nem egyenletes ESET felé. Aztán a késő északi tavaszban (ls = 73 fő) egészen a napfordulóig (Ls = 90 fő) az egységes és nem egységes esetek közötti különbség kisebb lesz. Ebben a két végső periódusban az Egyenlítő és a 40 N közötti mérések jobban megfeleltek a nem egyenletes esetnek, míg a magasabb, sarki szélességeken az adatok közelebb vannak az egységes esethez. A megfigyelt hőmérsékletek 0-40 N-nél történő csökkenését 2015 után olyan csapadékesemények okozhatták, mint amilyeneket Turtle et al. (2011). Az ilyen eseményeket jelezhetik a 30 N-nál lévő éles lefelé mutató tüskék a nem egységes modell esetében az Ls = 26, 49 és 73 esetén. A csapadékeseményeket követő párolgási hűtés tavasszal későn nyomhatta le a közepes szélességi felszíni hőmérsékletet. A Tokano (2019) GCM azt jósolja, hogy a jelenlegi korszakban északon a maximális hőmérséklet soha nem olyan meleg, mint délen. A déli, szemben az északi, hajlamos arra, hogy száraz az év nagy részében (Lora & Mitchell 2015; Lora & Kb 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Ezért nincs sok különbség a déli modellek között, és a mérések nem tesznek különbséget közöttük. Kivételt képez ez alól a két legkorábbi időszak (Ls = 313 és 335 fő), ahol a Déli-sarkon a száraz előrejelzés lényegesen magasabb, mint a másik két esetben, és az adatok felett is. A pólus hőmérsékletének csökkenése bizonyíték lehet az állandó felületi nedvességre. A déli pólus várhatóan tartósabban megtartja a nedvességet, mint a déli félteke többi része (Tokano 2019).

anomális felmelegedés történt a déli szélességi fokokon 2015-16-ban (Ls = 73!). Az 50-90–es évek hőmérséklete szignifikánsan meghaladta a modell mindhárom előrejelzését. Nyilvánvaló, hogy ez a felmelegedés nem történt meg az előző 2013-14-es időszakban (Ls = 49 fő) vagy a következő 2017-es időszakban (LS = 90 fő) (Coustenis et al. 2019). Nem vagyunk biztosak abban, hogy mi okozna ilyen átmeneti felmelegedést a Déli sarkvidéken késő ősszel, de az egyik lehetséges mechanizmus a látens hő felszabadulása a felszín közelében lévő etán kondenzáció eredményeként. Ez a folyamat nem szerepel a modellekben. Természetes feltételezni, hogy a hatás összefügg a dinamikus légköri szerkezettel, amely a déli póluson alakult ki közép-késő ősszel (Achterberg et al. 2014; Jennings et al. 2015; West et al. 2016; Coustenis et al. 2019). Abban az időben a globális meridionális keringés csökkenő ága alakult ki a Déli-sarkon. Erős, hideg downwelling kényszerített nyom gázok felhalmozódnak és kondenzálódnak a hideg sztratoszférában (Bampasidis et al. 2012; Teanby et al. 2012, 2017; Coustenis et al. 2013, 2016, 2018; Vinatier et al. 2015, 2018; Sylvestre et al. 2018). Különösen az etán szilárd részecskéi ereszkedtek le a melegebb troposzférába, majd újra elpárologtak, felhalmozva a bőséget a póluson. Mivel a mélyhűtés késő ősszel kezdődött, az etán a felszín közelében regenerálódott (Rannou et al. 2006), talán ködként vagy ködként. A látens hő felszabadulása ideiglenesen felmelegítette a felületet. Végül ezt a hatást a téli hűtés legyőzte. Nem lehetünk biztosak abban, hogy a felszín közeli etán kondenzáció elegendő lenne a megfigyelt melegítéshez. A tokano (2019) modelljében szereplő metánhoz képest az etán kondenzációjának sebessége 1000-szer kisebb (Rannou et al. 2006; Anderson et al. 2014). Másrészt a metán kondenzációja is szerepet játszhatott a látens hő felszabadításában. Lehet, hogy a déli pólus közelében lévő metán kondenzációját nem teljesen modellezték a késő őszi erős sarki örvény idejére. A távoli déli látszólagos felmelegedés alternatív magyarázata az, hogy a melegebb sztratoszféra átlátszatlansága 2015-16 folyamán növekedhetett, ami hibát okozott a légköri korrekcióban. 2013 és 2017 között a magas déli szélességeken a 0,5–5 mbar-os hőmérséklet alacsonyra süllyedt, majd helyreállt (Coustenis et al. 2019). Bármilyen fokozott kondenzáció ez idő alatt rövid időre megnövelte volna az opacitást, és a meleg sztratoszféra extra sugárzást eredményezett volna, túl a légköri korrekciós modellben.

a korábbi jelentéseinkhez hasonlóan a mérések analitikai leírásával próbáltuk jellemezni a titán felszíni hőmérsékletének eloszlását és szezonális alakulását. Ezt olyan képletként mutatjuk be, amely összefoglalja a felületi hőmérsékletek szélességi függését az idő függvényében:

itt T (L, Y) a felületi fényerő hőmérséklete, L a szélesség, Y pedig a Titan napéjegyenlőségtől számított években mért idő (2009.augusztus 11., 2009.61.). Ez az analitikai modell csak az adatok tartományára érvényes, azaz L = -90 – +90 és Y = -4,9-8,1 (2004.október-2017. szeptember). A képletet úgy származtattuk, hogy először illesztettük a megfigyeléseket az ábrán látható hét periódus mindegyikébe 1 külön koszinuszra. Az illesztést az egyes koszinuszok amplitúdójának, fázisának és szélességének beállításával hajtottuk végre a szórás minimalizálása érdekében. Ezek a paraméterek megfelelnek a csúcshőmérsékletnek, a csúcsnak az egyenlítőtől való eltolódásának, valamint a pólusok felé történő leesésnek. A hét görbe vizsgálatából megállapítottuk, hogy mindhárom paraméter szisztematikusan változott az évszakok során. Lineáris illesztést (a+bY) hajtottunk végre az egyes paraméterek hét értékéhez, és a kapott hat együtthatót használtuk az (1) képlet létrehozásához. Megállapítottuk, hogy ez az analitikai kifejezés jól ábrázolja a CIRS által a Cassini küldetés során mért felszíni hőmérsékleteket. A teljes adathalmaztól való szórása 0,4 K. A legrosszabb illeszkedés 2010-12-re volt (Ls = 26!), amelynek szórása 0,7 K. megjegyezzük, hogy ez volt az az idő, körülbelül két évvel a napéjegyenlőség után, amikor drámai változások történtek globálisan a légkörben (lásd például Teanby et al. 2012).

az (1) képlet összefoglalja a felszíni hőmérséklet szezonális tendenciáit. A csúcshőmérséklet északi irányú eltolódása, amelyről korábban beszámoltunk (Jennings et al. 2011, 2016) késő északi tavasztól a napfordulóig folytatódott. A maximális hőmérséklet szélessége (észak–déli szimmetria középpontja) szorosan nyomon követte a szubszoláris pontot 13 S-tól 2005-ben 24 N-ig 2017-ben. Találunk egy nem nulla fázisú eltolást, amely megfelel az equinox kis szezonális késésének, körülbelül 0, 1 Titan hónapnak. Az 1. ábra azt mutatja, hogy egy kis késés összhangban van a nem egységes GCM-es esettel, bár nem olyan egyértelmű, hogy az egységes esetben késés van (lásd még Tokano 2019, 3.ábra). Szezonális akciócsoportunk egyetért azzal, amelyet Janssen et al. (2016), valamint összhangban van a Voyager 1 IRIS megfigyeléseivel az előző napéjegyenlőség közelében, 1980 novemberében (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). Egy kis késés összhangban van a felület alacsony termikus tehetetlenségével a napi variációkhoz (Cottini et al. 2012). A mi Egyenlítői hőmérsékletünk 93,5 0,4 k napéjegyenlőségnél (Ls = 0 ons) megegyezik a Voyager írisz mérésével, 93 6-1 k (Courtin & Kim 2002). A misszió elejétől a végéig a koszinusz maximális amplitúdója körülbelül 1 K-val csökkent, 93,9-ről 92,8 K-ra. Az (1) képletben az időfüggő szélesség a hőmérséklet-eloszlás “ellapulását” jelenti, amikor a csúcs észak felé halad, vagyis fokozatosabban esik le a pólusok felé. A mérések és az illesztett koszinuszok vizsgálata azt sugallja, hogy bár a csúcshőmérséklet csökkent, az északi és déli pólus hőmérsékletének átlaga minden időszakban megközelítőleg azonos maradt mind a hét időszakban.

képletünk felhasználható a felszíni hőmérséklet változásának ellenőrzésére bármely adott szélességi fokon a két évszakos küldetés során. Például a Huygens leszállóhelyen, 10 S, a hőmérséklet 93,9 és 92,5 K között mozgott 2005 és 2017 között. Mivel a csúcshőmérséklet észak felé tolódva csökkent, a féléves hőmérséklet-változás erősen függött a szélességtől. A hőmérsékletváltozás a legnagyobb volt 40 S-nál (93,6–91,7 K), ahol a felület viszonylag száraz volt, a legkisebb pedig 40 N–nél (92,6-92,7 K), ahol a felszíni hőmérsékletet a nedvesebb Észak mérsékelte (Lora et al. 2015; Tokano 2019). A felszíni páralecsapódás változásának sokkal kisebbnek kell lennie az északi közepén, mint a déli szélesség közepén. A tél és a nyár közötti 40 másodpercnél a gőznyomás a metán esetében 1,26-szorosára, az etán esetében 1,61-szeresére nőtt volna, míg 40 N-nél csak 1,01-es és 1,03-as tényezőkkel változtak volna. Az illékony anyagok északi irányú vándorlása, miközben a déli melegebb, az éves ciklus későbbi szakaszában nem lesz teljesen Visszavonva, mert az északi hőmérséklet soha nem lesz olyan meleg, mint délen. A pólusok hőmérsékleti tartományai gyakorlatilag azonosak voltak: 91,9–89,8 K 80 S-On és 89,9-91,9 K 80 N-on.mindkét pólus a leghidegebbnél elérte a metán (90,7 K) és az etán (90,3 K) hármas pontját. A pólusok időnként mind folyékony, mind szilárd fázisokat hordozhatnak. Összességében eredményeink azt mutatják, hogy az északi félteke hűvösebb, jóindulatúbb felszíni környezetet mutat, összhangban a kondenzált illékony anyagok felhalmozódásával. Megjegyezzük, hogy Coustenis et al. (2019) arról számoltak be, hogy 2017-ben a déli pólus közelében a sztratoszférában a hőmérséklet alacsony maradt 0,5 mbar-nál nagyobb nyomáson. Ugyanakkor a déli sztratoszférikus gázbőség jelentősen csökkent a 2014-2015 közötti időszakhoz képest. Késő ősszel lehetett egy időszak fokozott páralecsapódás a légkörben és a lerakódás a felszínen.

globális felszíni hőmérsékleteink alátámasztják az észak–déli félgömb alakú aszimmetria képét a Titánon, a jelenlegi korszakban általában hűvösebb Északkal. A metán hidrológia hatását magában foglaló modell-előrejelzésekkel (Tokano 2019) kötött megállapodásunk erősen alátámasztja azt a következtetést, hogy a folyékony metán a szárazföldön és a tengerekben is gyakoribb a titán északi felszínén, mint délen, és mérsékli a felszíni hőmérsékletet északon. Északtól eltérően a déli félteke nagy része egész évben nem nedves. Ez lehetővé teszi, hogy a déli melegebb legyen, mint az északi, és szélesebb hőmérsékleti ingadozásokat mutasson. A pólusok viszont nem osztják a félgömb alakú aszimmetriát. Az északi és a déli pólusok minimális és maximális hőmérséklete meglehetősen hasonló. Ez azt jelenti, hogy a két pólus nedves. Amint azt Tokano (2019) bizonyította, az orbitális excentricitás önmagában nem elegendő a metán erős felhalmozódásához az Északi–sarkon a Déli-sark rovására, és a topográfia fontos szerepet játszhat a titán észak-déli aszimmetriájában.