Temperature superficiali Titan durante la missione Cassini

Le nostre temperature superficiali misurate sono presentate in Figura 1. Dalle sette mappe di latitudine alcune caratteristiche stagionali possono essere riconosciute immediatamente. Innanzitutto, le temperature massime nelle vicinanze dell’equatore erano sempre 93-94 K e diminuivano verso i poli di 1-4 K, a seconda della stagione. In secondo luogo, nel corso della missione le latitudini più calde si sono spostate dall’emisfero meridionale a quello settentrionale. Terzo, il nord polare riscaldato di circa 2 K e il sud polare raffreddato di circa 2 K. Queste caratteristiche continuano le tendenze che abbiamo visto nei nostri precedenti set di dati parziali. La nostra misurazione a 10 S nel 2004-06 (Ls = 313°) si confronta bene con la misurazione HASI in superficie, 93,65 ± 0,25 K (Fulchignoni et al. 2005). Le nostre misurazioni concordano anche con le temperature quasi superficiali riportate da Schinder et al. (2012) da Cassini radio occultations.

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Il nostro set di dati ora finalizzato ci consente di eseguire un confronto più completo con i modelli. La figura 1 mostra le previsioni di un recente studio GCM che include il ciclo idrologico del metano ed esamina gli effetti della geografia, sia uniforme che non uniforme (Tokano 2019). La geografia non uniforme incorpora variazioni globali osservate in topografia, albedo, emissività e inerzia termica. Anche mostrato nella figura è il risultato di un precedente GCM (Tokano 2005) che non ha tenuto conto del metano condensato sulla superficie (etichettato “secco”). In rapporti passati (Jennings et al. 2011, 2016) abbiamo confrontato le temperature superficiali CIRS con il precedente caso di studio a secco. Utilizzando i dati fino al 2012 (Ls = 313°-26°) abbiamo scoperto che le osservazioni concordavano approssimativamente con il modello secco se si presumeva che l’inerzia termica superficiale fosse bassa nel sud e alta nel nord (la figura 1 mostra lo scenario di inerzia termica secca e bassa). Tuttavia, a partire dal 2013, nel periodo Ls = 49°, le temperature nel nord hanno deviato significativamente dal modello secco, scendendo al di sotto dell’aumento primaverile previsto di circa 1 K. Sebbene l’eccentricità orbitale di Saturno possa dare origine a estati settentrionali più fresche nell’epoca attuale (Tokano 2019), ciò non può essere la causa del ritardo osservato perché l’eccentricità orbitale è stata inclusa nel modello secco (Tokano 2005). Nel nostro precedente articolo (Jennings et al. 2016) abbiamo suggerito che le temperature più fredde del previsto erano dovute al raffreddamento evaporativo delle superfici bagnate, sia mari che terra, alle latitudini settentrionali durante il riscaldamento primaverile (Lora et al. 2015; Jennings et al. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall et al. (2016) è giunto a una conclusione simile dagli studi del radiometro Cassini da 2,2 cm. La figura dimostra che quando l’idrologia superficiale del metano è inclusa nel GCM (Tokano 2019), viene tenuto conto del comportamento generale osservato delle temperature superficiali e in particolare vengono spiegate le temperature depresse della primavera settentrionale. Tokano (2019) ha riportato questo accordo con i suoi risultati del modello utilizzando i dati CIRS fino a 2014. Come si può vedere nella Figura 1, durante gli ultimi due periodi, Ls = 73 ° e 90°, le previsioni del modello hanno continuato a corrispondere alle misurazioni più fredde nel nord.

Nel complesso, le misurazioni CIRS sono meglio descritte sia dai casi uniformi che da quelli non uniformi che dal caso secco. Ciò implica che l’idrologia superficiale del metano svolge un ruolo cruciale nel determinare le temperature superficiali stagionali. Le differenze tra i due casi di geografia, principalmente guidate dalla topografia, sono più pronunciate nel nord più umido (Tokano 2019). All’inizio della primavera settentrionale (Ls = 26°) le previsioni non uniformi nel nord sono ben al di sotto delle previsioni uniformi. Nella primavera centro-settentrionale (Ls = 49°) le misure superiori a 40 N iniziano a deviare verso il caso non uniforme. Quindi nella tarda primavera settentrionale (Ls = 73°) fino al solstizio (Ls = 90°) la differenza tra i casi uniformi e non uniformi diventa minore. In questi due periodi finali le misurazioni tra l’equatore e 40 N si sono conformate più strettamente al caso non uniforme, mentre alle latitudini polari più alte i dati sono più vicini al caso uniforme. Il calo delle temperature osservate a 0-40 N dopo 2015 potrebbe essere stato causato da eventi pluviometrici come quelli osservati da Turtle et al. (2011). Tali eventi potrebbero essere indicati dai forti picchi verso il basso a 30 N nei casi modello non uniformi per Ls = 26°, 49° e 73°. Il raffreddamento evaporativo a seguito di eventi piovosi potrebbe aver depresso le temperature superficiali a media latitudine alla fine della primavera. Il GCM Tokano (2019) prevede che nell’epoca attuale le temperature massime nel nord non sono mai calde come nel sud. Il sud, in contrasto con il nord, tende ad essere asciutto per la maggior parte dell’anno (Lora & Mitchell 2015; Lora & Ádámkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Pertanto, non c’è molta differenza tra i modelli del sud e le misurazioni non distinguono tra loro. Un’eccezione si verifica nei due primi periodi (Ls = 313° e 335°), dove al polo sud la previsione secca è significativamente più alta rispetto agli altri due casi e anche al di sopra dei dati. Un tuffo nelle temperature al polo potrebbe essere la prova di umidità superficiale permanente lì. Il polo sud dovrebbe trattenere l’umidità in modo più persistente rispetto al resto dell’emisfero australe (Tokano 2019).

Un riscaldamento anomalo si è verificato alle latitudini meridionali nel 2015-16 (Ls = 73°). Le temperature a 50-90S erano significativamente superiori a tutte e tre le previsioni del modello. Apparentemente questo riscaldamento non è avvenuto durante i precedenti periodi 2013-14 (Ls = 49°) o successivi 2017 (Ls = 90°) (Coustenis et al. 2019). Non siamo sicuri di cosa causerebbe un riscaldamento così transitorio nel sud polare nel tardo autunno, ma un possibile meccanismo è il rilascio di calore latente come risultato della condensazione di etano vicino alla superficie. Questo processo non è incluso nei modelli. È naturale supporre che l’effetto fosse correlato alla struttura atmosferica dinamica che si è sviluppata al polo sud a metà-fine autunno (Achterberg et al. 2014; Jennings et al. 2015; West et al. 2016; Coustenis et al. 2019). A quel tempo il ramo discendente della circolazione meridionale globale si stava formando al polo sud. Il forte downwelling freddo ha costretto i gas di traccia ad accumularsi e condensare nella stratosfera fredda (Bampasidis et al. 2012; Teanby et al. 2012, 2017; Coustenis et al. 2013, 2016, 2018; Vinatier et al. 2015, 2018; Sylvestre et al. 2018). In particolare, particelle solide di etano discesero nella troposfera più calda e ri-evaporarono, accumulando abbondanza al polo. Quando il raffreddamento profondo è iniziato nel tardo autunno, l’etano si è ricondensato vicino alla superficie (Rannou et al. 2006), forse come nebbia o nebbia. Il rilascio di calore latente ha temporaneamente riscaldato la superficie. Alla fine questo effetto è stato superato dal raffreddamento invernale. Non possiamo essere sicuri che la condensazione di etano vicino alla superficie sarebbe sufficiente a causare il riscaldamento osservato. Rispetto al metano, che è incluso nel modello di Tokano (2019), il tasso di condensazione dell’etano è 1000 volte più piccolo (Rannou et al. 2006; Anderson et al. 2014). D’altra parte, la condensazione del metano potrebbe anche aver svolto un ruolo nel rilascio di calore latente. La condensazione del metano vicino al polo sud potrebbe non essere stata completamente modellata per il momento del forte vortice polare nel tardo autunno. Una spiegazione alternativa per l’apparente riscaldamento nell’estremo sud è che l’opacità della stratosfera più calda potrebbe essere aumentata durante 2015-16, producendo un errore nella correzione atmosferica. Tra 2013 e 2017 la temperatura a 0.5–5 mbar alle alte latitudini meridionali è scesa a un livello basso e poi si è ripresa (Coustenis et al. 2019). Qualsiasi condensazione migliorata durante quel periodo avrebbe brevemente aumentato l’opacità e fatto sì che la stratosfera calda contribuisse a una maggiore luminosità, oltre a quella nel modello di correzione atmosferica.

Come nei nostri rapporti precedenti, abbiamo tentato di caratterizzare la distribuzione e l’evoluzione stagionale delle temperature superficiali di Titano creando una descrizione analitica delle misurazioni. Lo presentiamo come una formula che riassume la dipendenza latitudinale delle temperature superficiali in funzione del tempo:

Qui T (L, Y) è la temperatura della luminosità della superficie, L è la latitudine e Y è il tempo in anni misurato da Titan equinox (2009 August 11 → 2009.61). Questo modello analitico è valido solo nell’intervallo dei dati, ovvero per L = da -90 a + 90 e Y = da -4,9 a 8,1 (da ottobre 2004 a settembre 2017). La formula è stata derivata adattando le osservazioni in ciascuno dei sette periodi della Figura 1 a un coseno separato. Il montaggio è stato eseguito regolando l’ampiezza, la fase e la larghezza di ciascun coseno per ridurre al minimo la deviazione standard. Questi parametri corrispondono, rispettivamente, alla temperatura di picco, allo spostamento del picco dall’equatore e al drop-off verso i poli. Dall’esame delle sette curve abbiamo determinato che tutti e tre i parametri erano variati sistematicamente durante le stagioni. Abbiamo eseguito un adattamento lineare (a + bY) ai sette valori di ciascun parametro e utilizzato i sei coefficienti risultanti per creare la formula (1). Abbiamo scoperto che questa espressione analitica è una buona rappresentazione delle temperature superficiali misurate dai CIRS durante la missione Cassini. La sua deviazione standard dall’intero set di dati è 0,4 K. L’adattamento peggiore è stato per il 2010-12 (Ls = 26°), che aveva una deviazione standard di 0,7 K. Notiamo che questo era il momento, circa due anni dopo l’equinozio, in cui si verificavano cambiamenti drammatici a livello globale nell’atmosfera (vedi, ad esempio, Teanby et al. 2012).

La formula (1) riassume l’andamento stagionale delle temperature superficiali. Lo spostamento verso nord della temperatura di picco che abbiamo riportato in precedenza (Jennings et al. 2011, 2016) ha continuato fino alla tarda primavera del nord fino al solstizio. La latitudine della temperatura massima (centro della simmetria nord–sud) ha seguito da vicino il punto subsolare da 13 S nel 2005 a 24 N nel 2017. Troviamo un offset di fase diverso da zero che corrisponde a un piccolo ritardo stagionale all’equinozio, circa 0,1 mesi di Titano. La figura 1 mostra che un piccolo ritardo è coerente con il caso GCM non uniforme, sebbene non sia altrettanto chiaro che vi sia un ritardo nel caso uniforme (vedi anche Tokano 2019, Figura 3). Il nostro ritardo stagionale concorda con quello riportato da Janssen et al. (2016) ed è anche in linea con le osservazioni di Voyager 1 IRIS vicino al precedente equinozio nel novembre 1980 (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). Un piccolo ritardo è coerente con la bassa inerzia termica richiesta alla superficie per le variazioni diurne (Cottini et al. 2012). La nostra temperatura equatoriale di 93,5 ± 0,4 K all’equinozio (Ls = 0°) concorda con la misurazione dell’IRIDE Voyager, 93 ± 1 K (Courtin & Kim 2002). Dall’inizio alla fine della missione l’ampiezza massima del coseno è scesa di circa 1 K, da 93,9 a 92,8 K. La larghezza dipendente dal tempo nella formula (1) indica un “appiattimento” della distribuzione della temperatura mentre il picco si spostava verso nord, cioè una caduta più graduale verso i poli. Un esame delle misurazioni e dei coseni montati suggerisce che, sebbene la temperatura di picco sia diminuita, la media delle temperature del polo nord e del polo sud in ciascun periodo è rimasta approssimativamente la stessa per tutti e sette i periodi.

La nostra formula può essere utilizzata per ispezionare il cambiamento della temperatura superficiale a qualsiasi latitudine particolare durante la missione di due stagioni. Ad esempio, nel sito di atterraggio di Huygens, 10 S, la temperatura variava da 93,9 a 92,5 K tra il 2005 e il 2017. Poiché la temperatura di picco diminuiva man mano che si spostava verso nord, la variazione di temperatura semestrale dipendeva fortemente dalla latitudine. La variazione di temperatura era maggiore a 40 S (93,6-91,7 K), dove la superficie era relativamente asciutta, ed era più piccola a 40 N (92,6–92,7 K), dove le temperature superficiali erano moderate dal nord più umido (Lora et al. 2015; Tokano 2019). I cambiamenti nella condensazione superficiale devono essere molto meno a metà nord che alle latitudini centro-meridionali. A 40 S tra l’inverno e l’estate, le pressioni di vapore sarebbero aumentate di un fattore di 1,26 per il metano e 1,61 per l’etano mentre a 40 N avrebbero variato solo di fattori di 1,01 e 1,03. Qualsiasi migrazione verso nord di volatili mentre il sud è più caldo non sarà completamente annullata più tardi nel ciclo annuale perché le temperature del nord non diventano mai calde come nel sud. Gli intervalli di temperatura ai poli erano praticamente identici: 91,9-89,8 K a 80 S e 89,9-91,9 K a 80 N. Entrambi i poli, al loro più freddo, hanno raggiunto i punti tripli per il metano (90,7 K) e l’etano (90,3 K). I poli possono talvolta ospitare sia fasi liquide che solide. Nel complesso i nostri risultati indicano che l’emisfero settentrionale presenta un ambiente superficiale più fresco e benigno, coerente con l’accumulo di volatili condensati. Notiamo che Coustenis et al. (2019) hanno riferito che nel 2017, nel sud vicino al polo, le temperature sono rimaste basse nella stratosfera a pressioni superiori a 0,5 mbar. Allo stesso tempo, le abbondanze di gas stratosferici meridionali erano notevolmente diminuite rispetto a quelle del 2014-2015. Il tardo autunno potrebbe essere stato un periodo di maggiore condensazione nell’atmosfera e deposizione sulla superficie.

Le nostre temperature superficiali globali supportano l’immagine di un’asimmetria emisferica nord–sud su Titano, con un nord generalmente più fresco nell’epoca attuale. Il nostro accordo con le previsioni del modello che includono l’influenza dell’idrologia del metano (Tokano 2019) fornisce un forte sostegno alla conclusione che il metano liquido, sulla terra e nei mari, è più prevalente sulle superfici settentrionali di Titano che nel sud e modera le temperature superficiali nel nord. A differenza del nord, la maggior parte dell’emisfero australe non è bagnata tutto l’anno. Ciò consente al sud di essere più caldo del nord e di mostrare oscillazioni di temperatura più ampie. I poli d’altra parte non condividono l’asimmetria emisferica. Le temperature minime e massime ai poli nord e sud sono abbastanza simili. Ciò implica che i due poli sono entrambi umidi. Come dimostrato da Tokano (2019), l’eccentricità orbitale da sola non è sufficiente a causare un forte accumulo di metano al polo nord a spese del polo sud e la topografia può svolgere un ruolo importante nell’asimmetria nord–sud su Titano.