Titan oppervlaktetemperaturen tijdens de Cassini missie

onze gemeten oppervlaktetemperaturen zijn weergegeven in Figuur 1. Uit de zeven breedtegraadkaarten kunnen enkele seizoensgebonden kenmerken onmiddellijk worden herkend. Ten eerste waren de piektemperaturen in de omgeving van de evenaar altijd 93-94 K en daalden naar de polen met 1-4 K, afhankelijk van het seizoen. Ten tweede, in de loop van de missie bewogen de warmste breedtegraden zich van het zuidelijke naar het noordelijke halfrond. Ten derde, het poolnoord verwarmd met ongeveer 2 K en het poolnoord gekoeld met ongeveer 2 K. deze kenmerken blijven trends die we hebben gezien in onze eerdere, gedeeltelijke datasets. Onze meting bij 10 S in 2004-06 (Ls = 313°) is goed te vergelijken met de HASI meting aan het oppervlak, 93,65 ± 0,25 K (Fulchignoni et al. 2005). Onze metingen komen ook overeen met nabij-oppervlaktetemperaturen gerapporteerd door Schinder et al. (2012) van Cassini radio occult.

inzoomen uitzoomen afbeeldingsgrootte herstellen

onze nu gefinaliseerde dataset stelt ons in staat om een uitgebreidere vergelijking met modellen uit te voeren. Figuur 1 toont voorspellingen uit een recente GCM studie die de methaan hydrologische cyclus omvat en onderzoekt de effecten van geografie, zowel uniform als niet-uniform (Tokano 2019). Niet-uniforme geografie omvat waargenomen mondiale variaties in Topografie, albedo, emissiviteit en thermische inertie. Ook in de figuur is het resultaat van een eerdere GCM (Tokano 2005) die geen rekening hield met gecondenseerde methaan op het oppervlak (gelabeld “droog”). In eerdere verslagen (Jennings et al. 2011, 2016) we hebben CIRS oppervlaktetemperaturen vergeleken met de eerdere dry case study. Met behulp van gegevens tot 2012 (Ls = 313°-26°) hebben we vastgesteld dat de waarnemingen ongeveer overeenkwamen met het droge model als de thermische traagheid van het oppervlak werd aangenomen dat laag in het zuiden en hoog in het noorden (figuur 1 toont het droge, lage thermische traagheid scenario). Vanaf 2013, in de Ls = 49° – periode, week de temperatuur in het noorden echter aanzienlijk af van het droge model, waardoor de voorspelde voorjaarsverhoging met ongeveer 1 K. onder de voorspelde voorjaarsverhoging viel.hoewel de excentriciteit van Saturnus in de huidige periode naar verwachting zal leiden tot koelere Noordelijke zomers (Tokano 2019), kan dat niet de oorzaak zijn van de waargenomen vertraging omdat excentriciteit van de baan in het droge model was opgenomen (Tokano 2005). In onze vorige paper (Jennings et al. 2016) we suggereerden dat de koeler dan verwachte temperaturen te wijten waren aan verdampingskoeling van natte oppervlakken, zowel zeeën als land, op noordelijke breedtegraden tijdens de voorjaarsverwarming (Lora et al. 2015; Jennings et al. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall et al. (2016) kwam tot een soortgelijke conclusie uit 2,2 cm Cassini radiometer studies. De figuur toont aan dat wanneer methaan oppervlaktehydrologie wordt opgenomen in de GCM (Tokano 2019), het waargenomen algemene gedrag van de oppervlaktetemperaturen wordt verantwoord en in het bijzonder de depressieve Noordelijke voorjaarstemperaturen worden verklaard. Tokano (2019) meldde deze overeenkomst met zijn modelresultaten aan de hand van CIRS-gegevens tot 2014. Zoals in Figuur 1 te zien is, bleven de modelvoorspellingen gedurende de laatste twee perioden, Ls = 73° en 90°, overeenkomen met de koelere metingen in het noorden.

over het geheel genomen worden de CIRS-metingen beter beschreven door zowel de uniforme als niet-uniforme gevallen dan door de droge gevallen. Dit houdt in dat de hydrologie van het methaanoppervlak een cruciale rol speelt bij het bepalen van de seizoensgebonden oppervlaktetemperaturen. De verschillen tussen de twee geography cases, voornamelijk gedreven door topografie, zijn het meest uitgesproken in het natter noorden (Tokano 2019). In de vroege Noordelijke lente (Ls = 26°) liggen de niet-uniforme voorspellingen in het noorden ver onder de uniforme voorspellingen. In het midden-Noordelijke voorjaar (Ls = 49°) beginnen de metingen boven 40 N af te wijken naar het niet-uniforme geval. Dan in de late Noordelijke lente (Ls = 73°) tot aan de zonnewende (Ls = 90°) wordt het verschil tussen de uniforme en niet-uniforme gevallen kleiner. In deze twee laatste perioden kwamen de metingen tussen de evenaar en 40 N dichter overeen met het niet-uniforme geval, terwijl bij de hogere poolbreedtes de gegevens dichter bij het uniforme geval liggen. De daling van de waargenomen temperaturen op 0-40 N na 2015 kan zijn veroorzaakt door regenval gebeurtenissen zoals die gezien door Turtle et al. (2011). Dergelijke gebeurtenissen kunnen worden aangegeven door de scherpe neerwaartse pieken bij 30 N in de niet-uniforme modelgevallen voor Ls = 26°, 49° en 73°. Verdampingskoeling na regenval kan tot laat in het voorjaar de oppervlaktetemperaturen op de middelste breedtegraad hebben verlaagd. De Tokano (2019) GCM voorspelt dat in het huidige tijdperk de maximumtemperaturen in het noorden nooit zo warm zijn als in het zuiden. Het zuiden, in tegenstelling tot het noorden, is het grootste deel van het jaar droog (Lora & Mitchell 2015; Lora & Ádámkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Daarom is er niet veel verschil tussen de modellen in het zuiden en de metingen maken geen onderscheid tussen hen. Een uitzondering doet zich voor in de twee vroegste perioden (Ls = 313° en 335°), waar op de Zuidpool de droge voorspelling aanzienlijk hoger is dan de andere twee gevallen en ook boven de gegevens. Een temperatuurdaling aan de pool kan een bewijs zijn van permanente natheid aan het oppervlak. De zuidpool zal naar verwachting meer vocht vasthouden dan de rest van het zuidelijk halfrond (Tokano 2019).

een abnormale opwarming deed zich voor op zuidelijke breedtegraden in 2015-16 (Ls = 73°). De temperaturen tussen 50 en 90 waren beduidend hoger dan alle drie de modelvoorspellingen. Blijkbaar heeft deze opwarming niet plaatsgevonden tijdens de vorige periode 2013-2014 (Ls = 49°) of volgende periode 2017 (Ls = 90°) (Coustenis et al. 2019). We weten niet zeker wat zo ‘ n tijdelijke opwarming in het pool zuiden in de late herfst zou veroorzaken, maar een mogelijk mechanisme is het vrijkomen van latente warmte als gevolg van ethaancondensatie nabij het oppervlak. Dit proces is niet opgenomen in de modellen. Het is natuurlijk om aan te nemen dat het effect gerelateerd was aan de dynamische atmosferische structuur die zich ontwikkelde op de Zuidpool midden tot laat in de herfst (Achterberg et al. 2014; Jennings et al. 2015; West et al. 2016; Coustenis et al. 2019). Op dat moment vormde zich de afdalende tak van de mondiale meridionale circulatie op de Zuidpool. Sterke, koude downwelling dwong sporengassen te accumuleren en te condenseren in de koude stratosfeer (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 het bijzonder, vaste deeltjes van ethaan daalde af in de warmere troposfeer en opnieuw verdampt, het opbouwen van overvloed op de pool. Als diepe koeling begon in de late herfst, ethaan opnieuw gecondenseerd in de buurt van het oppervlak (Rannou et al. 2006), misschien als mist of mist. Het vrijkomen van latente warmte tijdelijk verwarmd het oppervlak. Uiteindelijk werd dit effect overwonnen door winterkoeling. We kunnen er niet zeker van zijn dat bijna-oppervlakte ethaancondensatie voldoende zou zijn om de waargenomen verwarming te veroorzaken. Vergeleken met methaan, dat is opgenomen in het model van Tokano (2019), is de snelheid van ethaancondensatie 1000 keer kleiner (Rannou et al. 2006; Anderson et al. 2014). Aan de andere kant kan methaancondensatie ook een rol hebben gespeeld bij het vrijgeven van latente warmte. Methaancondensatie nabij de zuidpool is mogelijk niet volledig gemodelleerd voor de tijd van de sterke poolvortex in de late herfst. Een alternatieve verklaring voor de schijnbare opwarming in het verre zuiden is dat de opaciteit van de warmere stratosfeer kan zijn toegenomen in 2015-16, wat een fout in de atmosferische correctie veroorzaakt. Tussen 2013 en 2017 De temperatuur van 0,5-5 mbar op hoge zuidelijke breedtegraden ondergedompeld tot een lage en vervolgens hersteld (Coustenis et al. 2019). Elke verhoogde condensatie gedurende die tijd zou kort de opaciteit hebben verhoogd en ervoor zorgen dat de warme stratosfeer extra straling toevoegt, verder dan dat in het atmosferische correctiemodel.

net als in onze vorige rapporten probeerden we de verdeling en seizoensgebonden evolutie van Titan ‘ s oppervlaktetemperaturen te karakteriseren door een analytische beschrijving van de metingen te maken. We presenteren dit als een formule die de latitudeafhankelijkheid van oppervlaktetemperaturen samenvat als functie van de tijd:

hier is T (L, Y) De helderheid van het oppervlak temperatuur, L is de breedtegraad, en Y is de tijd in jaren gemeten vanaf Titan equinox (2009 11 augustus → 2009.61). Dit analytische model is alleen geldig over het bereik van de gegevens, dat wil zeggen voor L = -90 tot +90 en Y = -4,9 tot 8,1 (2004 oktober tot 2017 September). De formule werd afgeleid door eerst de waarnemingen in elk van de zeven perioden in Figuur 1 Aan te passen aan een afzonderlijke cosinus. De montage werd uitgevoerd door de amplitude, fase en breedte van elke cosinus aan te passen om de standaardafwijking te minimaliseren. Deze parameters komen overeen met respectievelijk de piektemperatuur, de verschuiving van de piek van de evenaar en de drop-off naar de Polen. Uit onderzoek van de zeven krommen hebben we vastgesteld dat alle drie de parameters systematisch waren gevarieerd tijdens de seizoenen. We voerden een lineaire pasvorm (a + door) uit op de zeven waarden van elke parameter en gebruikten de resulterende zes coëfficiënten om Formule (1) te creëren. We vonden dat deze analytische uitdrukking een goede weergave is van de oppervlaktetemperaturen gemeten door CIRS over de Cassini-missie. De standaardafwijking van de gehele gegevensverzameling is 0,4 K. De slechtste fit was voor 2010-12 (Ls = 26°), die een standaardafwijking van 0,7 K. We merken op dat dit de tijd was, ongeveer twee jaar na equinox, toen er wereldwijd dramatische veranderingen plaatsvonden in de atmosfeer (zie bijvoorbeeld Teanby et al. 2012).

Formule 1 geeft een overzicht van de seizoensgebonden trends in de oppervlaktetemperaturen. De noordwaartse verschuiving van de piektemperatuur die we eerder hebben gemeld (Jennings et al . 2011, 2016) voortgezet door de late Noordelijke lente naar de zonnewende. De breedtegraad van maximumtemperatuur (centrum van Noord–zuidsymmetrie) volgde het subsolaire punt van 13 S in 2005 tot 24 N in 2017. We vinden een niet-nul fase offset die overeenkomt met een kleine seizoensgebonden vertraging op equinox, ongeveer 0,1 Titan maanden. Figuur 1 laat zien dat een kleine lag consistent is met de niet-uniforme GCM-zaak, hoewel het niet zo duidelijk is dat er een lag is in de uniforme zaak (zie ook Tokano 2019, Figuur 3). Onze seizoensvertraging is het eens met die van Janssen et al. (2016) en is ook in lijn met de waarnemingen van Voyager 1 IRIS in de buurt van de vorige equinox in 1980 November (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). Een kleine vertraging komt overeen met de lage thermische traagheid die van het oppervlak nodig is voor dagvariaties (Cottini et al. 2012). Onze equatoriale temperatuur van 93,5 ± 0,4 K bij equinox (Ls = 0°) komt overeen met de Voyager IRIS meting, 93 ± 1 K (Courtin & Kim 2002). Van vroeg tot laat in de missie daalde de maximale amplitude van de cosinus met ongeveer 1 K, van 93,9 naar 92,8 K. De tijdafhankelijke breedte in Formule (1) betekent een “afvlakking” van de temperatuurverdeling als de piek naar het noorden bewoog, d.w.z. een meer geleidelijke daling naar de Polen. Een onderzoek van de metingen en van de gemonteerde cosines wijst erop dat, hoewel de piektemperatuur daalde, het gemiddelde van de Noord-en Zuidpool temperaturen in elke periode ongeveer hetzelfde bleef gedurende alle zeven perioden.

onze formule kan worden gebruikt om de verandering in de oppervlaktetemperatuur op een bepaalde breedtegraad tijdens de twee-season missie te inspecteren. Bijvoorbeeld, op de Huygens landing site, 10 S, De temperatuur varieerde van 93,9 tot 92,5 K tussen 2005 en 2017. Omdat de piektemperatuur daalde toen deze naar het noorden verschoof, was de halfjaarlijkse temperatuurvariatie sterk afhankelijk van de breedtegraad. De temperatuurvariatie was het grootst bij 40 S (93,6–91,7 K), waar het oppervlak relatief droog was, en het kleinst bij 40 N (92,6–92,7 K), waar de oppervlaktetemperaturen werden gematigd door het natter noorden (Lora et al. 2015; Tokano 2019). Veranderingen in oppervlaktecondensatie moeten veel minder zijn op midden-Noordelijke dan op midden-zuidelijke breedtegraden. Bij 40 S tussen winter en zomer zou de dampdruk met een factor 1,26 zijn toegenomen voor methaan en 1,61 voor ethaan, terwijl bij 40 N deze slechts met factoren van 1,01 en 1,03 zouden zijn gevarieerd. Elke migratie van vluchtige stoffen naar het noorden terwijl het zuiden warmer is, zal later in de jaarlijkse cyclus niet volledig ongedaan worden gemaakt omdat de noordelijke temperaturen nooit zo warm worden als in het zuiden. De temperatuurbereiken aan de Polen waren vrijwel identiek: 91,9-89,8 K bij 80 S en 89,9-91,9 K bij 80 N. beide polen, op hun koudste, bereikten de drievoudige punten voor methaan (90,7 K) en ethaan (90,3 K). De polen kunnen soms zowel vloeibare als vaste fasen Herbergen. Over het algemeen geven onze resultaten aan dat het noordelijk halfrond een koelere, meer goedaardige oppervlakteomgeving vertoont, consistent met de opbouw van gecondenseerde vluchtige stoffen. We merken op dat Coustenis et al. (2019) hebben gemeld dat in 2017, in het zuiden bij de pool, de temperaturen laag bleven in de stratosfeer bij een druk van meer dan 0,5 mbar. Tegelijkertijd was het gasaanbod in de Zuidelijke stratosfeer aanzienlijk afgenomen ten opzichte van wat het in 2014-2015 was geweest. De Late val kan een periode zijn geweest van verhoogde condensatie in de atmosfeer en afzetting op het oppervlak.

onze globale oppervlaktetemperaturen ondersteunen het beeld van een noord–zuid hemisferische asymmetrie op Titan, met een over het algemeen koeler noorden in het huidige tijdperk. Onze overeenkomst met modelvoorspellingen waarin de invloed van methaanhydrologie is opgenomen (Tokano 2019) ondersteunt de conclusie dat vloeibaar methaan, zowel op land als in zee, vaker voorkomt op Titan ‘ s Noordelijke oppervlakken dan in het zuiden en de oppervlaktetemperaturen in het noorden matigt. In tegenstelling tot het noorden is het grootste deel van het zuidelijk halfrond niet het hele jaar door nat. Hierdoor kan het zuiden warmer zijn dan het noorden en grotere temperatuurschommelingen vertonen. De Polen daarentegen delen niet de hemisferische asymmetrie. De minimum-en maximumtemperaturen op de Noord-en Zuidpool zijn vrij gelijkaardig. Dit betekent dat de twee polen beide vochtig zijn. Zoals Tokano (2019) aantoont, is excentriciteit alleen niet genoeg om een sterke accumulatie van methaan op de Noordpool te veroorzaken ten koste van de Zuidpool en kan topografie een belangrijke rol spelen in de noord–zuid asymmetrie op Titan.