temperatury powierzchni Tytana podczas misji Cassini

nasze zmierzone temperatury powierzchni przedstawiono na rysunku 1. Z map siedmiu szerokości geograficznej niektóre cechy sezonowe można natychmiast rozpoznać. Po pierwsze, szczytowe temperatury w okolicach równika wynosiły zawsze 93-94 K i spadały w kierunku biegunów O 1-4 K, w zależności od pory roku. Po drugie, w trakcie misji najcieplejsze szerokości geograficzne przesunęły się z półkuli południowej na północną. Po trzecie, północ polarna ociepliła się o około 2 K, A południe polarne o około 2 K. cechy te kontynuują trendy, które widzieliśmy w naszych wcześniejszych, częściowych zestawach danych. Nasz pomiar w 10 S w latach 2004-2006 (Ls = 313°) dobrze się porównuje z pomiarem HASI na powierzchni, 93,65 ± 0,25 K (Fulchignoni et al. 2005). Nasze pomiary zgadzają się również z temperaturami bliskimi powierzchni Zgłaszanymi przez Schinder et al. (2012) z Cassini Radio occultations.

Powiększ Pomniejsz Resetuj Rozmiar obrazu

nasz gotowy zestaw danych pozwala nam na bardziej kompleksowe porównanie z modelami. Rysunek 1 pokazuje prognozy z niedawnego badania GCM, które obejmuje cykl hydrologiczny metanu i bada skutki geografii, zarówno jednolite, jak i niejednolite (Tokano 2019). Niejednolita Geografia obejmuje zaobserwowane globalne zmiany w topografii, albedo, emisyjności i bezwładności cieplnej. Na rysunku pokazany jest również wynik z wcześniejszego GCM (Tokano 2005), który nie uwzględniał skondensowanego metanu na powierzchni (oznaczonego jako „suchy”). W poprzednich raportach (Jennings et al. 2011, 2016) porównaliśmy temperatury powierzchni CIRS z wcześniejszym studium przypadku suchego. Korzystając z danych do 2012 r. (Ls = 313°-26°) stwierdziliśmy, że obserwacje zgadzają się w przybliżeniu z suchym modelem, jeśli przyjęto, że bezwładność cieplna powierzchni jest niska na południu i wysoka na północy (Rysunek 1 pokazuje scenariusz suchej, niskiej bezwładności cieplnej). Jednak począwszy od 2013 r., w okresie Ls = 49°, temperatury na północy znacznie odbiegały od modelu suchego, spadając poniżej przewidywanego wzrostu wiosny o około 1 K. chociaż można oczekiwać, że ekscentryczność orbitalna Saturna spowoduje chłodniejsze Północne lata w obecnej epoce (Tokano 2019), nie może to być przyczyną obserwowanego opóźnienia, ponieważ ekscentryczność orbitalna została uwzględniona w modelu suchym (Tokano 2005). W naszym poprzednim artykule (Jennings et al. 2016) zasugerowaliśmy, że chłodniejsze niż oczekiwano temperatury były spowodowane parowym chłodzeniem mokrych powierzchni, zarówno mórz, jak i lądu, na północnych szerokościach geograficznych podczas wiosennego ocieplenia (Lora et al. 2015; Jennings et al. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall et al. (2016) doszedł do podobnego wniosku z badań radiometru Cassini 2,2 cm. Rysunek pokazuje, że gdy hydrologia powierzchni metanu jest włączona do GCM (Tokano 2019), uwzględnia się obserwowane ogólne zachowanie temperatur powierzchni, a w szczególności wyjaśniane są obniżone temperatury wiosny Północnej. Tokano (2019) zgłosił tę Umowę z wynikami swojego modelu za pomocą danych CIRS do 2014 roku. Jak widać na rysunku 1, podczas dwóch ostatnich okresów, Ls = 73° i 90°, przewidywania modelu nadal odpowiadały pomiarom chłodniejszym na północy.

ogólnie rzecz biorąc, pomiary CIRS są lepiej opisane zarówno w przypadku jednorodnym, jak i niejednorodnym niż w przypadku suchym. Oznacza to, że hydrologia powierzchni metanu odgrywa kluczową rolę w wpływaniu na sezonowe temperatury powierzchni. Różnice między dwoma przypadkami geograficznymi, głównie napędzanymi topografią, są najbardziej wyraźne na bardziej mokrej północy (Tokano 2019). Przed wczesną wiosną Północną (Ls = 26°) niejednolite prognozy na północy są znacznie niższe od jednorodnych prognoz. W połowie wiosny Północnej (Ls = 49°) pomiary powyżej 40 N zaczynają odbiegać w kierunku przypadku niejednorodnego. Następnie późną wiosną Północną (Ls = 73°) aż do przesilenia (LS = 90°) różnica między jednorodnymi i niejednorodnymi przypadkami staje się mniejsza. W tych dwóch końcowych okresach pomiary między równikiem a 40 N były bardziej zbliżone do przypadku niejednorodnego, podczas gdy na wyższych szerokościach biegunowych dane są bliżej przypadku jednolitego. Spadek obserwowanych temperatur w 0-40 N po 2015 Może być spowodowany zdarzeniami opadowymi, takimi jak te obserwowane przez Turtle et al. (2011). Takie zdarzenia mogą być wskazywane przez ostre skoki w dół przy 30 N w przypadku modelu niejednolitego dla Ls = 26°, 49° i 73°. Chłodzenie parowe po zdarzeniach opadowych mogło obniżyć temperaturę powierzchni w połowie szerokości geograficznej późną wiosną. Tokano (2019) GCM przewiduje, że w obecnej epoce maksymalne temperatury na północy nigdy nie są tak ciepłe, jak na południu. Południe, w przeciwieństwie do północy, wydaje się być suche przez większość roku(Lora & Mitchell 2015; Lora & Ádámkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Dlatego nie ma dużej różnicy między modelami na południu i pomiary nie rozróżniają między nimi. Wyjątek występuje w dwóch najwcześniejszych okresach (Ls = 313° i 335°), gdzie na biegunie południowym Sucha prognoza jest znacznie wyższa niż w dwóch pozostałych przypadkach, a także powyżej danych. Spadek temperatury na biegunie może być dowodem na trwałą Wilgotność powierzchni. Oczekuje się, że biegun południowy będzie utrzymywał wilgoć bardziej wytrwale niż reszta półkuli południowej (Tokano 2019).

anomalne ocieplenie wystąpiło na południowych szerokościach geograficznych w latach 2015-16 (Ls = 73°). Temperatury w 50–90S były znacznie powyżej wszystkich trzech przewidywań modelu. Najwyraźniej to ocieplenie nie miało miejsca w poprzednich okresach 2013-14 (Ls = 49°) lub po 2017 (LS = 90°) (Coustenis et al. 2019). Nie jesteśmy pewni, co mogłoby spowodować takie przejściowe ocieplenie na południu polarnym późną jesienią, ale jednym z możliwych mechanizmów jest uwalnianie ciepła utajonego w wyniku kondensacji etanu w pobliżu powierzchni. Proces ten nie jest uwzględniony w modelach. Naturalne jest założenie, że efekt był związany z dynamiczną strukturą atmosfery, która rozwinęła się na Biegunie Południowym w połowie do późnej jesieni (Achterberg et al. 2014; Jennings et al. 2015; West et al. 2016; Coustenis et al. 2019). W tym czasie na biegunie południowym formowała się zstępująca gałąź globalnego obiegu południkowego. Silne, zimne Spadanie zmusiło śladowe gazy do gromadzenia się i kondensacji w zimnej stratosferze (Bampasidis et al. 2012; Teanby et al. 2012, 2017; Coustenis et al. 2013, 2016, 2018; Vinatier et al. 2015, 2018; Sylvestre et al. 2018). W szczególności stałe cząstki etanu zeszły w cieplejszej troposferze i ponownie odparowały, budując obfitość na biegunie. Ponieważ głębokie chłodzenie rozpoczęło się późną jesienią, etan rekondensował w pobliżu powierzchni (Rannou et al. 2006), być może jako mgła lub mgła. Uwolnienie utajonego ciepła tymczasowo ogrzało powierzchnię. Ostatecznie efekt ten został przezwyciężony przez zimowe ochłodzenie. Nie możemy być pewni, czy zbliżona do powierzchni kondensacja etanu byłaby wystarczająca do wywołania obserwowanego ogrzewania. W porównaniu do metanu, który jest zawarty w modelu Tokano (2019), szybkość kondensacji etanu jest 1000 razy mniejsza (Rannou et al. 2006; Anderson et al. 2014). Z drugiej strony kondensacja metanu mogła również odegrać rolę w uwalnianiu ciepła utajonego. Kondensacja metanu w pobliżu bieguna południowego mogła nie być w pełni modelowana na czas silnego wiru polarnego późną jesienią. Alternatywnym wyjaśnieniem pozornego ocieplenia na dalekim południu jest to, że nieprzezroczystość cieplejszej stratosfery mogła wzrosnąć w latach 2015-16, powodując błąd w korekcji atmosferycznej. W latach 2013-2017 temperatura na poziomie 0,5–5 mbar na wysokich szerokościach geograficznych południowych spadła do niskiego, a następnie odzyskała się (Coustenis et al. 2019). Każda zwiększona kondensacja w tym czasie na krótko zwiększyłaby nieprzezroczystość i spowodowała, że ciepła stratosfera wniosła dodatkowy blask, wykraczający poza model korekcji atmosferycznej.

podobnie jak w poprzednich raportach, próbowaliśmy scharakteryzować rozkład i sezonowość temperatur powierzchni Tytana, tworząc analityczny opis pomiarów. Przedstawiamy to jako wzór podsumowujący równoleżnikową zależność temperatur powierzchni w funkcji czasu:

Tutaj T (L,Y) to Temperatura jasności powierzchniowej, L to szerokość geograficzna, A Y to czas w latach mierzony od równonocy Tytana (2009 11 sierpnia → 2009.61). Ten model analityczny jest ważny tylko w zakresie danych, tj. dla L = -90 do +90 I Y = -4,9 do 8,1 (2004 Październik do 2017 Wrzesień). Wzór został wyprowadzony przez pierwsze dopasowanie obserwacji w każdym z siedmiu okresów na rysunku 1 do osobnego cosinusa. Dopasowanie przeprowadzono poprzez dostosowanie amplitudy, fazy i szerokości każdego cosinusa, aby zminimalizować odchylenie standardowe. Parametry te odpowiadają odpowiednio temperaturze szczytowej, przesunięciu piku od równika i spadku w kierunku biegunów. Na podstawie analizy siedmiu krzywych ustaliliśmy, że wszystkie trzy parametry zmieniały się systematycznie w poszczególnych porach roku. Wykonaliśmy dopasowanie liniowe (a+bY) do siedmiu wartości każdego parametru i użyliśmy wynikowych sześciu współczynników do utworzenia formula_1. Odkryliśmy, że to analityczne wyrażenie jest dobrą reprezentacją temperatur powierzchni mierzonych przez CIRS w misji Cassini. Jego odchylenie standardowe od całego zbioru danych wynosi 0,4 K. Najgorsze dopasowanie było dla 2010-12 (Ls = 26°), który miał odchylenie standardowe 0.7 K. zauważamy, że był to czas, około dwa lata po równonocy, kiedy dramatyczne zmiany zachodzą globalnie w atmosferze (patrz, na przykład, Teanby et al. 2012).

Wzór (1)podsumowuje sezonowe trendy w temperaturach powierzchni. Przesunięcie na północ szczytowej temperatury, które wcześniej zgłaszaliśmy(Jennings et al. 2011, 2016) trwała przez późną Północną wiosnę aż do przesilenia. Szerokość maksymalna temperatury (środek symetrii północ-południe) ściśle śledziła punkt subsolarny od 13 S w 2005 do 24 N w 2017. Znajdujemy niezerowe przesunięcie fazowe, które odpowiada niewielkiemu sezonowemu opóźnieniu w równonocy, około 0,1 miesiąca. Rysunek 1 pokazuje, że małe opóźnienie jest zgodne z niejednolitym przypadkiem GCM, chociaż nie jest tak jasne, że istnieje opóźnienie w przypadku jednolitego (patrz także Tokano 2019, Rysunek 3). Nasze sezonowe opóźnienie zgadza się z tym, o którym donoszą Janssen et al. (2016) i jest również zgodny z obserwacjami Voyagera 1 IRIS w pobliżu poprzedniej równonocy w listopadzie 1980 (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). Małe opóźnienie jest zgodne z niską bezwładnością cieplną wymaganą od powierzchni dla zmian dobowych(Cottini et al. 2012). Temperatura Równikowa 93,5 ± 0,4 K przy równonocy (Ls = 0°) zgadza się z pomiarem przesłony Voyagera, 93 ± 1 K (Courtin & Kim 2002). Od początku do końca misji maksymalna amplituda cosinusa spadła o około 1 K, z 93,9 do 92,8 K. Zależna od czasu szerokość we wzorze (1) oznacza „spłaszczenie” rozkładu temperatury, gdy Szczyt przesuwa się na północ, tj. bardziej stopniowy spadek w kierunku biegunów. Analiza pomiarów i zamontowanych cosinusów sugeruje, że chociaż temperatura szczytowa spadła, średnia temperatur bieguna północnego i Południowego w każdym okresie pozostawała w przybliżeniu taka sama we wszystkich siedmiu okresach.

nasz wzór może być użyty do kontroli zmiany temperatury powierzchni na dowolnej szerokości geograficznej w trakcie misji dwusezonowej. Na przykład na lądowisku Huygens, 10 S, temperatura wahała się od 93,9 do 92,5 K w latach 2005-2017. Ponieważ temperatura szczytowa spadała w miarę przesuwania się w kierunku północnym, półroczne wahania temperatury były silnie zależne od szerokości geograficznej. Zmiany temperatury były największe przy 40 S (93,6–91,7 K), gdzie powierzchnia była stosunkowo sucha, a najmniejsze przy 40 N (92,6-92,7 K), gdzie temperatury powierzchni były moderowane przez bardziej wilgotną północ (Lora et al. 2015; Tokano 2019). Zmiany w kondensacji powierzchniowej muszą być znacznie mniejsze na północy niż na południowych szerokościach geograficznych. W 40 S między zimą a latem ciśnienie pary wzrosłoby o współczynnik 1,26 dla metanu i 1,61 dla etanu, podczas gdy w 40 N zmieniłyby się tylko o czynniki 1,01 i 1,03. Jakakolwiek migracja lotnych substancji lotnych na północ, podczas gdy południe jest cieplejsze, nie zostanie całkowicie cofnięta później w cyklu rocznym, ponieważ Północne temperatury nigdy nie są tak ciepłe, jak na południu. Zakresy temperatur na biegunach były praktycznie identyczne: 91,9–89,8 K przy 80 S i 89,9-91,9 K przy 80 N. oba bieguny, w swoim najzimniejszym punkcie, osiągnęły potrójny punkt dla metanu (90,7 K) i etanu (90,3 K). Bieguny mogą czasami zawierać zarówno fazy ciekłe, jak i stałe. Ogólnie nasze wyniki wskazują, że półkula północna prezentuje chłodniejsze, bardziej łagodne środowisko powierzchniowe, zgodne z gromadzeniem się skondensowanych substancji lotnych. Zauważamy, że Coustenis et al. (2019) donoszą, że w 2017 roku, na południu w pobliżu bieguna, temperatury pozostawały niskie w stratosferze przy ciśnieniach większych niż 0,5 mbar. W tym samym czasie zasoby gazu w południowej stratosferze znacznie spadły w stosunku do stanu z lat 2014-2015. Późny upadek mógł być okresem wzmożonej kondensacji w atmosferze i osadzania się na powierzchni.

nasze globalne temperatury powierzchni potwierdzają obraz asymetrii półkuli północnej na Tytanie, z ogólnie chłodniejszą północą w obecnej epoce. Nasza umowa z przewidywaniami modelowymi, które obejmują wpływ hydrologii metanu (Tokano 2019), zdecydowanie popiera wniosek, że ciekły Metan, zarówno na lądzie, jak i w morzach, jest bardziej rozpowszechniony na północnych powierzchniach Tytana niż na południu i łagodzi temperatury powierzchni na północy. W przeciwieństwie do północy, większość południowej półkuli nie jest mokra przez cały rok. Dzięki temu południe jest cieplejsze niż północ i wykazuje szersze wahania temperatury. Bieguny natomiast nie dzielą asymetrii półkuli. Minimalne i maksymalne temperatury na Biegunie Północnym i południowym są dość podobne. Oznacza to, że oba bieguny są wilgotne. Jak wykazał Tokano (2019), sama ekscentryczność orbitalna nie jest wystarczająca, aby spowodować silną akumulację metanu na Biegunie Północnym kosztem bieguna południowego, a topografia może odgrywać ważną rolę w asymetrii północ–południe na Tytanie.