Titan Temperaturas de Superfície durante a Missão Cassini

Nossa medida temperaturas de superfície são apresentados na Figura 1. A partir dos sete mapas de latitude algumas características sazonais podem ser reconhecidas imediatamente. Em primeiro lugar, as temperaturas máximas na vizinhança do Equador foram sempre 93-94 K e diminuíram para os pólos em 1-4 K, dependendo da estação. Em segundo lugar, ao longo da Missão, as latitudes mais quentes mudaram-se do Sul para o hemisfério norte. Em terceiro lugar, o norte polar aquecido por cerca de 2 K e o sul polar arrefecido por cerca de 2 K. estas características continuam as tendências que vimos em nossos conjuntos de dados anteriores, parciais. A nossa medição a 10 S em 2004-06 (Ls = 313°) compara bem com a medição de HASI na superfície, 93,65 ± 0,25 K (Fulchignoni et al. 2005). Nossas medições também concordam com as temperaturas próximas à superfície relatadas por Schinder et al. (2012) from Cassini radio ocultations.

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nosso conjunto de dados agora finalizado nos permite realizar uma comparação mais abrangente com modelos. A figura 1 mostra previsões de um estudo recente do GCM que inclui o ciclo hidrológico do metano e examina os efeitos da geografia, tanto uniformes quanto não uniformes (Tokano 2019). A geografia não uniforme incorpora variações globais observadas na topografia, albedo, emissividade e inércia térmica. Também mostrado na figura é o resultado de um GCM anterior (Tokano 2005) que não contabilizou o metano condensado na superfície (rotulado “seco”). Em relatórios anteriores (Jennings et al. 2011, 2016) comparamos as temperaturas de superfície da CORS com o estudo de caso anterior seco. Usando dados até 2012 (Ls = 313°-26°), descobrimos que as observações concordaram aproximadamente com o modelo seco se a inércia térmica superficial fosse assumida como baixa no sul e alta no norte (a Figura 1 mostra o cenário de inércia térmica seca e baixa). No entanto, no início de 2013, na Ls = 49° período, as temperaturas no norte desviou significativamente da seca modelo, caindo abaixo do previsto primavera aumento de cerca de 1 K. Embora Saturno excentricidade orbital pode ser esperado para dar origem a mais frias do norte os verões na presente época (Tokano 2019), que não pode ser a causa do observado retardo devido a excentricidade orbital foi incluído no seco (modelo de Tokano 2005). Em nosso artigo anterior (Jennings et al. 2016) sugerimos que as temperaturas mais frias do que o esperado se devessem ao resfriamento por evaporação de superfícies úmidas, tanto marítimas como terrestres, nas latitudes do Norte durante o aquecimento da primavera (Lora et al. = = Ligações externas = = 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall et al. (2016)chegou a uma conclusão semelhante a partir de 2.2 cm estudos radiômetro Cassini. A figura demonstra que quando a hidrologia da superfície do metano é incluída no GCM (Tokano 2019), o comportamento global observado das temperaturas da superfície é contabilizado e, em particular, as baixas temperaturas da primavera do Norte são explicadas. Tokano (2019) relatou este acordo com os resultados de seu modelo usando dados do CIRS até 2014. Como pode ser visto na Figura 1, durante os dois períodos finais, Ls = 73° e 90°, as previsões do modelo continuaram a corresponder às medições mais frias no norte.

no seu conjunto, as medições do CIR são melhor descritas pelos casos uniformes e não uniformes do que pelo caso seco. Isto implica que a hidrologia da superfície do metano desempenha um papel crucial na condução das temperaturas sazonais da superfície. As diferenças entre os dois casos geográficos, principalmente impulsionados pela topografia, são mais pronunciadas no norte úmido (Tokano 2019). No início da primavera do Norte (Ls = 26°) as previsões não uniformes no norte estão bem abaixo das previsões uniformes. Na primavera do Meio-Norte (Ls = 49°), as medições acima de 40 N começam a desviar-se para o caso não uniforme. Em seguida, no final da primavera do Norte (Ls = 73°) até o solstício (Ls = 90°) a diferença entre os casos uniformes e não uniformes torna-se menor. Nesses dois períodos finais, as medições entre o equador e 40 N estavam mais próximas do caso não uniforme, enquanto nas latitudes polares mais altas os dados estão mais próximos do caso uniforme. A queda das temperaturas observadas em 0-40 N Após 2015 pode ter sido causada por eventos de chuva como os observados por Turtle et al. (2011). Tais eventos podem ser indicados pelos picos agudos para baixo a 30 N nOs modelos não uniformes para Ls = 26°, 49° e 73°. O resfriamento por evaporação após eventos de precipitação pode ter diminuído as temperaturas da superfície no final da primavera. O Tokano (2019) GCM prevê que na época atual As temperaturas máximas no norte nunca são tão quentes quanto no sul. O sul, em contraste com o norte, tende a ser seco a maior parte do ano (Lora & Mitchell 2015; Lora & Ádámkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Portanto, não há muita diferença entre os modelos no sul e as medições não distinguem entre eles. Uma exceção ocorre nos dois primeiros períodos (Ls = 313° E 335°), onde no Pólo Sul a previsão seca é significativamente maior do que os outros dois casos e também acima dos dados. Um mergulho nas temperaturas no Polo pode ser evidência de permanente humidade superficial. Espera-se que o polo sul mantenha a umidade mais persistentemente do que o resto do Hemisfério Sul (Tokano 2019).

um aquecimento anômalo ocorreu nas latitudes do Sul em 2015-16 (Ls = 73°). As temperaturas de 50-90 foram significativamente acima de todas as três previsões do modelo. Aparentemente, este aquecimento não aconteceu durante os períodos anteriores de 2013-14 (Ls = 49°) ou após 2017 (Ls = 90°) (Coustenis et al. 2019). Não temos a certeza do que causaria um aquecimento tão transitório no sul polar no final do outono, mas um possível mecanismo é a libertação de calor latente como resultado da condensação de etano perto da superfície. Este processo não está incluído nos modelos. É natural supor que o efeito estava relacionado com a estrutura atmosférica dinâmica que se desenvolveu no polo sul em meados da queda (Achterberg et al. 2014; Jennings et al. 2015; West et al. 2016; Coustenis et al. 2019). Naquela época, o ramo descendente da circulação global Meridiana estava se formando no Polo Sul. Fortes e frios afloramentos forçaram os gases residuais a acumular-se e condensar-se na estratosfera fria (Bampasidis et al. 2012; Teanby et al. 2012, 2017; Coustenis et al. 2013, 2016, 2018; Vinatier et al. 2015, 2018; Sylvestre et al. 2018). Em particular, partículas sólidas de etano desceram na troposfera mais quente e se evaporaram, acumulando abundância no polo. À medida que o arrefecimento profundo começou no final do outono, o etano recondensou-se perto da superfície (Rannou et al. 2006), talvez como névoa ou névoa. A libertação de calor latente aqueceu temporariamente a superfície. Eventualmente, este efeito foi superado pelo resfriamento de Inverno. Não podemos ter a certeza de que a condensação de etano próximo da superfície seria suficiente para causar o aquecimento observado. Comparado ao metano, que está incluído no modelo de Tokano (2019), a taxa de condensação de etano é 1000 vezes menor (Rannou et al. 2006; Anderson et al. 2014). Por outro lado, a condensação de metano também pode ter desempenhado um papel na liberação de calor latente. A condensação de metano perto do polo sul pode não ter sido totalmente modelada para o tempo do Forte vórtice polar no final do outono. Uma explicação alternativa para o aquecimento aparente no extremo sul é que a opacidade da estratosfera mais quente pode ter aumentado durante 2015-16, produzindo um erro na correção atmosférica. Entre 2013 e 2017 A temperatura de 0,5 a 5 mbar nas altas latitudes do Sul mergulhou para um baixo e, em seguida, recuperou (Coustenis et al. 2019). Qualquer condensação melhorada durante esse tempo teria brevemente aumentado a opacidade e feito com que a estratosfera quente contribuísse com radiância extra, além do modelo de correção atmosférica.Como nos relatórios anteriores, tentámos caracterizar a distribuição e a evolução sazonal das temperaturas superficiais de Titã, criando uma descrição analítica das medições. Apresentamos isto como uma fórmula que resume a dependência latitudinal das temperaturas superficiais em função do tempo:

aqui T (L,Y) é a temperatura de brilho superficial, L é a latitude, e Y é o tempo em anos medido a partir do equinócio Titã (2009 11 de agosto → 2009.61). Este modelo analítico só é válido para a gama de dados, ou seja, para L = -90 a +90 e Y = -4.9 a 8.1 (outubro de 2004 a setembro de 2017). A fórmula foi derivada pela primeira vez encaixando as observações em cada um dos sete períodos da Figura 1 a um cosseno separado. A adaptação foi realizada ajustando a amplitude, fase e largura de cada cosseno para minimizar o desvio padrão. Estes parâmetros correspondem, respectivamente, à temperatura de pico, ao deslocamento do Pico do equador e à queda para os pólos. A partir do exame das sete curvas determinamos que todos os três parâmetros tinham variado sistematicamente durante as estações. Realizamos um ajuste linear (a+bY) aos sete valores de cada parâmetro e usamos os seis coeficientes resultantes para criar a fórmula (1). Descobrimos que esta expressão analítica é uma boa representação das temperaturas superficiais medidas pelos CIR durante a missão Cassini. Seu desvio padrão em relação a todo o conjunto de dados é 0.4 K. O pior ajuste foi para 2010-12 (Ls = 26°), que teve um desvio padrão de 0,7 K. notamos que este foi o momento, cerca de dois anos após o equinócio, quando mudanças dramáticas estavam ocorrendo globalmente na atmosfera (veja, por exemplo, Teanby et al. 2012).

Fórmula (1) resume as tendências sazonais nas temperaturas superficiais. A mudança para o norte da temperatura de pico que temos relatado anteriormente (Jennings et al. 2011, 2016) continuou até o final da primavera do Norte para o solstício. A latitude da temperatura máxima (centro de simetria Norte–Sul) seguiu de perto o ponto subsolar de 13 S em 2005 para 24 N em 2017. Encontramos um offset de fase não-zero que corresponde a um pequeno atraso sazonal no equinócio, cerca de 0,1 Titan meses. A figura 1 mostra que um pequeno Gal é consistente com o caso GCM não uniforme, embora não seja tão claro que existe um GAL no caso uniforme (ver também Tokano 2019, Figura 3). O nosso gal sazonal concorda com o relatado por Janssen et al. (2016) e também está de acordo com as observações da Voyager 1 IRIS perto do equinócio anterior em novembro de 1980 (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). Um pequeno lag é consistente com a baixa inércia térmica exigida da superfície para variações diurnas (Cottini et al. 2012). Nossa temperatura equatorial de 93,5 ± 0,4 K no equinócio (Ls = 0°) concorda com a medição da Voyager IRIS, 93 ± 1 K (Courtin & Kim 2002). Do início ao final da missão a amplitude máxima do cosseno caiu cerca de 1 K, de 93.9 a 92.8 K. A largura dependente do tempo na Fórmula (1) significa um “achatamento” da distribuição da temperatura à medida que o pico se movia para norte, isto é, uma queda mais gradual em direção aos pólos. Um exame das medições e dos cossenos instalados sugere que, embora a temperatura de pico tenha diminuído, a média das temperaturas dos pólos norte e sul em cada período permaneceu aproximadamente a mesma ao longo de todos os sete períodos.

nossa fórmula pode ser usada para inspecionar a mudança na temperatura da superfície em qualquer latitude particular durante a missão de duas temporadas. Por exemplo, no local de pouso Huygens, 10 S, A temperatura variou de 93,9 a 92,5 K entre 2005 e 2017. Como a temperatura de pico diminuiu à medida que se deslocava para norte, a variação de temperatura semi-anual era fortemente dependente da latitude. A variação de temperatura foi maior em 40 S (93.6–91.7 K), onde a superfície foi relativamente seco, e foi menor em 40 N (92.6–92.7 K), onde as temperaturas de superfície foram moderadas pelo mais úmido do norte (Lora et al. 2015; Tokano 2019). As mudanças na condensação superficial devem ser muito menos no meio-norte do que em latitudes no meio-Sul. A 40 S entre o inverno e o verão, as pressões de vapor teriam aumentado por um fator de 1,26 para o metano e 1,61 para o etano, enquanto a 40 N teriam variado apenas por fatores de 1,01 e 1,03. Qualquer migração dos voláteis para o norte, enquanto o sul é mais quente, não será totalmente desfeita mais tarde no ciclo anual, porque as temperaturas do Norte nunca ficam tão quentes como no sul. Os intervalos de temperatura nos pólos eram praticamente idênticos: 91.9–89.8 K 80 S e 89.9–91.9 K 80 N. Ambos os pólos, em suas mais frio, atingiu o triplo de pontos para o metano (90.7 K) e etano (90.3 K). Os polos podem, por vezes, abrigar fases líquidas e sólidas. Globalmente, os nossos resultados indicam que o hemisfério norte apresenta um ambiente superficial mais frio e benigno, consistente com a acumulação de voláteis condensados. Notamos que Coustenis et al. (2019) relataram que em 2017, no sul, perto do Polo, as temperaturas permaneceram baixas na estratosfera a pressões superiores a 0,5 mbar. Ao mesmo tempo, a abundância de gás estratosférico do Sul tinha diminuído acentuadamente do que tinha sido em 2014-2015. A queda tardia pode ter sido um período de maior condensação na atmosfera e deposição na superfície.

nossas temperaturas globais da superfície suportam a imagem de uma assimetria hemisférica norte–sul em Titã, com um norte geralmente mais frio na época atual. O nosso acordo com as previsões de modelos que incluem a influência da hidrologia do metano (Tokano 2019) dá um forte apoio à conclusão de que o metano líquido, tanto em terra como nos mares, é mais prevalente nas superfícies norte de Titã do que no sul e modera as temperaturas superficiais no norte. Ao contrário do Norte, a maior parte do hemisfério sul não está úmida durante todo o ano. Isto permite que o sul seja mais quente do que o norte e exiba oscilações de temperatura mais amplas. Os polos, por outro lado, não compartilham a assimetria hemisférica. As temperaturas mínimas e máximas nos pólos norte e sul são bastante semelhantes. Isto implica que os dois pólos são ambos úmidos. Como demonstrado por Tokano (2019), excentricidade orbital sozinho não é suficiente para causar uma forte acumulação de metano no pólo norte, em detrimento do pólo sul e a topografia pode desempenhar um papel importante no sentido norte–sul assimetria no Titan.