Temperaturile suprafeței titanului în timpul misiunii Cassini

temperaturile noastre măsurate ale suprafeței sunt prezentate în Figura 1. Din cele șapte hărți latitudine unele caracteristici sezoniere pot fi recunoscute imediat. În primul rând, temperaturile maxime din vecinătatea ecuatorului au fost întotdeauna de 93-94 K și au scăzut spre poli cu 1-4 K, în funcție de sezon. În al doilea rând, pe parcursul misiunii, cele mai calde latitudini s-au mutat din emisfera sudică în cea nordică. În al treilea rând, nordul polar s-a încălzit cu aproximativ 2 K, iar sudul polar s-a răcit cu aproximativ 2 K. Aceste caracteristici continuă tendințele pe care le-am văzut în seturile noastre de date parțiale anterioare. Măsurătoarea noastră la 10 S în 2004-06 (ls = 313 Irak) se compară bine cu măsurarea HASI la suprafață, 93.65 0.25 K de la 0.25 (Fulchignoni și colab. 2005). Măsurătorile noastre sunt, de asemenea, de acord cu temperaturile apropiate de suprafață raportate de Schinder și colab. (2012) din Cassini radio ocultations.

Mărire Micșorare Resetare Dimensiune imagine

setul nostru de date acum finalizat ne permite să efectuăm o comparație mai cuprinzătoare cu modelele. Figura 1 prezintă predicții dintr-un studiu recent GCM care include ciclul hidrologic al metanului și examinează efectele geografiei, atât uniforme, cât și neuniforme (Tokano 2019). Geografia neuniformă încorporează variații globale observate în topografie, albedo, emisivitate și inerție termică. De asemenea, prezentat în figură este rezultatul unui GCM anterior (Tokano 2005) care nu a reprezentat metanul condensat la suprafață (etichetat „uscat”). În rapoartele anterioare (Jennings și colab. 2011, 2016) am comparat temperaturile suprafeței CIRS cu studiul de caz uscat anterior. Folosind date până în anul 2012 (ls = 313 -26), am constatat că observațiile au fost de acord aproximativ cu modelul uscat dacă inerția termică de suprafață a fost presupusă a fi scăzută în sud și ridicată în nord (Figura 1 prezintă scenariul de inerție termică uscată, scăzută). Cu toate acestea, începând cu anul 2013, în perioada ls = 49 inkt, Temperaturile din nord s-au abătut semnificativ de la modelul uscat, scăzând sub creșterea prevăzută a primăverii cu aproximativ 1 K. deși se poate aștepta ca excentricitatea orbitală a lui Saturn să dea naștere unor veri nordice mai reci în epoca actuală (Tokano 2019), aceasta nu poate fi cauza decalajului observat, deoarece excentricitatea orbitală a fost inclusă în modelul uscat (Tokano 2005). În lucrarea noastră anterioară (Jennings și colab. 2016) am sugerat că temperaturile mai reci decât cele așteptate s-au datorat răcirii prin evaporare a suprafețelor umede, atât a mărilor, cât și a terenurilor, la latitudinile nordice în timpul încălzirii primăverii (Lora și colab. 2015; Jennings și colab. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall și colab. (2016) a ajuns la o concluzie similară din studiile radiometrice Cassini de 2,2 cm. Figura demonstrează că atunci când hidrologia suprafeței metanului este inclusă în GCM (Tokano 2019), se ia în considerare comportamentul general observat al temperaturilor de suprafață și, în special, sunt explicate temperaturile deprimate ale primăverii nordice. Tokano (2019) a raportat acest acord cu rezultatele modelului său folosind date CIRS până în 2014. După cum se poate observa în Figura 1, în ultimele două perioade, Ls = 73 și 90, predicțiile modelului au continuat să corespundă măsurătorilor mai reci din nord.

în ansamblu, măsurătorile CIRS sunt mai bine descrise atât de cazurile uniforme, cât și de cele neuniforme decât de cazul uscat. Acest lucru implică faptul că hidrologia suprafeței metanului joacă un rol crucial în conducerea temperaturilor sezoniere ale suprafeței. Diferențele dintre cele două cazuri de geografie, determinate în principal de topografie, sunt cele mai pronunțate în nordul mai umed (Tokano 2019). Până la începutul primăverii de Nord (ls = 26 inkt) predicțiile neuniforme din nord sunt cu mult sub predicțiile uniforme. În primăvara mijlocie-nordică (ls = 49 inkt) măsurătorile de peste 40 N încep să devieze spre cazul neuniform. Apoi, la sfârșitul primăverii de Nord (Ls = 73%) până la solstițiu (ls = 90%) diferența dintre cazurile uniforme și cele neuniforme devine mai mică. În aceste două perioade finale, măsurătorile dintre Ecuator și 40 N s-au conformat mai îndeaproape cazului neuniform, în timp ce la latitudinile polare superioare datele sunt mai apropiate de cazul uniform. Scăderea temperaturilor observate la 0-40 n după 2015 ar fi putut fi cauzată de evenimente de precipitații precum cele văzute de Turtle și colab. (2011). Astfel de evenimente ar putea fi indicate de vârfurile ascuțite descendente la 30 N în cazurile model neuniforme pentru Ls = 26, 49 și 73. Răcirea prin evaporare în urma evenimentelor de precipitații ar putea avea temperaturi de suprafață reduse la latitudinea medie la sfârșitul primăverii. Tokano (2019) GCM prezice că în epoca actuală temperaturile maxime din nord nu sunt niciodată la fel de calde ca în sud. Sudul, spre deosebire de Nord, tinde să fie uscat în cea mai mare parte a anului (Lora & Mitchell 2015; Lora & centimetrul 2017; Birch și colab. 2018; Tokano 2019). Prin urmare, nu există prea multe diferențe între modelele din sud, iar măsurătorile nu disting între ele. O excepție apare în primele două perioade (ls = 313 și 335), unde la Polul Sud predicția uscată este semnificativ mai mare decât celelalte două cazuri și, de asemenea, peste date. O scădere a temperaturilor la pol ar putea fi o dovadă a umezelii permanente a suprafeței acolo. Se așteaptă ca Polul Sud să rețină umezeala mai persistent decât restul emisferei sudice (Tokano 2019).

o încălzire anormală a avut loc la latitudinile sudice în 2015-16 (ls = 73 inkt). Temperaturile din anii 50-90 au fost semnificativ peste toate cele trei predicții ale modelului. Se pare că această încălzire nu s-a întâmplat în perioadele anterioare 2013-14 (ls = 49 inkt) sau după 2017 (ls = 90 inkt) (Coustenis și colab. 2019). Nu suntem siguri ce ar provoca o astfel de încălzire tranzitorie în sudul polar la sfârșitul toamnei, dar un posibil mecanism este eliberarea căldurii latente ca urmare a condensării etanului în apropierea suprafeței. Acest proces nu este inclus în modele. Este firesc să presupunem că efectul a fost legat de structura atmosferică dinamică care s-a dezvoltat la polul sud la mijlocul până la sfârșitul toamnei (Achterberg și colab. 2014; Jennings și colab. 2015; West și colab. 2016; Coustenis și colab. 2019). În acel moment, ramura descendentă a circulației meridionale globale se forma la Polul Sud. Puternic, rece downwelling forțat urme de gaze pentru a acumula și condensa în stratosfera rece (Bampasidis și colab. 2012; Teanby și colab. 2012, 2017; Coustenis și colab. 2013, 2016, 2018; Vinatier și colab. 2015, 2018; Sylvestre și colab. 2018). În special, particulele solide de etan au coborât în troposfera mai caldă și s-au re-evaporat, construind abundență la pol. Pe măsură ce răcirea profundă a început la sfârșitul toamnei, etanul s-a recondensat lângă suprafață (Rannou și colab. 2006), poate ca ceață sau ceață. Eliberarea căldurii latente a încălzit temporar suprafața. În cele din urmă, acest efect a fost depășit de răcirea de iarnă. Nu putem fi siguri că condensarea etanului aproape de suprafață ar fi suficientă pentru a provoca încălzirea observată. Comparativ cu metanul, care este inclus în modelul Tokano (2019), rata condensării etanului este de 1000 de ori mai mică (Rannou și colab. 2006; Anderson și colab. 2014). Pe de altă parte, condensarea metanului ar fi putut juca, de asemenea, un rol în eliberarea căldurii latente. Condensarea metanului în apropierea Polului Sud poate să nu fi fost complet modelată pentru vremea puternicului vortex polar la sfârșitul toamnei. O explicație alternativă pentru încălzirea aparentă din sudul îndepărtat este că opacitatea stratosferei mai calde ar fi putut crește în perioada 2015-16, producând o eroare în corecția atmosferică. Între 2013 și 2017, temperatura la 0,5–5 mbar la latitudini sudice ridicate a scăzut la un nivel scăzut și apoi s-a recuperat (Coustenis și colab. 2019). Orice condensare îmbunătățită în acel timp ar fi ridicat pe scurt opacitatea și ar face ca stratosfera caldă să contribuie la o strălucire suplimentară, dincolo de cea din modelul de corecție atmosferică.

ca și în rapoartele noastre anterioare, am încercat să caracterizăm distribuția și evoluția sezonieră a temperaturilor suprafeței lui Titan prin crearea unei descrieri analitice a măsurătorilor. Prezentăm acest lucru ca o formulă care rezumă dependența latitudinală a temperaturilor de suprafață în funcție de timp:

aici T (L, Y) este temperatura luminozității suprafeței, L este latitudinea și Y este timpul în ani măsurat de la Titan equinox (2009 11 August 2009.61). Acest model analitic este valabil numai pentru intervalul de date, adică pentru L = -90 până la +90 și Y = -4,9 până la 8,1 (2004 octombrie-2017 septembrie). Formula A fost derivată prin adaptarea mai întâi a observațiilor din fiecare dintre cele șapte perioade din Figura 1 la un cosinus separat. Montarea a fost efectuată prin ajustarea amplitudinii, fazei și lățimii fiecărui cosinus pentru a minimiza abaterea standard. Acești parametri corespund, respectiv, temperaturii de vârf, deplasării vârfului de la ecuator și scăderii spre poli. Din examinarea celor șapte curbe am stabilit că toți cei trei parametri au variat sistematic în timpul anotimpurilor. Am efectuat o potrivire liniară (a+bY) la cele șapte valori ale fiecărui parametru și am folosit cei șase coeficienți rezultanți pentru a crea formula (1). Am constatat că această expresie analitică este o bună reprezentare a temperaturilor de suprafață măsurate de CIRS peste misiunea Cassini. Abaterea sa standard de la întregul set de date este de 0,4 K. Cea mai proastă potrivire a fost pentru 2010-12 (ls = 26 inkt), care a avut o abatere standard de 0,7 K. observăm că acesta a fost momentul, la aproximativ doi ani după echinocțiu, când s-au produs schimbări dramatice la nivel global în atmosferă (a se vedea, de exemplu, Teanby și colab. 2012).

Formula (1) rezumă tendințele sezoniere ale temperaturilor de suprafață. Schimbarea spre nord a temperaturii de vârf pe care am raportat-o anterior (Jennings și colab. 2011, 2016) a continuat până la sfârșitul primăverii nordice până la solstițiu. Latitudinea temperaturii maxime (centrul simetriei nord–sud) a urmărit îndeaproape punctul subsolar de la 13 S în 2005 la 24 N în 2017. Găsim o compensare de fază diferită de zero care corespunde unui mic decalaj sezonier la echinocțiu, aproximativ 0,1 luni Titan. Figura 1 arată că un decalaj mic este în concordanță cu cazul GCM neuniform, deși nu este la fel de clar că există un decalaj în cazul uniform (a se vedea, de asemenea, Tokano 2019, Figura 3). GAL-ul nostru sezonier este de acord cu cel raportat de Janssen și colab. (2016) și este, de asemenea, în conformitate cu observațiile Voyager 1 IRIS lângă echinocțiul anterior din noiembrie 1980 (Flasar și colab. 1981; Courtin & Kim 2002). Un decalaj mic este în concordanță cu inerția termică scăzută necesară suprafeței pentru variațiile diurne (Cottini și colab. 2012). Temperatura Ecuatorială de 93,5 0,4 k la echinocțiu (ls = 0%) este în concordanță cu măsurarea irisului Voyager, 93% 1 K (Courtin & Kim 2002). De la începutul până la sfârșitul misiunii, amplitudinea maximă a cosinusului a scăzut cu aproximativ 1 K, de la 93,9 la 92,8 K. Lățimea dependentă de timp în formula (1) semnifică o „aplatizare” a distribuției temperaturii pe măsură ce vârful s-a deplasat spre nord, adică o cădere mai treptată spre poli. O examinare a măsurătorilor și a cosinusurilor montate sugerează că, deși temperatura maximă a scăzut, media temperaturilor polilor Nord și Sud în fiecare perioadă a rămas aproximativ aceeași în toate cele șapte perioade.

formula noastră poate fi utilizată pentru a inspecta schimbarea temperaturii suprafeței la orice latitudine particulară pe parcursul misiunii de două sezoane. De exemplu, la locul de aterizare Huygens, 10 S, temperatura a variat de la 93,9 la 92,5 K între 2005 și 2017. Deoarece temperatura de vârf a scăzut pe măsură ce s-a deplasat spre nord, variația semestrială a temperaturii a fost puternic dependentă de latitudine. Variația temperaturii a fost cea mai mare la 40 S (93,6–91,7 K), unde suprafața a fost relativ uscată și a fost cea mai mică la 40 n (92,6–92,7 K), unde temperaturile suprafeței au fost moderate de nordul mai umed (Lora și colab. 2015; Tokano 2019). Modificările condensului de suprafață trebuie să fie mult mai mici la mijlocul Nordului decât la latitudinile mijlocii sudice. La 40 S între iarnă și vară, presiunile de vapori ar fi crescut cu un factor de 1,26 pentru metan și 1,61 pentru etan, în timp ce la 40 N ar fi variat doar cu factori de 1,01 și 1,03. Orice migrație spre nord a substanțelor volatile în timp ce Sudul este mai cald nu va fi complet anulată mai târziu în ciclul anual, deoarece temperaturile nordice nu se încălzesc niciodată la fel de mult ca în sud. Intervalele de temperatură la poli au fost practic identice: 91,9–89,8 K la 80 S și 89,9–91,9 K la 80 N. ambii poli, la cel mai rece, au atins punctele triple pentru metan (90,7 K) și etan (90,3 K). Polii pot adăposti uneori atât faze lichide, cât și solide. În general, rezultatele noastre indică faptul că emisfera nordică prezintă un mediu de suprafață mai rece, mai benign, în concordanță cu acumularea de substanțe volatile condensate. Observăm că Coustenis și colab. (2019) au raportat că în 2017, în sudul din apropierea Polului, temperaturile au rămas scăzute în stratosferă la presiuni mai mari de 0,5 mbar. În același timp, abundența gazelor stratosferice sudice a scăzut semnificativ față de ceea ce au fost în 2014-2015. Toamna târzie poate să fi fost o perioadă de condensare sporită în atmosferă și depunere la suprafață.

temperaturile noastre globale de suprafață susțin imaginea unei asimetrii emisferice nord–sud pe Titan, cu un nord în general mai rece în epoca actuală. Acordul nostru cu predicțiile modelului care includ influența hidrologiei metanului (Tokano 2019) oferă un sprijin puternic concluziei că metanul lichid, atât pe uscat, cât și în mări, este mai răspândit pe suprafețele nordice ale lui Titan decât în sud și moderează temperaturile de suprafață din nord. Spre deosebire de Nord, cea mai mare parte a emisferei sudice nu este umedă pe tot parcursul anului. Acest lucru permite Sudului să fie mai cald decât nordul și să prezinte schimbări de temperatură mai largi. Polii, pe de altă parte, nu împărtășesc asimetria emisferică. Temperaturile minime și maxime la polul nord și Sud sunt destul de similare. Aceasta implică faptul că cei doi poli sunt amândoi umedi. După cum a demonstrat Tokano (2019), excentricitatea orbitală singură nu este suficientă pentru a provoca o acumulare puternică de metan la polul nord în detrimentul Polului Sud, iar topografia poate juca un rol important în asimetria nord–sud pe Titan.