Titan yttemperaturer under Cassini-uppdraget

våra uppmätta yttemperaturer presenteras i Figur 1. Från de sju latitudkartorna kan vissa säsongsegenskaper erkännas omedelbart. För det första var topptemperaturerna i närheten av ekvatorn alltid 93-94 K och minskade mot polerna med 1-4 K, beroende på säsong. För det andra flyttade de varmaste breddgraderna under uppdraget från södra till norra halvklotet. Tredje, polar north värms med ca 2 K och polar south kyls med ca 2 K. Dessa funktioner fortsätter trender som vi har sett i vår tidigare, partiella datamängder. Vår mätning vid 10 S i 2004-06 (Ls = 313 GHz) jämförs väl med HASI-mätningen vid ytan, 93,65 xnumx xnumx K (Fulchignoni et al. 2005). Våra mätningar överensstämmer också med nära yttemperaturer rapporterade av Schinder et al. (2012) från Cassini radio occultations.

zooma in zooma ut återställ bildstorlek

vår nu slutförda datamängd gör att vi kan göra en mer omfattande jämförelse med modeller. Figur 1 visar förutsägelser från en nyligen genomförd GCM-studie som inkluderar metanhydrologisk cykel och undersöker effekterna av geografi, både enhetliga och icke-enhetliga (Tokano 2019). Ojämn geografi innehåller observerade globala variationer i topografi, albedo, emissivitet och termisk tröghet. Också i figuren visas resultatet från en tidigare GCM (Tokano 2005) som inte redogjorde för kondenserad metan på ytan (märkt ”torr”). I tidigare rapporter (Jennings et al. 2011, 2016) vi jämförde CIRS yttemperaturer med den tidigare torra fallstudien. Med hjälp av data fram till 2012 (Ls = 313-26-2CB) fann vi att observationerna överensstämde ungefär med den torra modellen om ytan termisk tröghet antogs vara låg i söder och hög i norr (Figur 1 visar det torra, låga termiska tröghetsscenariot). Men från och med 2013, i ls = 49 kg-perioden, avviker temperaturen i norr avsevärt från den torra modellen och faller under den förutsagda vårökningen med cirka 1 K. Även om Saturnus orbital excentricitet kan förväntas ge upphov till svalare Norra somrar under den nuvarande epoken (Tokano 2019), kan det inte vara orsaken till den observerade fördröjningen eftersom orbital excentricitet inkluderades i den torra modellen (Tokano 2005). I vårt tidigare papper (Jennings et al. 2016) vi föreslog att de kallare temperaturerna än förväntat berodde på förångningskylning av våta ytor, både hav och land, vid norra breddgrader under våruppvärmningen (Lora et al. 2015; Jennings et al. 2016; Tokano & Lorenz 2016). Le Gall et al. (2016) kom till en liknande slutsats från 2,2 cm Cassini radiometerstudier. Figuren visar att när metanythydrologi ingår i GCM (Tokano 2019) redovisas det observerade övergripande beteendet hos yttemperaturerna och i synnerhet förklaras de deprimerade Norra vårtemperaturerna. Tokano (2019) rapporterade detta avtal med sina modellresultat med CIRS-data fram till 2014. Som framgår av Figur 1 fortsatte modellprognoserna under de två sista perioderna, Ls = 73 och 90, att matcha de svalare mätningarna i norr.

sammantaget beskrivs CIRS-mätningarna bättre av både de enhetliga och icke-enhetliga Fallen än av det torra fallet. Detta innebär att metanythydrologi spelar en avgörande roll för att driva säsongsbetonade yttemperaturer. Skillnaderna mellan de två geografifallen, främst drivna av Topografi, är mest uttalade i våtare norr (Tokano 2019). I början av norra våren (Ls = 26 kg) ligger de ojämna förutsägelserna i norr långt under de enhetliga förutsägelserna. I mitten av den norra våren (Ls = 49 kcal) börjar mätningarna över 40 N avvika mot det ojämna fallet. Sedan i slutet av norra våren (Ls = 73 kg) fram till solstice (Ls = 90 kg) blir skillnaden mellan de enhetliga och icke-enhetliga Fallen mindre. Under dessa två sista perioder överensstämde mätningarna mellan ekvatorn och 40 N närmare det ojämna fallet, medan de högre polära breddgraderna är närmare det enhetliga fallet. Nedgången i observerade temperaturer vid 0-40 N efter 2015 kan ha orsakats av regnhändelser som de som Turtle et al har sett. (2011). Sådana händelser kan indikeras av de kraftiga nedåtgående spikarna vid 30 N i de icke-enhetliga modellfallen för Ls = 26, 49 och 73. Evaporativ kylning efter regnhändelser kan ha deprimerade yttemperaturer i mitten av latitud sent på våren. Tokano (2019) GCM förutspår att i den nuvarande epoken är de maximala temperaturerna i norr aldrig lika varma som de är i söder. Syden, i motsats till norr, tenderar att vara torr större delen av året (Lora & Mitchell 2015; Lora & Obbicd Obbimkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Därför är det inte mycket skillnad mellan modellerna i söder och mätningarna skiljer inte mellan dem. Ett undantag inträffar under de två tidigaste perioderna (Ls = 313 och 335), där den torra förutsägelsen vid sydpolen är betydligt högre än de andra två fallen och även över uppgifterna. Ett dopp i temperaturer vid polen kan vara bevis på permanent ytväthet där. Sydpolen förväntas behålla fukt mer ihållande än resten av södra halvklotet (Tokano 2019).

en anomalös uppvärmning inträffade vid södra breddgrader 2015-16 (Ls = 73 kcal). Temperaturerna vid 50-90-talet var betydligt över alla tre av modellprognoserna. Uppenbarligen skedde inte denna uppvärmning under de föregående 2013-14 (Ls = 49 kg) eller efter 2017 (Ls = 90 kg) perioder (Coustenis et al. 2019). Vi är inte säkra på vad som skulle orsaka en sådan övergående uppvärmning i polar south i slutet av hösten, men en möjlig mekanism är utsläpp av latent värme som ett resultat av etankondensation nära ytan. Denna process ingår inte i modellerna. Det är naturligt att anta att effekten var relaterad till den dynamiska atmosfäriska strukturen som utvecklades vid Sydpolen i mitten till slutet av hösten (Achterberg et al. 2014; Jennings et al. 2015; West et al. 2016; Coustenis et al. 2019). Vid den tiden bildades den nedåtgående grenen av den globala meridionala cirkulationen vid sydpolen. Stark, kall nedvällning tvingade spårgaser att ackumuleras och kondensera i den kalla stratosfären (Bampasidis et al. 2012; Teanby et al. 2012, 2017; Coustenis et al. 2013, 2016, 2018; Vinatier et al. 2015, 2018; Sylvestre et al. 2018). I synnerhet sjönk fasta partiklar av etan i den varmare troposfären och indunstades igen och byggde upp överflöd vid Polen. Som djup kylning började i slutet av hösten, etan recondensed nära ytan (Rannou et al. 2006), kanske som dimma eller dimma. Utsläpp av latent värme värmde tillfälligt ytan. Så småningom övervinnades denna effekt av vinterkylning. Vi kan inte vara säkra på att etankondensation nära ytan skulle vara tillräcklig för att orsaka den observerade uppvärmningen. Jämfört med metan, som ingår i modellen av Tokano (2019), är etan kondensationshastigheten 1000 gånger mindre (Rannou et al. 2006; Anderson et al. 2014). Å andra sidan kan metankondensation också ha spelat en roll för att frigöra latent värme. Metankondens nära Sydpolen kanske inte har modellerats helt för tiden för den starka polära virveln i slutet av hösten. En alternativ förklaring till den uppenbara uppvärmningen längst söderut är att den varmare stratosfärens opacitet kan ha ökat under 2015-16, vilket ger ett fel i atmosfärskorrigeringen. Mellan 2013 och 2017 doppade temperaturen vid 0,5–5 mbar vid höga sydliga breddgrader till en låg och återhämtade sig sedan (Coustenis et al. 2019). Eventuell förbättrad kondens under den tiden skulle kort ha höjt opaciteten och få den varma stratosfären att bidra med extra strålning, utöver det i den atmosfäriska korrigeringsmodellen.

som i våra tidigare rapporter försökte vi karakterisera fördelningen och säsongsutvecklingen av Titans yttemperaturer genom att skapa en analytisk beskrivning av mätningarna. Vi presenterar detta som en formel som sammanfattar latitudinellt beroende av yttemperaturer som en funktion av tiden:

här T (L, Y) är Ytans ljusstyrka temperatur, L är Latitud, och Y är tiden i år mätt från Titan equinox (2009 augusti 11 GHz 2009.61). Denna analysmodell gäller endast inom dataområdet, dvs. för L = -90 till + 90 och Y = -4,9 till 8,1 (2004 oktober till 2017 September). Formeln härleddes genom att först passa observationerna i var och en av de sju perioderna i Figur 1 till en separat cosinus. Montering utfördes genom att justera amplituden, fasen och bredden på varje cosinus för att minimera standardavvikelsen. Dessa parametrar motsvarar respektive topptemperaturen, skiftet av toppen från ekvatorn och avfallet mot polerna. Från att undersöka de sju kurvorna bestämde vi oss för att alla tre parametrarna hade varierat systematiskt under årstiderna. Vi utförde en linjär passform (a+bY) till de sju värdena för varje parameter och använde de resulterande sex koefficienterna för att skapa formel (1). Vi fann att detta analytiska uttryck är en bra representation av yttemperaturerna uppmätta av CIRS över Cassini-uppdraget. Standardavvikelsen från hela datamängden är 0,4 K. Den sämsta passformen var för 2010-12 (Ls = 26 kcal), som hade en standardavvikelse på 0,7 K. Vi noterar att detta var tiden, ungefär två år efter equinox, när dramatiska förändringar inträffade globalt i atmosfären (se till exempel Teanby et al. 2012).

Formel (1) sammanfattar säsongens trender i yttemperaturerna. Den nordliga förskjutningen av topptemperaturen som vi tidigare har rapporterat (Jennings et al. 2011, 2016) fortsatte genom slutet av norra våren till solstice. Latituden för maximal temperatur (centrum för nord–syd-symmetri) spårade nära subsolpunkten från 13 S 2005 till 24 N 2017. Vi hittar en icke-nollfasförskjutning som motsvarar en liten säsongsfördröjning vid equinox, cirka 0, 1 Titan månader. Figur 1 visar att en liten fördröjning överensstämmer med det icke-enhetliga GCM-fallet, även om det inte är lika tydligt att det finns en fördröjning i det enhetliga fallet (se även Tokano 2019, Figur 3). Vår säsongsfördröjning håller med om det som rapporterats av Janssen et al. (2016) och är också i linje med observationerna av Voyager 1 IRIS nära föregående equinox 1980 November (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). En liten fördröjning överensstämmer med den låga termiska trögheten som krävs av ytan för dagliga variationer (Cottini et al. 2012). Vår ekvatorialtemperatur på 93,5 0,4 k 0,4 k vid equinox (ls = 0 kg) överensstämmer med Voyager IRIS-mätningen, 93 1 k (Courtin & Kim 2002). Från tidigt till sent i uppdraget minskade cosinusens maximala amplitud med cirka 1 K, från 93,9 till 92,8 K. Den tidsberoende bredden i Formel (1) betyder en ”utplattning” av temperaturfördelningen när toppen rörde sig norrut, dvs en mer gradvis nedgång mot polerna. En undersökning av mätningarna och de monterade cosinuserna tyder på att, även om topptemperaturen minskade, förblev genomsnittet av Nord-och sydpolstemperaturerna under varje period ungefär densamma under alla sju perioder.

vår formel kan användas för att inspektera förändringen i yttemperaturen vid en viss latitud under tvåsäsongsuppdraget. Till exempel på Huygens landningsplats, 10 S, varierade temperaturen från 93,9 till 92,5 K mellan 2005 och 2017. Eftersom topptemperaturen minskade när den skiftade norrut var den halvårliga temperaturvariationen starkt beroende av latitud. Temperaturvariationen var störst vid 40 S (93,6–91,7 K), där ytan var relativt torr och var minsta vid 40 N (92,6–92,7 K), där yttemperaturerna modererades av våtare norr (Lora et al. 2015; Tokano 2019). Förändringar i ytkondensation måste vara mycket mindre vid mitten av norra än vid mitten av södra breddgrader. Vid 40 S mellan vinter och sommar skulle ångtrycket ha ökat med en faktor 1, 26 för metan och 1, 61 för etan medan de vid 40 N skulle ha varierat med endast faktorer 1, 01 och 1, 03. Varje nordlig migration av flyktiga ämnen medan söder är varmare kommer inte att ångras helt senare i den årliga cykeln eftersom de norra temperaturerna aldrig blir så varma som i söder. Temperaturintervallen vid polerna var praktiskt taget identiska: 91,9–89,8 K vid 80 S och 89,9-91,9 K vid 80 N. båda polerna, vid deras kallaste, nådde trippelpunkterna för metan (90,7 K) och etan (90,3 K). Polerna kan ibland hysa både flytande och fasta faser. Sammantaget indikerar våra resultat att norra halvklotet presenterar en svalare, mer godartad ytmiljö, som överensstämmer med uppbyggnaden av kondenserade flyktiga ämnen. Vi noterar att Coustenis et al. (2019) har rapporterat att i 2017, i söder nära Polen, förblev temperaturen låg i stratosfären vid tryck större än 0,5 mbar. Samtidigt hade södra stratosfäriska gasmängder minskat markant från vad de hade varit 2014-2015. Senhösten kan ha varit en period av förbättrad kondens i atmosfären och avsättning på ytan.

våra globala yttemperaturer stöder bilden av en nord–syd halvklotisk asymmetri på Titan, med en generellt svalare Nord i nuvarande epok. Vårt avtal med modellprognoser som inkluderar påverkan av metanhydrologi (Tokano 2019) ger starkt stöd till slutsatsen att flytande metan, på land såväl som i hav, är vanligare på Titans Norra ytor än i söder och modererar yttemperaturerna i norr. Till skillnad från norr är det mesta av södra halvklotet inte vått året runt. Detta gör det möjligt för Söder att vara varmare än norr och att uppvisa bredare temperatursvängningar. Polerna å andra sidan delar inte den halvsfäriska asymmetrin. Minsta och maximala temperaturer vid Nord-och sydpolen är ganska lika. Detta innebär att de två polerna är båda fuktiga. Som demonstreras av Tokano (2019) räcker inte orbital excentricitet ensam för att orsaka stark ackumulering av metan vid Nordpolen på bekostnad av Sydpolen och topografi kan spela en viktig roll i nord–syd asymmetri på Titan.