Titan overfladetemperaturer under Cassini Mission

vores målte overfladetemperaturer er præsenteret i Figur 1. Fra de syv breddegradskort kan nogle sæsonbestemte egenskaber genkendes med det samme. For det første var toptemperaturerne i nærheden af ækvator altid 93-94 K og faldt mod polerne med 1-4 K afhængigt af sæsonen. For det andet flyttede de varmeste breddegrader i løbet af missionen fra den sydlige til den nordlige halvkugle. 2 K og polar syd afkølet med omkring 2 K. Disse funktioner fortsætter tendenser, som vi har set i vores tidligere, delvise datasæt. Vores måling ved 10 S i 2004-06 (Ls = 313 liter) sammenligner godt med HASI-målingen ved overfladen, 93,65 liter 0,25 K (Fulchignoni et al. 2005). Vores målinger stemmer også overens med temperaturer nær overfladen rapporteret af Schinder et al. (2012) fra Cassini radio okkultationer.

Forstør i Forstør Nulstil billedstørrelse

vores nu færdiggjorte datasæt giver os mulighed for at udføre en mere omfattende sammenligning med modeller. Figur 1 viser forudsigelser fra en nylig GCM-undersøgelse, der inkluderer den metanhydrologiske cyklus og undersøger virkningerne af geografi, både ensartet og ikke-ensartet (Tokano 2019). Ikke-ensartet geografi inkorporerer observerede globale variationer i Topografi, albedo, emissivitet og termisk inerti. Også vist i figuren er resultatet af en tidligere GCM (Tokano 2005), der ikke tegnede sig for kondenseret metan på overfladen (mærket “tør”). I tidligere rapporter (Jennings et al. 2011, 2016) Vi sammenlignede CIRS overfladetemperaturer med den tidligere tørre casestudie. Ved hjælp af data frem til 2012 (Ls = 313 liter -26 liter) fandt vi, at observationerne var enige om den tørre model, hvis overfladens termiske inerti blev antaget at være lav i syd og høj i nord (Figur 1 viser det tørre, lave termiske inerti scenario). Men begyndende i 2013, i LS = 49-perioden, afviger temperaturerne i nord betydeligt fra den tørre model og falder under den forudsagte forårsstigning med omkring 1 K. selvom Saturns orbital ekscentricitet kan forventes at give anledning til køligere nordlige somre i den nuværende epoke (Tokano 2019), kan det ikke være årsagen til den observerede forsinkelse, fordi orbital ekscentricitet var inkluderet i den tørre model (Tokano 2005). I vores tidligere papir (Jennings et al. 2016) vi foreslog, at de køligere end forventede temperaturer skyldtes fordampningskøling af våde overflader, både hav og land, på nordlige breddegrader under foråret opvarmning (Lora et al. 2015; Jennings et al. 2016; Tokano & Lorens 2016). Le Gall et al. (2016) kom til en lignende konklusion fra 2,2 cm Cassini radiometerundersøgelser. Figuren viser, at når metanoverfladehydrologi er inkluderet i GCM (Tokano 2019), tages der højde for den observerede samlede opførsel af overfladetemperaturerne, og især forklares de deprimerede nordlige forårstemperaturer. Tokano (2019) rapporterede denne aftale med sine modelresultater ved hjælp af CIRS-data frem til 2014. Som det kan ses i Figur 1, i de sidste to perioder, Ls = 73 og 90, fortsatte modelforudsigelserne med at matche de køligere målinger i nord.

i det store og hele beskrives CIRS-målingerne bedre af både de ensartede og ikke-ensartede tilfælde end af det tørre tilfælde. Dette indebærer, at metanoverfladehydrologi spiller en afgørende rolle i kørsel af sæsonbestemte overfladetemperaturer. Forskellene mellem de to geografiske tilfælde, primært drevet af topografi, er mest udtalte i det vådere nord (Tokano 2019). Ved det tidlige nordlige forår (Ls = 26 liter) er de ikke-ensartede forudsigelser i nord langt under de ensartede forudsigelser. I midten af det nordlige forår (Ls = 49 liter) begynder målingerne over 40 N at afvige mod det ikke-ensartede tilfælde. Så i slutningen af det nordlige forår (Ls = 73 liter) op til solstice (Ls = 90 liter) bliver forskellen mellem de ensartede og ikke-ensartede tilfælde mindre. I disse to sidste perioder var målingerne mellem ækvator og 40 N mere i overensstemmelse med det ikke-ensartede tilfælde, mens dataene ved de højere polære breddegrader er tættere på det ensartede tilfælde. Faldet i observerede temperaturer ved 0-40 N efter 2015 kan have været forårsaget af nedbørshændelser som dem, der ses af Turtle et al. (2011). Sådanne begivenheder kan indikeres af de skarpe nedadgående pigge ved 30 N i de ikke-ensartede modelkasser for Ls = 26 liter, 49 liter og 73 liter. Fordampningskøling efter nedbørshændelser kan have deprimeret overfladetemperaturer i midten af bredden sent på foråret. Tokano (2019) GCM forudsiger, at i den nuværende epoke er de maksimale temperaturer i nord aldrig så varme som i syd. Syden, i modsætning til nord, har tendens til at være tør det meste af året (Lora & Mitchell 2015; Lora & Kurtd Kurtmkovics 2017; Birch et al. 2018; Tokano 2019). Derfor er der ikke meget forskel mellem modellerne i syd, og målingerne skelner ikke mellem dem. En undtagelse forekommer i de to tidligste perioder (Ls = 313 kr og 335 kr), hvor den tørre forudsigelse på Sydpolen er markant højere end de to andre tilfælde og også over dataene. En dukkert i temperaturer ved stangen kan være tegn på permanent overfladevådhed der. Sydpolen forventes at bevare fugt mere vedvarende end resten af den sydlige halvkugle (Tokano 2019).

en uregelmæssig opvarmning opstod på sydlige breddegrader i 2015-16 (Ls = 73 liter). Temperaturerne ved 50-90 ‘ erne var markant over alle tre af modelforudsigelserne. Tilsyneladende skete denne opvarmning ikke i de foregående 2013-14 (Ls = 49 liter) eller efter 2017 (Ls = 90 liter) perioder (Coustenis et al. 2019). Vi er ikke sikre på, hvad der ville forårsage en sådan forbigående opvarmning i polar south i det sene efterår, men en mulig mekanisme er frigivelse af latent varme som følge af ethankondensation nær overfladen. Denne proces er ikke inkluderet i modellerne. Det er naturligt at antage, at effekten var relateret til den dynamiske atmosfæriske struktur, der udviklede sig ved Sydpolen i midten til slutningen af efteråret (Achterberg et al. 2014; Jennings et al. 2015; Vest et al. 2016; Coustenis et al. 2019). På det tidspunkt dannede den nedadgående gren af den globale meridionalcirkulation ved Sydpolen. Stærk, kold nedvældning tvang sporgasser til at akkumulere og kondensere i den kolde stratosfære (Bampasidis et al. 2012; Teanby et al. 2012, 2017; Coustenis et al. 2013, 2016, 2018; Vinatier et al. 2015, 2018; Sylvestre et al. 2018). Især faldt faste partikler af Ethan ned i den varmere troposfære og fordampede igen og opbyggede overflod ved stangen. Som dyb afkøling begyndte i det sene efterår, Ethan recondensed nær overfladen (Rannou et al. 2006), måske som tåge eller tåge. Frigivelsen af latent varme opvarmede overfladen midlertidigt. Til sidst blev denne effekt overvundet af vinterkøling. Vi kan ikke være sikre på, at ethankondensation nær overfladen ville være tilstrækkelig til at forårsage den observerede opvarmning. Sammenlignet med metan, som er inkluderet i modellen af Tokano (2019), er hastigheden af ethankondensation 1000 gange mindre (Rannou et al. 2006; Anderson et al. 2014). På den anden side kan metankondensation også have spillet en rolle i frigivelsen af latent varme. Metankondensation nær Sydpolen er muligvis ikke blevet modelleret fuldt ud i tiden for den stærke polære hvirvel i det sene efterår. En alternativ forklaring på den tilsyneladende opvarmning i det fjerne syd er, at opaciteten af den varmere stratosfære kan være steget i løbet af 2015-16, hvilket giver en fejl i atmosfærisk korrektion. Mellem 2013 og 2017 dyppede temperaturen på 0,5–5 mbar ved høje sydlige breddegrader til en lav og derefter genvundet (Coustenis et al. 2019). Enhver forbedret kondens i løbet af den tid ville Kort have hævet opaciteten og få den varme stratosfære til at bidrage med ekstra udstråling ud over det i den atmosfæriske korrektionsmodel.

som i vores tidligere rapporter forsøgte vi at karakterisere fordelingen og sæsonudviklingen af Titans overfladetemperaturer ved at skabe en analytisk beskrivelse af målingerne. Vi præsenterer dette som en formel, der opsummerer breddeafhængigheden af overfladetemperaturer som en funktion af tiden:

her er T(L,Y) overfladens lysstyrketemperatur, L er breddegrad, og Y er tiden i år målt fra Titanjævndøgn (2009 11.august 2009.61). Denne analytiske model er kun gyldig over dataområdet, dvs. for L = -90 til + 90 og Y = -4,9 til 8,1 (2004 oktober til 2017 September). Formlen blev afledt ved først at tilpasse observationerne i hver af de syv perioder i Figur 1 til en separat cosinus. Montering blev udført ved at justere amplitude, fase og bredde af hver cosinus for at minimere standardafvigelsen. Disse parametre svarer henholdsvis til toptemperaturen, skiftet af toppen fra ækvator og drop-off mod polerne. Fra at undersøge de syv kurver fastslog vi, at alle tre parametre havde varieret systematisk i løbet af årstiderne. Vi udførte en lineær tilpasning (a+bY) til de syv værdier for hver parameter og brugte de resulterende seks koefficienter til at skabe Formel (1). Vi fandt ud af, at dette analytiske udtryk er en god repræsentation af overfladetemperaturerne målt af CIRS over Cassini-missionen. Dens standardafvigelse fra hele datasættet er 0,4 K. Den værste pasform var for 2010-12 (Ls = 26 liter), som havde en standardafvigelse på 0,7 K. Vi bemærker, at dette var tiden, cirka to år efter jævndøgn, hvor dramatiske ændringer skete globalt i atmosfæren (se for eksempel Teanby et al. 2012).

Formel (1) opsummerer de sæsonmæssige tendenser i overfladetemperaturerne. Det nordlige skift af toptemperaturen, som vi tidligere har rapporteret (Jennings et al. 2011, 2016) fortsatte gennem det sene nordlige forår til solstice. Bredden af den maksimale temperatur (midten af nord–syd symmetri) fulgte nøje det subsolære punkt fra 13 S i 2005 til 24 N i 2017. Vi finder en ikke-nul fase forskydning, der svarer til en lille sæsonbestemt forsinkelse ved jævndøgn, omkring 0.1 Titan måneder. Figur 1 viser, at en lille forsinkelse er i overensstemmelse med den ikke-ensartede GCM-sag, skønt det ikke er så klart, at der er en forsinkelse i den ensartede sag (se også Tokano 2019, figur 3). Vores sæsonbestemte forsinkelse er enig i det, der er rapporteret af Janssen et al. (2016) og er også i tråd med observationerne af Voyager 1 IRIS nær den forrige jævndøgn i 1980 November (Flasar et al. 1981; Courtin & Kim 2002). En lille forsinkelse er i overensstemmelse med den lave termiske inerti, der kræves af overfladen til daglige variationer (Cottini et al. 2012). Vores ækvatoriale temperatur på 93,5 liter 0,4 K ved jævndøgn (Ls = 0 liter) er enig med Voyager IRIS måling, 93 liter 1 K (Courtin & Kim 2002). Fra tidligt til sent i missionen faldt den maksimale amplitude af cosinus med omkring 1 K, fra 93,9 til 92,8 K. Den tidsafhængige bredde i Formel (1) betyder en “udfladning” af temperaturfordelingen, når toppen bevægede sig nordpå, dvs.et mere gradvist fald mod polerne. En undersøgelse af målingerne og af de monterede cosinus antyder, at selv om toptemperaturen faldt, forblev gennemsnittet af Nord-og sydpol temperaturer i hver periode omtrent det samme i alle syv perioder.

vores formel kan bruges til at inspicere ændringen i overfladetemperatur på en bestemt breddegrad over to-sæson mission. For eksempel på Huygens landingssted, 10 S, varierede temperaturen fra 93,9 til 92,5 K mellem 2005 og 2017. Fordi toptemperaturen faldt, da den skiftede nordpå, var den halvårlige temperaturvariation stærkt afhængig af breddegrad. Temperaturvariationen var størst ved 40 S (93,6–91,7 K), hvor overfladen var relativt tør og var mindste ved 40 N (92,6–92,7 K), hvor overfladetemperaturer blev modereret af det vådere nord (Lora et al. 2015; Tokano 2019). Ændringer i overfladekondensation skal være meget mindre i midten af nord end i midten af sydlige breddegrader. Ved 40 S mellem vinter og sommer ville damptrykket være steget med en faktor på 1,26 for methan og 1,61 for Ethan, mens de ved 40 N kun ville have varieret med faktorer på 1,01 og 1,03. Enhver nordlig migration af flygtige stoffer, mens syd er varmere, vil ikke blive fuldstændig fortrydt senere i den årlige cyklus, fordi de nordlige temperaturer aldrig bliver så varme som i syd. Temperaturområderne ved polerne var næsten identiske: 91,9 – 89,8 K ved 80 S og 89,9–91,9 K ved 80 N. begge poler nåede på deres koldeste de tredobbelte punkter for methan (90,7 K) og Ethan (90,3 K). Polerne kan til tider rumme både flydende og faste faser. Samlet set viser vores resultater, at den nordlige halvkugle præsenterer et køligere, mere godartet overflademiljø, i overensstemmelse med opbygningen af kondenserede flygtige stoffer. Vi bemærker, at Coustenis et al. (2019) har rapporteret, at i 2017, i syd nær Polen, forblev temperaturerne lave i stratosfæren ved tryk større end 0,5 mbar. Samtidig var de sydlige stratosfæriske gasmængder markant faldet fra det, de havde været i 2014-2015. Sent efterår kan have været en periode med forbedret kondens i atmosfæren og aflejring på overfladen.

vores globale overfladetemperaturer understøtter billedet af en nord-syd halvkugleformet asymmetri på Titan med et generelt køligere nord i den nuværende epoke. Vores aftale med modelforudsigelser, der inkluderer indflydelsen af metanhydrologi (Tokano 2019), giver stærk støtte til den konklusion, at flydende metan, på land såvel som i havene, er mere udbredt på Titans nordlige overflader end i syd og modererer overfladetemperaturerne i nord. I modsætning til nord er det meste af den sydlige halvkugle ikke vådt hele året rundt. Dette gør det muligt for Syd at være varmere end Nord og udvise bredere temperatursvingninger. Polerne på den anden side deler ikke den halvkugleformede asymmetri. De mindste og maksimale temperaturer på Nord-og sydpolen er ret ens. Dette indebærer, at de to poler begge er fugtige. Som demonstreret af Tokano (2019) er orbital ekscentricitet alene ikke nok til at forårsage stærk ophobning af metan på Nordpolen på bekostning af Sydpolen, og topografi kan spille en vigtig rolle i nord–syd asymmetrien på Titan.