Відкриття надзвукових вітрів у верхніх шарах атмосфери Титана - LESIA - Паризька обсерваторія

Понеділок, 15 квітня 2019 р

Міжнародна група під керівництвом дослідників LESIA щойно здійснила перше пряме вимірювання швидкості вітру в самих верхніх шарах атмосфери Титана, використовуючи спостереження за допомогою інтерферометра ALMA. Дослідження, опубліковане в журналі Nature Astronomy від 15 квітня 2019 р., Підкреслює наявність на 1000 км сильного екваторіального надзвукового вітру, що рухається Титаном із заходу на схід зі швидкістю 350 м/с, походження якого залишається пояснити.

Титан, найбільший супутник Сатурна, відносно повільно обертається на собі за 16 днів. Однак його густа атмосфера, яка сягає приблизно 1500 км над поверхнею, повертається в тому ж напрямку, що і Титан, але набагато швидше. Таким чином, на висоті 300 км зональні вітри, тобто паралельно екватору, які повертаються із заходу на схід, можуть досягати 200 м/с, тоді вони кружляють Титан всього лише за 24 год. Кажуть, що атмосфера надзвичайно обертається. Це явище спостерігається лише на двох об’єктах Сонячної системи: Венері та Титані. Зрозуміло, що це пов’язано із сукупним ефектом меридіанової циркуляції та хвиль, що несуть кутовий момент до екватора. Зонд Кассіні, який спостерігав атмосферу Титана з 2004 по 2017 рік, не мав спеціального приладу для безпосереднього вимірювання вітру. Тим не менше, завдяки вимірюванню температурних полів (що визначається тепловим викидом атмосфери) вітри та їх сезонні зміни можуть бути визначені приблизно до 400 км. Однак над цією висотою досі режим вітру був недостатньо вивчений.

Як виміряти вітри у верхніх шарах атмосфери Титана ?

Саме завдяки неперевершеній спектральній та просторовій роздільній здатності інтерферометра ALMA тепер дослідники мають доступ до прямого і точного вимірювання швидкості вітру шляхом вимірювання доплерівського зсуву молекулярних ліній, присутніх в атмосфері Титана.

відкриття

Доплерівський зсув спостерігається між західною (червоною) та східною (чорною) кінцівками екваторіальної області для двох ліній CH3CN (одна з центром 349,44699 ГГц, що відповідає нулю шкали частот) і лінія HNC (ізомер HCN, з центром на 362,63030 ГГц). Зміщення спектрів між двома кінцівками відбувається через швидкі вітри, що обертаються в тому ж напрямку, що і поверхня Титану.

Дані, що використовуються, мають просторову роздільну здатність, що дозволяє вирішити диск Титану (1 арксек, включаючи його атмосферу) та ізолювати випромінювання на кінцівці. Дослідники проаналізували дані, отримані в 2016 році, для складання карт вітру з доплерівських зсувів ліній викидів HCN, DCN, CH3CN, CH3CCH, HC3N та HNC. Карти вітру, отримані для кожної з цих молекул, вказують на наявність сильних програмних вітрів зі швидкістю порядку 250-350 м/с та різними структурами від однієї молекули до іншої.

Карти вітру, виміряні за доплерівськими змінами CH3CN (ліворуч) та HNC (праворуч)

Відстань виражається в радіусі Титану. Синій колір вказує на вітри, що наближаються до нас, а жовто-оранжевий - на вітри, що віддаляються. Вітри, виміряні з CH3CN, показують півсферичну асиметрію з сильнішими вітрами в південній півкулі (восени), ніж у північній. Вітри, виміряні від HNC, навпаки, демонструють структуру, розташовану навколо екватора, швидкість якої досягає 350 м/с, або в 1,4 рази більше швидкості звуку. !

На якій висоті розташовані ці вітри ?

Моделювання форми молекулярної лінії та її інтенсивності дозволяє повернутися до вертикального розподілу чисельності молекули та дізнатися діапазон висот, з якого походить її викид. Саме в цій же області вимірюють вітри, виведені за допомогою доплерівського зсуву. Кожна з шести досліджених молекул дає можливість зондувати власний діапазон висот. Таким чином, можна повернутися до вертикального розподілу вітрів від 300 км до 1000 км висоти.

Екваторіальні швидкості вітру, виміряні за доплерівськими зсувами ліній кожної з досліджуваних молекул: HNC (фіолетовий), HCN (червоний та жовтий), HC3N (бірюза), CH3CN (чорний), DCN (зелений) та CH3CCH (синій). Діапазони висот, досліджувані для кожної з цих молекул, позначаються вертикальними смугами.
На екваторі швидкість вітру зростає з висотою, коливаючись приблизно від 200 м/с на 300 км до 300 м/с на 1000 км.

Яке походження цих вітрів ?

Існування таких швидких вітрів у термосфері Титана (понад 600 км) не передбачалося. Дійсно, моделі до Кассіні передбачали існування термосферного режиму вітру, що дме з денної сторони на нічну, як на Венері. Однак місія Кассіні вимірювала температуру в термосфері Титана: не було виявлено кореляції між температурою, широтою, довготою чи сонячними променями, що свідчить про те, що температура в цьому регіоні не контролюється, головним чином за рахунок поглинання ультрафіолетового сонячного потоку. Тому виміряний сильний вітер, ймовірно, не знаходить свого джерела в нагріванні верхніх шарів атмосфери сонячним потоком.

Чи може джерело енергії цього вітру бути пов’язаний із впливом іонів та електронів, що надходять із Сатурна і транспортуються в магнітосфері планети? Магнітосферна плазма, яка обертається із Сатурном, впливає на Титан зі швидкістю 120 км/с. Це генерує конвекцію в іоносфері Титана, яка може, зіткнувшись між іонами та нейтральними молекулами, глибше спричинити вітри в нейтральній атмосфері. Однак ці вітри апріорі не повинні проникати глибше 1000 км висоти.

Сильний вітер, виміряний за даними ALMA понад 600 км, насправді частіше зароджується в глибшій атмосфері. Дійсно, хвилі, що утворюються у стратосфері у відповідь на добові зміни інсоляції, можуть поширюватися у напрямку до верхніх шарів атмосфери. Ці гравітаційні хвилі, які спостерігав Кассіні-Гюйгенс та з землі, могли таким чином переносити імпульс з нижніх шарів атмосфери на шари, розташовані на великій висоті, викликаючи прискорення екваторіального вітру вище 600 км. Цей сценарій є якісним на даний момент і ще не змодельований.

Моніторинг сезонної еволюції цих вітрів за допомогою ALMA, а також їх детальне моделювання буде важливим для кращого розуміння їх походження.

Довідково

Це дослідження було предметом статті під назвою " Інтенсивний термосферний струмінь на Титані »Е. Лелуха та ін., Опубліковано 15 квітня 2019 року в журналі Nature Astronomy.