Титан – спутник Сатурна: теплый подледный океан и ледяная поверхность

Титан – крупнейший спутник планеты Сатурн и второй по размеру среди спутников Солнечной системы. Кроме Земли, Титан – на данный момент единственное космическое тело, для которого научно доказано стабильное существование воды на поверхности и… целого незамерзающего океана скрытого под поверхностью!

Подледный океан Титана

Титан представляет собой шар диаметром 5152 километра, покрытый толстой коркой ледяного льда, под которым плещется океан жидкой воды. Не просто океан, а супер-океан – простирающийся на всю поверхность этого небесного тела и имеющий глубину около 300 километров. Океанское “дно” представляет собой каменное ядро Титана и заодно – его основной источник энергии, не дающий океану замерзнуть. В ядре должны оставаться радиоактивные элементы, запасенные Титаном при его образовании в раннюю эпоху формирования Солнечной системы. Как и на Земле, эти элементы понемногу распадаются, выделяя тепло, которое играет свою роль в поддержании океана.

Из-за плотной атмосферы, Титан – единственный спутник солнечной системы, чья поверхность с орбиты практически не видна

В период с 2004 по 2017 год, на орбите Сатурна находился космический зонд “Кассини”, который во многом и дал нам представление о том, что представляет собой Титан.  Вот что поведал нам “Кассини”.

Анализ топографических данных и сведений о гравитации Титана, крупнейшей луны Сатурна, показал вдвое большую толщину ледяной коры, чем считалось ранее: её толщина составляет примерно 200 километров. Источник энергии, поддерживающий воду в жидком состоянии – запасенное при образовании Титана тепло и, что не менее важно, приливные силы, с которыми на Титан действует газовый гигант Сатурн и другие его спутники. От реакций распада радиоактивных элементов и величины силы притяжения и деформаций, производимых ею внутри Титана, зависит и толщина корки льда на поверхности – чем больше вырабатывается тепла, тем теплее вода океана и тоньше верхняя корка.

Анализ свойств внутренней поверхности Титана подтвердил внутреннее строение спутника – ведь если в каком-то месте поле сильнее, но на поверхности лишней массы – например, горы – нет, то что-то плотное есть под поверхностью. А поскольку под ледяной коркой находится вода, плотность которой в целом одинакова везде, можно узнать толщину ледяной коры.

Плотность Титана была определена при помощи его вращения. Вообще, Титан захвачен приливными силами в резонансное вращение по орбите вокруг Сатурна, в результате оборот вокруг собственной оси вращения тело делает за то же время, что и оборот по орбите.

Что ещё рассказал «Кассини» о Титане

Из-за этого вращение Титана вокруг оси довольно медленное, но все же оно позволяет оценить влияние на него гравитационных полей близлежащих тел и за счет этого определить момент инерции луны. А момент инерции напрямую зависит от плотностей и толщины слоев Титана. «Мы получили картину Титана с твердым, состоящим из льда и камня ядром радиусом чуть более 2000 километров, покрытого океаном толщиной в 225-300 километров, и все это завершает кора толщиной 200 километров», – говорит автор исследования Говард Зебкер, сотрудник Стенфорда.

Двухсоткилометровая толщина внешней оболочки Титана удивила ученых. Принятые модели внутреннего строения Титана подразумевали всего лишь 100-километровую кору. Единственной причиной несоответствия фактов расчетным данным может служить меньшее количество тепла, вырабатываемого в недрах спутника. Поскольку с приливными силами Сатурна все довольно хорошо известно, в ядре должно быть меньше радиоактивных элементов, а значит, меньше камня и больше льда.

Также интересным фактом стало то, что Титан имеет приплюснутую форму. Как и Земля, Титан приплюснут на полюсах и немного вытянут на экваторе. Правда, в случае Титана основной причиной такого искажения является воздействие Сатурна, а не собственное вращение вокруг оси.

Внутреннее строение спутника Старуна – Титана

Однако моделирование формы Титана, при котором он вытягивается гравитационным полем Сатурна, показывает меньшее отличие от сферы, чем наблюдается на самом деле. Это значит, что внутри луны гравитация Сатурна воздействует на материю, пытаясь придать ей нужную форму. Текущую форму вместе с силами, действующими на тело, можно объяснить, если предположить, что плотность Титана примерно одинакова по всей глубине, но различна по широтам, при этом на полюсах она должна быть в целом больше. А поскольку вода плотнее льда, логично предположить, что на полюсах просто тоньше кора, то есть меньше льда, но больше воды.

По подсчетам Зебкера, средняя толщина ледяной коры на полюсах на 3 километра меньше, чем в среднем по луне, тогда как на экваторе – на 3 километра больше. Изменения толщины ледяной коры Титана указывают на то, что поступление тепла, также различно для разных широт спутника. Но это различие вряд ли объясняется внутренними запасами Титана – тепло, поступающее изнутри, должно иметь равномерное распределение во всех направлениях. Причиной изменений может служить небольшая эллиптичность орбиты Титана и как следствие – разность действия приливных сил Сатурна.

Из-за этого, а также и из-за несферичной формы луны, при движении по орбите возникают деформирующие силы, основной вклад в которые приходится, конечно, на Сатурн, хотя другие его спутники настолько велики, что их влияние нельзя не учесть. Они, правда, проявляются свое гравитационное поле в основном при близких проходах с Титаном и не имеют регулярного и повторяющегося воздействия на него.

Тепло, выделяющееся при деформации любого тела, может иметь значительный порядок, если речь идет о деформации целой луны. Влияние Сатурна при этом таково, что полюса испытывают большие деформации, нежели полюса. Поэтому они получают больше тепла и ледяная кора, соответственно, истончается.

Метановые озера на Титане

Конечно самая интересная часть истории о спутнике Титан – это история о его удивительных метановых озерах на поверхности.  Гипотетическая возможность существования на поверхности Титана рек и озёр, наполненных жидким метаном, была предложена ещё в 1979 году, на основе данных, собранных аппаратами «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которые показали существование плотной атмосферы Титана, соответствующего состава и нужных температур для поддержания метана в жидком состоянии.

И на снимках 2008 года, переданных космическим аппаратом НАСА “Кассини”, специалисты действительно отчетливо увидели на поверхности Титана озера из жидких углеводородов. По мнению исследователей, в реальности озера на снимках представляют собой своего рода “лужи”, в которые стекаются метан, этан и их соединения, которые на Титане периодически выпадают в виде дождей.

Карта метановых озер в северном полушарии Титана

На снимках “лужи” представлены черными пятнами, особенно много которых у полюсов Титана. До сих пор о существовании резервуаров с жидким метаном на поверхности Титана также было известно, но почти все ученые считали, что эти резервуары представляют собой полноценные озера с приличной глубиной. Однако более подробные наблюдения показали, что “озера” на Титане слишком часто меняют свое местоположение, а их размеры увеличиваются после каждого выпадения осадков.

“Аппарат Кассини сейчас обнаружил на северном полюсе Титана новые “озера”, которых еще год назад не было, другие значительно изменились в размерах и формах. В итоге, мы полагаем, что поверхность Титана очень сильно зависит от погоды и меняется в зависимости от сезона”, – говорят в НАСА.

На снимках “Кассини” совершенно четко видно, что в северном полушарии возле полюса Титана сосредоточены гораздо большие запасы жидкого метана, нежели в южном. Объясняется это сравнительно просто – сейчас на северном полюсе Титана “лето”, соответственно здесь чуть теплее, чем на южном полушарии и основные “дождевые” облака сосредоточены здесь. Как только “лето” придет в южное полушарие, то больше метановых луж будет там.

Блик на фото – отражение солнечного света от поверхности жидкого метанового озера на Титане. Впечатляет, а?

Впрочем, некоторые лужи на Титате просто гигантские по земным меркам. Так, площадь самой большой из них достигает 400 000 кв километров, суммарная площадь всех луж вблизи северного полюса превышает 510 000 кв километров – это на 40% больше площади Каспийского моря.

В НАСА говорят, что некоторые лужи из метана насколько велики, что даже в холодный сезон они не успевают полностью испариться. Остальные же резервуары постоянно испаряются, поэтому поверхность Титана постоянно находится в плотном метановом тумане.

“Последние исследования показывают, что на поверхности Титана недостаточно жидкого метана для пополнения атмосферных потребностей. На нашей новой карте отражено больше поверхности Титана , однако даже если предположить, что вся эта поверхность заполнена метаном, а в последствии он испаряется в атмосферу, то потери атмосферы Титана все равно не будут полностью восполнены. Поэтому можно утверждать, что атмосфере Титана не более 10 млн лет, будь она старше, то от нее уже ничего бы не осталось”, – уверена Элизабет Тертл, один из членов программы Кассини.

По материалам Стенфорда