Image Image Image Image Image Image Image Image Image Image

Новости астрономии и астрофизики — The Universe Times | 23.06.2018

Scroll to top

Top

Нет комментариев

Юбилей спуска зонда Гюйгенс на поверхность Титана

Юбилей спуска зонда Гюйгенс на поверхность Титана
shortstoryf

Десять лет назад одинокий автоматический аппарат начал свой спуск на парашюте в затуманенную атмосферу чуждого нам мира. После фазы посадки, длившейся два часа, он глухо приземлился на холодную поверхность, окружённую ледяными булыжниками. С этого момента началось знаменательное события изучения Титана, спутника Сатурна, с помощью первой автоматической станции Гюйгенс (Huygens).

Аппарат был поистине выносливым, поскольку он смог пережить не только спуск и приземление, но и больше часа передавал данные с поверхности Титана, пока его батареи не были истощены. С того исторического момента учёные со всего мира смогли прикоснуться и детально изучить объёмы данных, посланные Гюйгенсом на Землю, а его станция-носитель Кассини (Cassini) до сих пор работает в системе Сатурна. За прошедшие десять лет благодаря этому дуэту учёным удалось открыть множество удивительных деталей этого подобного Земле мира.

Вехи в истории аппарата Гюйгенс

Изучение атмосферы Титана

Прибор Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI) провёл первые измерения атмосферы Титана в «полевых условиях». HASI зафиксировал температуру, давление и плотность в диапазоне высот от 1400 и до поверхности спутника. Но ещё задолго до того, как Гюйгенс долетел до Титана, учёные знали, что плотная его атмосфера главным образом была составлена из азота с примесями метана, но структура атмосферы была плохо понята.

Контролируя темп замедления ускорения по мере того как зонд погружался в атмосферу, инструмент HASI смог напрямую определить плотность верхних слоёв атмосферы. Температура была получена от моделей, которые описывали то, как она должна меняться при изменении плотности и высоты. В более низких слоях атмосферы (ниже 160 километров) и на поверхности Титана прибор, наравне с давлением и температурой, также измерил и электрические свойства, такие как диэлектрическая постоянная и распределение ионов.

Данные HASI показали, что верхняя атмосфера Титана, термосфера, была более тёплой и более плотной, чем ожидалось. Выше 500 километров средняя температура равнялась приблизительно -100 градусам Цельсия, но здесь же были обнаружены и вариации в 10-20 градусов из-за инверсионных слоёв и других явлений, таких как гравитационные волны и приливы. Мезосфера фактически отсутствовала, в отличие от теоретических предсказаний. Ниже 500 километров температура увеличивалась довольно быстро, достигая максимума в -87 градусов Цельсия на высоте 250 километров. Затем она снова стала уменьшаться по всей стратосфере, достигая минимума -203 градуса на высоте 44 километра, что отметило границу между стратосферой и тропосферой. Затем температура увеличилась снова, поскольку зонд приближался к поверхности. В конце концов она поднялась до -180 градусов. Поверхностное давление составляло 1.47 часть от земного.

Сверхбыстрые ветры

Хотя ранние наблюдения миссии Кассини-Гюйгенс указывали, что в атмосфере Титана могут присутствовать сильные зональные ветры, первые прямые наблюдения были сделаны инструментом Doppler Wind Experiment на Гюйгенсе. Измеряя Доплеровское смещение радиосигнала, приходящего от зонда и изучив панорамные мозаики от бортового блока формирования изображений, который предназначался для определения траектории спуска, удалось создать высокоточный вертикальный профиль ветров Титана с погрешностью не более одного метра в секунду. Аппарат обнаружил, что зональные ветры обладают проградным движением (движутся в ту же сторону, что и вращается Титан), поскольку зонд во время спуска дрейфовал на восток под действием удивительно сильных западных ветров, которые достигали своего максимума в 120 метров в секунду (430 километров в час) на высоте примерно 120 километров.

Спустивших на высоту 60 километров, Гюйгенс стал фиксировать сильные вариации в Доплеровском смещении, что являлось доказательством успешного прохождения области с самыми опасными ветрами. На текущей высоте в 55 километров скорость ветра уменьшилась до 30 метров в секунду (108 километров в час) до 10 метров в секунду (36 километров в час) на высоте 30 километров. В конечном счёте ветер замедлился до 4 метров в секунду (14 километров в час) на двадцати километрах. На высоте 7 километров ветры полностью стихли, а затем поменяли своё направление. Проградное движение ветра на высотах от 45 до 70 километров, а также свыше 85 километров, было намного быстрее, чем экваториальная скорость вращения Титана. Это было первое подтверждение предсказанного супервращения атмосферы луны, даже при том, что наблюдаемая скорость оказалась ниже ожидаемой. К тому же на высотах 60-100 километрах был обнаружен слой с удивительной медленным ветром.

В течение заключительных 15-ти минут спуска Гюгенс стал смещаться в направлении запад — северо-запад со скоростью примерно 1 метр в секунду. Вообще, за всё время спуска зонд прошёл, дрейфуя, 165.8 километров относительно поверхности Титана.

Загадка метана

Так же Гюйгенс сумел провести первые исследования состава более низких слоёв атмосферы Титана. Эти данные были получены прибором Gas Chromatograph Mass Spectrometer (GCMS) и включали в себя профили высот газообразных элементов, изотропических отношений и следов газов (в том числе и органических соединений).

В своей работе Гюйгенс пытался ответить на вопрос о происхождении азота и метана в атмосфере, а так же определить механизмы, с помощью которых удавалось поддерживать постоянный уровень этих элементов. Дело в том, что солнечный свет разрушает метан на Титане, поэтому на нём этот элемент мог существовать десятки миллионов лет максимум. Так или иначе метан должен непрерывно или периодически, но пополняться.

Аппарат сумел подтвердить, что основными элементами в атмосфере Титана являются опять же метан и азот. В стратосфере содержание метана было довольно низким, поэтому газ здесь был перемешан однородно. А на высоте в 40 километров, в верхней тропосфере, относительное количество метана начало резко увеличиваться до высоты примерно в 7 километров, когда его концентрация достигла ста процентов. Последние 15 минут спуска количество метана оставалось относительно постоянным, пока Гюйгенс не приземлился на поверхность. Внезапное 40-процентное увеличение концентрации метана. в то время как количество азоте оставалось постоянным, говорило о том, что на поверхности может присутствовать метан в жидком виде. Возможно это произошло из-за посадки зонда, в процессе которой он мог нагреть ее. Эта повышенная концентрация была почти постоянной в течение часа с небольшим снижением к концу этого отрезка.

Измерения изотопов углерода в метане не подтвердило теорию о том, что он мог быть произведён микроорганизмами на Титане. Метан, вероятно, аккумулировался Титаном во время своего формирования, и большие количества жидкого метана сейчас находятся в ловушке во льдах ниже поверхности, с возможностью достигать поверхности посредством криовулканизма. Этот процесс наверняка мог бы возобновлять концентрацию элемента, снижающуюся в результате фотохимии в атмосфере. Спектры, полученные на поверхности, также показали присутствие более сложных углеводородов, таких как этан, бензол и циан.

Появление азота

Титан и Земля являются единственными объектами в Солнечной системе, у которых есть плотные слои азота в атмосферах. И хотя данные от более ранней миссии Вояджеров (Voyager) показали, что азот (N2) может быть главным газом в атмосфере Титана, прибор Gas Chromatograph Mass Spectrometer (GCMS) на Гюйгенсе показал первые конкретные цифры наличия азота в атмосфере Титана и его концентрацию. Другие исследования GCMS дали представления о том, откуда эта атмосфера могла вообще возникнуть.

Одна из целей GCMS состояла в поиске тяжёлых благородных газов, таких как аргон-36 (36Ar), аргон-38 (38Ar), криптон (Kr) и ксенон (Xe). Эти первородные газы ранее были обнаружены и изучены в метеоритах, в атмосфере Земли, Марса, Венеры (в некоторой степени) и Юпитера. Различные отношения этих элементов друг к другу как раз и помогают проникнуть в суть происхождения и развития этих объектов. В связи с этим, поиск этих газов в атмосфере Титана был очень востребован. Ученые предполагали, что эти благородные газы присутствовали всюду по солнечной туманности и должны быть включены в состав и Сатурна, и Титана во время ранних стадий их формирования. В контексте происхождения азота, аргон-36 имеет особое значение, и GCMS обнаружил, что отношение аргона-36 к азоту было примерно в один миллион раз меньше, чем на Солнце.

Обычная конденсация газов в молодом Титане привела бы к захвату аргона-36, так же как и азота, в концентрациях, равных солнечным. Однако, информация GCMS отношения этих элементов показала, что азот здесь появился из аммиака или из других молекул, имеющих азот в составе. Редкое содержание благородных газов в земной атмосфере всегда рассматривалось как сильная поддержка теории о том, что атмосфера Земли сформировалась в результате воздействия богатых газом планетезималей, а практически полное отсутствие этих газов у Титана практически подтвердило эту гипотезу.

Радиоактивный распад и криовулканизм

Одним из газов, обнаруженных GCMS, был радиоактивный аргон-40 (40Ar). Этот изотоп позволяет взглянуть на внутреннюю структуру Титана. Этот элемент был обнаружен на высоте ниже 18 километров. Его обнаружение было важно, поскольку он образуется исключительно из распада калия-40 (40K), радиоактивного изделия калия, обнаруженного в камнях, а единственный возможный источник аргона-40 является твёрдой породой, находящейся глубоко в интерьере Титана, ниже мантии, состоящей из углеводорода и льда. Так как период радиоактивного полураспада калия-40 составляет приблизительно 1.3 миллиарда лет, что намного короче, чем время жизни Титана, небольшое количество аргона-40 в атмосфере является важным индикатором того, насколько сильно проходят процессы уноса газа из глубин спутника.

Если твёрдые компоненты интерьера Титана имеют схожий состав с Землей и ту же степень выхода газов из недр, то Гюйгенс должен был зафиксировать приблизительно в десять раз больше аргона-40, чем есть на самом деле. если внутренняя структура была достаточно тёплой в прошлом для того, чтобы жидкая вода или жидкий аммиак мог просочиться вглубь до ядра, в этом случае калий стал бы тоже жидкостью. Тогда и аргона-40 появилась бы возможность выходит на поверхность.

Туманный Титан

Одна из замечательных особенностей Титана — оранжевый покров тумана, который полностью скрывает его поверхность. Однако, до приземления Гюйгенса, никто не знал, распространяется ли туман до самой поверхности Титана. Измерения с помощью Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR) позволили получить исчерпывающую информацию об оптических свойствах, размере и плотности частиц тумана. Наблюдения показали, что на всех высотах присутствует огромное количество этого странного тумана, который распространяется вплоть до поверхности Титана. С уменьшением высоты его частицы становились более яркими, а их размеры увеличивались из-за столкновений между собой, которые приводили к эффекту «снежного кома». Точно также конденсировались метан, этан и водородные цианиды на маленькие ядра аэрозолей на низких высотах.

Гюйгенс обнаружил три различных области тумана, основываясь на плотности и оптических свойствах: область I выше 80 километров, область II между 80 и 30 километрами, область III между 30 километрами и поверхностью. Перед началом миссии вообще считалось, что крошечные частицы тумана медленно снижаются в стратосфере, в конечном счёте становясь ядрами для конденсации для облаков низшего уровня. Некоторые учёные говорили, что туман мог бы рассеяться ниже 50-70 километров из-за уплотнения газов, таких как метан. Однако, DISR показал, что Гюйгенс начал выходить из этого облака только в тропосфере, на высоте 30 километров над поверхностью.

Другой тонкий слой тумана был обнаружен на высоте 21 километр, где местная температура составляла -197 градусов Цельсия, а давления равнялось 450 мБар. Эта особенность могла быть признаком уплотнения метана. И действительно, данные Гюйгенса показали присутствие слоистых облаков метана в тропосфере Титана на высотах между 8 и 30 километров. Объединив эти данные с наземной информацией, удалось установить, что ледяное облако метана находится между 20 и 30 километрами, а жидкий слой облаков метана и азота между 8 и 16 километров. Возможно между ними есть промежуток.

Крошечные аэрозоли

Крошечные частицы (аэрозоли) в атмосфере Титана, как считалось долгое время, играли важную роль в определении её структуры и атмосферных процессов. Однако, до миссии Гюйгенса, никакие прямые измерения не проводились в плане изучения химического состава этих частиц. Один набор данных был получен прибором Gas Chromatograph and Mass Spectrometer (GCMS), другой — Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP). Собранные аэрозольные частицы были разогреты в ACP с целью выпаривания всех волатильных компонентов,а состав газа каждого образца затем был измерен GCMS.

Два замера атмосферы были проведены во время спуска Гюйгенса. Первый на высоте 130-135 километров (середина стратосферы), второй на высоте 20-25 километров (средняя тропосфера). Аммиак и водородный цианид были идентифицированы в качестве основных составляющих газов, образовавшихся при нагревании, что подтверждает, что углерод и азот являются главными элементами аэрозолей. Никакие существенные различия не были обнаружены между этими образцами. Это означает, что состав аэрозолей был одинаков на обеих высотах. Это подтверждает версию того, что у них есть один общий источник в верхней атмосфере, где ультрафиолетовый солнечный свет фотохимически изменяет газы, такие как метан.

Тем временем прибор DISR характеризовал оптические свойства фотохимических аэрозолей начиная с высоты 150 километров и до поверхности. Как выяснилось, они соответствуют свойствам толинов — материалов, созданных в лабораториях, когда посылался электрический разряд в смесь азота и метана. Оптические свойства аэрозолей могут быть уточнены по свойствам плотности цианидов на высоте 80 километров, этана близко к тропопаузе (44 километра) иди метана (от тропопаузы до 8 километров).

Высохшие озёра и реки

Скрытая под плотным туманным одеялом, поверхность Титана всегда оставалась тайной. Так было до тех пор, пока DISR не отправил на Землю серию уникальных изображений. Прибор получил несколько сотен изображений в видимом свете своими тремя камерами во время спуска на поверхность, который занял 2 часа и 27 минут, включая несколько стереопарных изображений, которые позволили создать цифровую модель ландшафта.

Камеры показали, плато с большим количеством тёмных каналов, врезающихся в него, что сформировало дренажные русла, которые имеют много общих черт с земными. Узкие каналы сходились в широкие реки, которые стекались в широкую, тёмную область в низменности. Ущелья, заполненные реками были приблизительно 100 метров глубиной, а их наклоны были очень круты, что указывала на быструю эрозию из-за внезапных, сильных потоков.

Во время приземления не были обнаружены никакие доказательства присутствия жидкости на поверхности. Однако, кажется вероятным, что время от времени вся тёмная область наводнялась жидкими метаном и этаном. Если эта тёмная область является высохшим дном озера, то она слишком большая, чтобы быть наполненной ручьями и каналами, видимыми на снимках. Возможно, здесь была другая система рек, а может и произошло какое-то крупномасштабное катастрофическое событие.

Более светлые области к северу от посадочной площадки продемонстрировали две разных сливных поверхности: 1) светлое высокогорье с грубой топографией и глубоко выветренными древовидными дренажными сетками и тёмными долинами, что говорит о процессах эрозии под действием ливней из метана; 2) короткие каналы, следующие за прямыми впадинами, формирующими особенности, подобные каньону. Топографические данные показали, что светлые ландшафты являются чрезвычайно резкими, часто с наклонами до 30 градусов. Постепенно они переходят в относительно плоские, темные низменности. Темное вещество, которое покрывает равнины, возможно, было принесено потоками и составлено из фотохимических осаждений, которые лились сверху. Сама посадочная площадка напоминала высушенное русло реки. Скруглённые булыжники, 10-15 сантиметров в диаметре, вероятно сделаны из углеводородов и льда.

Резонансы Шумана

Одним из самых удивительных открытий миссии Гюйгенса является выявление необычного источника электрического возбуждения в атмосфере Титана. Учёные давно задавались вопросом, могут ли здесь появляться молнии, в связи с чем Гюйгенс был оборудован прибором Permittivity, Wave and Altimetry (PWA), предназначенным для обнаружения контрольных радиосигналов.

На Землей каждую секунду происходят тысячи вспышек молний, и каждая из них производит «потрескивания» в радиоэфире. Это означает, что наша атмосфера непрерывно производит радиосигналы сверхнизкой частоты, известные как Резонансы Шумана. Эти глобальные электромагнитные резонансы, образующиеся разрядами молний, образуются в воронках, сформированных между поверхностью Земли и ионосферой. Такие резонансы известны на Земле только благодаря штормовым молниям, и долго считалось, что их существование на других планетах позволит показать присутствие штормовой активности и способность грунта проводить электричество. И хотя никакие молнии или грозы не были обнаружены в атмосфере Титана, PWA действительно сумел обнаружить необычный сверхнизкий сигнал на частоте приблизительно 36 Герц. Гюйгенс также обнаружил более низкий ионосферный слой между 140 и 40 километрами с электрической проводимостью, достигающей максимума около 60 километров.

Чтобы объяснить уникальный набор сигналов, учёные предположили, что атмосфера Титана должна вести себя как гигантская электрическая цепь. Электрические токи образуются в ионосфере, когда она взаимодействует с магнитосферой Сатурна. Это приводит к эффекту динамо, когда плазма, пойманная в ловушку в магнитосфере, постоянно оборачивается вместе с планетой каждый десять часов. более низкая граница воронки Титана, которая отражает радиосигналы, как предполагают, является проводящим океаном из воды или аммиака, который скрыт на глубине 55-80 километров ниже ледяной корки. Открытие такого уникального Резонанса Шумана является ключевым доказательством того, что в недрах Титана существует океан ниже ледяной поверхности.

Невидимые дюны

К удивлению учёных, обнаружение посадочной площадки Гюйгенса по изображениям, полученным от Кассини, было намного более трудным, сем ожидалось. не смотря на то, что прибор DISR на борту зонда может видеть особенности поверхности с максимальной высоты в 450 километров, изображения, которые были посланы на Землю, было трудно сопоставить с данными от synthetic aperture radar (SAR) на борту Кассини.

Область вокруг места посадки Гюйгенса оказалась огромной равниной из грязного водяного льда, на котором есть покрой осаждений, имеющих в своём составе углерод. Эта аэрозольная мантия была невидима для радарных волн, таким образом, изображения от Кассини показали только подлежащий водяной лёд. В результате граница между светлой горной местностью и тёмными равнинами, над которыми дрейфовал зонд, не могла быть выявлена на радарных изображениях. Местоположение Гюйгенса было определено только через некоторое время, после обнаружения двух тёмных продольных дюн, приблизительно на 30 километров к северу от неё. Неуловимые очертания ландшафта были хорошо видны и SAR, и DISR.

Фото
Титан Гюйгенс посадка

Источник: ESA/NASA/JPL/University of Arizona

Изображения Титана, полученные прибором Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR) на борту Гюйгенса 14 января 2005 года. На изображениях взгляд направлен в четырёх разных направлениях (Запад, Север, Восток, Юг), а снимок получен на пяти различных высотах (150, 30, 8, 1.5 километров и 300 метров).

Титан Гюйгенс место посадки

Источник: ESA/NASA/JPL/University of Arizona

Изображения, зарегистрированные радиометров на высотах от 7 и до 0.5 километров. Движение Гюйгенса относительно поверхности Титана показано белой пунктирной линией. Видно, что горный хребет около центра мозаики испещрён дюжиной более тёмных переулков или каналов. Окончательное место посадки показано знаком «X».

Титан образование аэрозолей

Источник: ESA / ATG medialab

Эта иллюстрация демонстрирует различные способы, которые приводят к формированию аэрозолей, составляющих туман на Титане.

Когда солнечный свет или частицы очень высоких энергий от магнитосферы Сатурна поражают слои атмосферы Титана выше 1000 километров, азот и молекулы метана начинают разрушаться. Это приводит к формированию массивных положительно заряженных ионов и электронов, которые запускают цепь химических реакций, производящих различные углеводороды. Многие из них были обнаружены в атмосфере Титана, включая полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые являются большими молекулами, в основании которых находится углерод, формирующиеся из скоплений меньших углеводородов. Некоторые ПАУ, обнаруженные в атмосфере Титана, также содержат в себе атомы азота.

ПАУ являются первым шагом на пути формирования все более и более крупных образований. Разработанные модели точно предсказали, что ПАУ могут сгущаться и формировать большие совокупности, которые имеют тенденцию снижаться в атмосфере из-за их большого веса. Присутствие элементов с более высокими удельными весами в низких слоях атмосферы прокладывает тропинку для дальнейшего роста этих крупных конгломератов атомов и молекул. Все эти реакции в конечном счёте приводят к образованию аэрозолей, которые были найдены в низких слоях атмосферы Титана, значительно ниже 500 километров.

Срез Титана

Срез поверхностного и подповерхностного слоев Титана. Источник: ESA/ATG medialab

Учёные смоделировали процесс, при котором жидкость, которая в будущем наполнила бы резервуары жидких углеводородов в недрах Титана, просачивается через пористую, ледяную корку Титана. Они обнаружили, что на дне оригинального резервуара, который содержит ливневый метан, начинает формироваться новая емкость, которая полностью будет составлена из клатратов. Вообще, клатраты является соединениями, в которых вода формирует кристаллическую структуру с маленькими пустыми ячейками, в ловушку которых попадают другие вещества, как метан и этан. Клатраты, содержащие метан, были найдены на Земле в некоторых полярных и океанических отложениям. На Титане поверхностное давление и температура должны позволить клатратам формироваться, когда жидкие углеводороды входят в контакт с водяным льдом, который является главной составляющей верхней корки Титана. Эти слои могут оставаться устойчивыми на несколько километров ниже поверхности Титана.

Одно из специфических свойств клатратов — в своей ловушке они могут разбивать молекулы на раствор жидких и твердых фаз, этот процесс назван фракционирование. Клатратные резервуары в недрах Титана будут взаимодействовать и фракционировать жидкий метан из первоначального углеводородного озера, медленно меняя его состав. В конечном счете оригинальный жидкий слой метана будет превращен в жидкий слой пропана или этана.

Титан Структура

Источник: Angelo Tavani

Предполагаемая структура Титана, которая демонстрирует присутствие океана под ледяной поверхностью. Информация получена от аппарата Кассини.

Поверхность Титана

Источник: NASA/JPL/ESA/University of Arizona

Это изображение было получено 14 января 2005 года исследовательским зондом Гюйгенс Европейского космического агентства сразу после его успешного приземления. Изображение обработано для того, чтобы показать наиболее точное представление о фактическом цвете поверхности Титана.

По информации NASA.

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Оставьте комментарий

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Лицензия Creative Commons «The Universe Times» Google