Титан - самый крупный спутник Сатурна и второй по величине спутник в Солнечной системе (крупнее его только Ганимед, спутник Юпитера). По своим размерам он даже немного больше Меркурия, хотя и уступает ему в массе (масса Титана составляет 40% от массы Меркурия и в 1,83 раза превышает массу Луны). Титан вращается вокруг Сатурна по правильной круговой орбите на расстоянии 1,22 млн.км (в 3 раза дальше, чем Луна от Земли) и делает один оборот примерно за 16 дней. Видимый угловой размер Титана с Сатурна в 2 раза меньше видимого размера Луны в земном небе. Титан - единственный спутник в Солнечной системе, имеющий плотную атмосферу (давление у поверхности составляет 1,45 атмосфер). Поверхность спутника скрыта за плотным слоем желто-оранжевого смога.

    Основной атмосферной составляющей на Титане является молекулярный азот (более 95%). Количество метана меняется от 2,7% на высоте 1174 км до 1,6% в стратосфере, а у поверхности достигает 4,9%. Кроме азота и метана, атмосфера содержит аргон-40 (43 молекулы на миллион), углекислый газ (345 молекул на миллион) и продукты фотолиза метана: этан, ацетилен, бензол, дициан С2N2 и молекулярный водород. В момент посадки зонда Гюйгенс на поверхность Титана "метановая влажность" у поверхности составила 50%, на высоте 8 км она достигла 100%. Из-за низкой силы тяжести атмосфера Титана простирается на высоту 1500 км и выше.

Состав атмосферы Титана по данным масс-спектрометра зонда Гюйгенс. Показан состав атмосферы на высоте 120-130 км и у поверхности. Кроме азота и метана, в атмосфере присутствуют этан, аргон 40, углекислый газ, дициан, бензол и молекулярный водород. Также в качестве примесей присутствуют высокомолекулярные углеводороды сложного состава.

Молекулярный состав атмосферы на разных высотах от поверхности Титана

    Температурный минимум (тропопауза) в атмосфере Титана расположена на высоте 44 км над поверхностью при температуре 70 К и давлении 0,11 атм. Ниже температура начинает расти и достигает у поверхности значения 94 К. Выше тропопаузы лежит стратосфера - область атмосферы, где температура растет с высотой. На высоте 250 км температура достигает 186 К, а выше снова начинает падать. На высотах 500-1000 км расположено шесть инверсионных слоев с разницей температур между слоями 20-30 К. На высоте 1500 км над поверхностью температура составляет около 140 К.

Левое изображение: температурный профиль атмосферы Титана по данным зонда Гюйгенс - миссия аппарата Кассини; Правое изображение: дымка в верхней атмосфере Титана. Снимок был получен АМС "Кассини" 31 марта 2005 года с расстояния 9500 километров от поверхности Титана.
Температурный профиль атмосферы Титана по данным зонда Гюйгенс

    Солнечный ветер, заряженные частицы магнитосферы Сатурна и космические лучи ионизируют атмосферу Титана, образуя ионосферу. По данным зонда Гюйгенс максимум электронной концентрации достигается на высоте 60 км. Атмосфера Титана вращается в ту же сторону, что и спутник в целом, но гораздо быстрее. Это явление называется суперротацией и роднит Титан с Венерой. В стратосфере скорость ветра достигает 160 м/сек. На высотах 120-150 км над поверхностью скорость ветра составляет около 100 м/сек, ниже скорость ветра падает, и на высоте около 80 км наступает полный штиль. Ниже ветер снова усиливается и на высоте 50 км достигает 40 м/сек. Еще ниже скорость ветра снова падает; на высотах ниже 5 км скорость ветра не превышает нескольких метров в секунду.

Скорость зональных ветров на Титане по данным зонда Гюйгенс. По горизонтальной оси внизу отложено время (в минутах) от начала работы зонда. (0 - 150 минут)

Скорость зональных ветров на Титане по данным зонда Гюйгенс

    По данным зонда Гюйгенс атмосфера Титана затуманена почти на всем своем протяжении. Туман редеет лишь на высотах ниже 30 км. Метановые облака в тропосфере Титана очень динамичны: возникая буквально за полчаса вследствие подъема воздушных масс из средней тропосферы к тропопаузе, они проливаются дождем и рассеиваются в течение следующего часа. Также в атмосфере иногда появляются облака из этанового снега. Одно такое облако наблюдалось автоматической межпланетной станцией "Кассини" в северном (зимнем) полушарии Титана на широтах 51-68 градусов и на всех наблюдаемых долготах. Конденсация этанового снега на полюсах Титана во время полярной зимы может объяснить отсутствие жидких этановых водоемов в низких и средних широтах.
    В оптическом диапазоне протяженная облачная дымка пропускает к поверхности только 10% падающего света. Во время спуска в атмосфере Титана зонд Гюйгенс измерял спектры неба как при взгляде "вверх", так и "вниз" (точнее, в интервале углов от 10 до 50 градусов от надира). Эти спектры (для разных высот) представлены ниже.

Здесь показаны спектры атмосферы при взгляде "вниз и немного вбок" для разных высот над поверхностью Титана. Видно, что максимум излучения в спектре приходится на лучи с длиной волны 550-600 нм (желтые) и 620-720 нм (красные), что и придает Титану характерный оранжевый цвет. По мере погружения в атмосферу (снижения высоты зонда) интенсивность излучения падает, внизу становится все темнее и "краснее" - max излучения сдвигается в сторону волн с длиной 640-680 нм.

Спектры атмосферы Титана при взгляде "вниз и немного вбок"

Спектры атмосферы при взгляде вверх, т.е. спектры неба Титана

Здесь показаны спектры атмосферы при взгляде вверх, т.е. спектры неба. На высоте 140 км небо еще неяркое, светло-желтого оттенка (интенсивность излучения "сверху" примерно в 2 раза меньше интенсивности излучения "снизу"). По мере погружения яркость неба растет, а его цвет становится все более и более красным. На высоте 50 км максимум излучения в спектре неба уже приходится на волны с длиной 560-680 нм (оранжевые и красные лучи).

    В окнах прозрачности (около 1270 нм и 1550 нм) атмосфера Титана прозрачна почти так же, как и земная атмосфера в оптическом диапазоне! И если в видимых лучах на Титане всегда пасмурно, в ИК-диапазоне с поверхности Титана видны и Солнце, и Сатурн.

График, аналогичный предыдущему, но для высот ниже 50 км. При дальнейшем погружении яркость неба на коротких волнах (< 700 нм) начинает падать, а на длинных продолжает расти. При взгляде с поверхности небо, по всей видимости, выглядит оранжево-красным и еще довольно ярким. Полная освещенность на Титане в полдень соответствует ранним сумеркам на Земле (1/1000 от освещенности в солнечный полдень на Земле).

График, аналогичный предыдущему, но для высот ниже 50 км на Титане

Яркость неба вблизи поверхности Титана для световых волн ИК диапазона

Здесь показана яркость неба вблизи поверхности Титана для световых волн инфракрасного диапазона. Черными ромбами показаны замеры интенсивности света "сверху", которые зонд Гюйгенс сделал на высоте 734 м над поверхностью, когда в поле зрения датчика попало Солнце. Черными квадратами показаны аналогичные замеры, сделанные на высоте 53 м, когда Солнце в поле зрения датчика не попало. Контраст между замерами, полученными в обоих случаях, говорит о том, насколько хорошо видно Солнце в разных спектральных диапазонах. Видно, что для света с длиной волны около 940 нм оптическая плотность атмосферы близка к 2, а для света с длиной волны 1550 нм она падает до 0,5.

Атмосфера Титана состоит основном из азота и метана, также в ней присутствуют в виде примесей аргон и продукты фотолиза метана, такие как этан, цианистый водород, ацетилен и молекулярный водород. Молекулярный водород медленно улетучивается из атмосферы в космос. При низких температурах, царящих на Титане (температура воздуха у поверхности составляет 94 К или -179 С), метан и этан могут существовать в жидком виде и играют ту же роль, что играет на Земле вода: выпадают на поверхность в виде дождя, текут по речным руслам и образовывают моря и озера. Развитая метеорология, сложные и разнообразные формы рельефа и геологическая активность делают Титан одним из интереснейших небесных тел в Солнечной системе.