Многолетняя работа межпланетной станции Cassini в системе Сатурна продолжается. В рамках нового этапа миссии, получившего название «Солнцестояние» (Solstice), зонд сможет изучить весь сезонный период Сатурна. По планам Cassini будет работать у газового гиганта до 2017 г. Маневры, которые в конечном итоге приведут станцию в атмосферу планеты, предполагается начать лишь в ноябре 2016 г.

КАССИНИ: ТИТАН

    Мы расстались с одним из самых результативных зондов год назад. За это время Cassini выполнил множество пролетов у спутников Сатурна, а ученые на Земле сделали много открытий и опубликовали массу интересных статей, основанных на данных, переданных межпланетной станцией.


    Данные радиолокационных наблюдений, выполненных Cassini, позволили составить первую глобальную топографическую карту крупнейшего спутника Сатурна.
    «На Титане очень много интересного - вроде текущей жидкости и движущихся песчаных дюн, и, чтобы разобраться в этих процессах, необходимо знать наклон местности, - полагает глава группы по составлению карты Ральф Лоренц (Ralph D. Lorenz) из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. - Это особенно полезно для тех, кто изучает гидрологию Титана и моделирует его климат и погоду».
    Почти все имеющиеся у нас сведения о Титане получены благодаря КА Cassini, который пролетел мимо него около 100 раз почти за десять лет. Трехмерная топографическая карта (рис.) составлена на основании радиолокационных данных, так как из-за густого тумана оптическая съемка элементов рельефа Титана практически невозможна.

На графике: карта высот и глубин на Титане     Тем временем специалисты из JPL под руководством Кристофа Сотена (Christophe Sotin), проанализировав данные наблюдений Cassini за последние восемь лет, пришли к выводу, что запасы метана на Титане могут полностью иссякнуть через 20-30 млн лет. Правда, они исходят из предположения, что нынешние запасы метана «выплеснулись» на поверхность из недр Титана в результате крупной древней космической или геологической катастрофы и с тех пор практически не восполняются.     Такая гипотеза основана на крайне медленных измерениях размеров озер на поверхности и спутника, а также интенсивности круговорота жидких углеводородов. Если она справедлива, то со временем углеводородная «вода» Титана окажется состоящей полностью из этана и других, более сложных, соединений, в которые метан превращается под воздействием солнечной радиации.

КАССИНИ: ЗАГАДКИ ТИТАНА

    Основная проблема в том, что Cassini работает на орбите спутника Сатурна, а не на орбите вокруг Титана, и может собирать информацию только во время относительно коротких пролетов. До 2012 г. зонд «осмотрел» с помощью радара лишь около половины поверхности спутника, а для того, чтобы дополнить очертания деталей поверхности информацией о высотах, нужны многократные или специальные съемки. Если разделить Титан на квадраты со стороной в один градус, то топографические данные есть только для 11% из них. Поэтому ученые воспользовались математической моделью: аппроксимировали сплайнами рельеф тех областей, для которых данных пока нет.
    Разумеется, это промежуточный продукт, ведь Cassini до окончания своей работы на орбите Сатурна выполнит еще множество пролетов Титана.
    Новые радарные наблюдения, проведенные Cassini, показывают: на поверхности метановых озер и морей Титана находятся льдины из замерзших углеводородов.
    Напомним: крупнейший спутник Сатурна - единственное известное небесное тело, кроме Земли, обладающее устойчивой гидросферой. Однако она состоит не из воды, а в основном из метана и этана. В 2006 г. Cassini обнаружил метан-этановые озера у полюсов Титана, в 2011 г. исследователи заметили следы метановых рек в тропиках, а в июне 2012 г. были найдены озера площадью в сотни квадратных километров у экватора.
    До сих пор ученые полагали, что на поверхности озер на Титане не может формироваться лед, поскольку замерзший метан обладает более высокой плотностью, чем жидкий, и метановый лед должен тонуть.
    Однако радар Cassini позволил обнаружить странные колебания отражательной способности поверхности озер в радиодиапазоне. Научная группа связала их с таянием и нарастанием льда на поверхности озер.
    Способность льда плавать ученые объяснили при помощи математической модели, которая учитывала различные соотношения этана и метана, «карманы» с азотом и температурные изменения.
    Результаты расчетов показали, что лед может оставаться на поверхности метан-этановых озер, если их температура чуть ниже точки замерзания метана (90.4 К). При этом все возможные варианты льда могут плавать, если они содержат по меньшей мере 5% газа - доля, которая соответствует количеству воздуха в молодом льду в реках на Земле. Если температура снижается на несколько градусов, лед начинает тонуть, образуя ледяной слой на дне.
    «Один из самых интригующих вопросов, связанных с этими озерами и морями, состоит в том, могут ли они служить прибежищем для экзотических форм жизни... Формирование плавающего углеводородного льда дает возможность для интересных химических процессов на границе между льдом и жидкостью, - на границе, которая была важна и для возникновения земной жизни», - говорит один из авторов исследования Джонатан Лунин (Jonathan I. Lunine) из Корнеллского университета.

Два кратера Титана: Синлап (Sinlap: слева) - относительно молодой кратер, соотношение диаметра и глубины которого примерно такое же, как у кратеров Ганимеда, и Сой (Soi: справа) - сильно размытый кратер, глубина которого очень мала по сравнению с подобного типа кратерами, присутствующими на Ганимеде. Оба имеют диаметр около 80 км

КАССИНИ: КРАТЕРЫ НА ТИТАНЕ

    Но Титан славится не только своей гидросферой, но и очень плотной (тем более для спутника) атмосферой. Благодаря этому он выглядит «моложе своего возраста»: помогают в этом ветер и песок. Экзотический углеводородный песок медленно заполняет кратеры Титана: это подтверждают данные Cassini.
    «Большинство спутников Сатурна - «братьев» и «сестер» Титана - имеет тысячи и тысячи кратеров на своей поверхности. А вот на Титане, на тех 50% его поверхности, которые мы видели в высоком разрешении, мы обнаружили лишь около 60 кратеров, - рассказывает Катерина Нейш (Catherine D. Neish), участница группы радиолокационных исследований Cassini. - Возможно, на Титане гораздо больше кратеров, но они не видны из космоса, так как сильно выветрены и размыты. Обычно мы определяем возраст поверхности планеты, подсчитывая количество кратеров на ней (чем больше кратеров, тем старше поверхность). Но если такие процессы, как потоковая эрозия или перемещение подвижных песчаных дюн, заполняют кратеры, то, возможно, поверхность на самом деле намного старше, чем она выглядит... Это исследование является первой попыткой количественно оценить степень воздействия погоды на Титане на рельеф его поверхности».
    Катерина Нейш и ее команда сделали свое открытие, сравнивая кратеры на поверхности Титана с кратерами на поверхности луны Юпитера Ганимеда. Ганимед, подобно Титану, покрыт корой из водяного льда, поэтому кратеры обеих этих лун должны иметь одинаковую форму. Однако на Ганимеде нет атмосферы и гидросферы, и, следовательно, отсутствуют ветер и дожди, способные выветривать и размывать его поверхность.
    «Мы обнаружили, что кратеры на Титане в среднем на сотни метров менее глубокие, чем кратеры такого же диаметра на Ганимеде. Это наводит на мысль, что некий процесс на Титане заполняет его кратеры», - отмечает Нейш, она же ведущий автор научной статьи, опубликованной в журнале Icarus.
    Группа исследователей изучала тенденцию изменения средней глубины в зависимости от диаметра для кратеров, обнаруженных на Ганимеде, используя при этом стереоизображения, полученные зондом Galileo. Аналогичную тенденцию для кратеров, выявленных на Титане, рассчитали с учетом глубин тех кратеров, что были определены в ходе анализа данных изображений, полученных с помощью радиолокатора Cassini.
    Атмосфера Титана в основном состоит из азота и очень небольших количеств метана и других углеводородов. Что является источником метана на Титане, остается загадкой, поскольку метан в атмосфере Титана распадается под действием солнечных лучей за относительно короткие промежутки времени. Фрагменты молекул метана затем объединяются в более сложные углеводороды в верхнем слое атмосферы, образуя густой оранжевый смог, скрывающий поверхность Титана из виду. Некоторая часть более крупных частиц через какое-то время выпадает на поверхность в виде дождя, где они, по всей видимости, связываются, образуя песок.
    «Поскольку песок, вероятно, образуется из атмосферного метана, то в атмосфере Титана метан должен был присутствовать по меньшей мере несколько сотен миллионов лет, чтобы заполнить кратеры до того уровня, который мы можем сейчас наблюдать», - заключает Нейш. Однако, по оценкам исследователей, существующие запасы метана на Титане должны были распасться за десятки миллионов лет под действием солнечных лучей, поэтому либо на Титане в прошлом было намного больше метана, либо запасы метана каким-то образом пополняются.
    Члены группы исследователей высказывают предположение, что возможно участие других процессов в заполнении кратеров на Титане: например, эрозии, обусловленной потоками жидкого метана и этана. Однако этот тип воздействия атмосферных факторов имеет тенденцию заполнять кратер сначала быстро, а затем значительно медленнее, поскольку края кратера теряют свою первоначальную форму и становятся менее крутыми и более сглаженными.
    Если бы потоковая эрозия была основной причиной заполнения кратеров, тогда группа исследователей должна была обнаружить на Титане множество кратеров, заполненных частично. «Однако это не так, - возражает Нейш. - Вместо этого мы обнаруживаем кратеры на всех стадиях заполнения: одни, которые только начали заполняться, другие, которые находятся на полпути к заполнению, и кратеры, которые почти до конца заполнены. Это наводит на мысль об участии иного процесса, такого как ветровой перенос песка, который и заполняет кратеры».
    Процесс перемещения твердого материала называют вязким течением. Кратеры, обнаруживаемые на покрытых ледяной коркой спутниках, имеют тенденцию со временем становиться менее глубокими, поскольку для льда характерно вязкое течение. Так что вполне вероятно, что некоторые неглубокие кратеры на Титане просто намного старше или испытали на своем веку большие тепловые потоки, чем молодые кратеры подобных размеров на Ганимеде.
    Однако кора Титана представляет собой по большей части водный лед, и в условиях экстремально низких температур он не мог проявлять настолько большую текучесть, чтобы с ее помощью объяснить столь существенную разницу в глубине в сравнении с кратерами Ганимеда. Кроме того, как и в случае с потоковой эрозией, изменение формы, обусловленное вязким течением, имеет тенденцию происходить сначала быстро, а затем более медленно, когда материал выравнивается, поэтому опять-таки можно было бы ожидать на Титане обнаружения множества частично заполненных кратеров.

Cassini впервые сфотографировал облако над южным полюсом Титана. Его появление в июле 2012 г. свидетельствует об атмосферных явлениях, сопровождающих смену сезонов в августе 2009 г.: над северным полюсом, где началась весна, облака исчезают, а над южным появляются. Ученые пока не имеют информации о точном химическом составе полярных облаков. Известно, что такие распространенные на Титане вещества, как метан, этан и синильная кислота, если и присутствуют в облаках, то лишь в небольших количествах. По одной из гипотез, облака образованы смесью органических веществ в форме мелких кристаллов

КАССИНИ: ОБЛАКА НА ТИТАНЕ

КАССИНИ: СМОГ НА ТИТАНЕ

Кстати, изучение Титана поможет получить новую информацию и о нашей планете. Cassini позволил определить, как образуется смог в атмосфере сатурнианской луны. И самое интересное, что этот механизм может оказаться аналогичным земному: вот она - настоящая сравнительная планетология.     Красно-коричневый смог образуется в ионосфере Титана при ионизации солнечным излучением атомов азота и метана. Столкновения крупных органических молекул с получившейся смесью заряженных частиц позволяют частицам смога разрастаться. Спускаясь ниже в атмосферу, они продолжают столкновения и слипание и становятся настолько тяжелыми, что выпадают на поверхность Титана в виде углеводородных дождей.

КАССИНИ: СМОГ НА ТИТАНЕ

Времена года на Титане (художественное представление по данным миссии Cassini).     Изменения в наблюдаемых эффектах в атмосфере Титана до, во время и после равноденствия в 2009 году. В течение первых лет, после начала миссии Cassini в системе Сатурна, Титан носил "капюшон" из плотной белой газовой дымке в виде вихря над его северным полюсом, увенчанным высотной "горячей" точкой (красный цвет). Положение северного полюса относительно Солнца показано белой линией. В равноденствие (2009 год) оба полушария получали равное количество тепла от Солнца. Впоследствии (после равноденствия), северный полюс наклонен в сторону Солнца, что означало приход весны, а южное полушарие наклонено в сторону от Солнца и там началась осень. После равноденствия вихрь над северным полюсом почти исчез. Эти наблюдения показывают масштаб изменений атмосферной циркуляции от полюса к полюсу на Титане во время равноденствия.

КАССИНИ: СМЕНА ВРЕМЕН ГОДА НА ТИТАНЕ

    Все кратеры, размеры которых изучены и определены группой исследователей, расположены в пределах примерно 30° от экватора, то есть в относительно сухом районе большой луны.
    «Присутствие жидкостей на поверхности и в ближайших пластах, залегающих под поверхностью, также может способствовать экстенсивному изменению формы кратеров, как это наблюдается на Земле, - поясняет Нейш. - В случае Титана жидкие среды представлены углеводородами либо в виде влажных отложений (таких, как отложения, найденные в месте посадки зонда Huygens), либо в виде мелководной морской среды (например, больших озер, наблюдаемых на северном и южном полюсах)».
    Ученые предполагают, что все изложенные соображения являются хорошим основанием для проведения более глубоких исследований, однако с учетом уже имеющихся на сегодняшний день данных наблюдаемое различие в глубине кратеров Титана и Ганимеда лучше всего можно объяснить процессом заполнения кратеров метановым песком. Конечно, потоковая эрозия и вязкое течение могли также внести свою лепту в изменение формы кратеров.


    В статье, основанной на данных Cassini, рассказывается о сатурнианском варианте Уробороса - мифического змея, кусающего себя за хвост. Ужасный ураган охватил всю планету, затем наткнулся на собственный «хвост» - и угас. Впервые в пределах Солнечной системы ученые наблюдали картину, как ураган сам себя уничтожил таким странным образом.
    «Ураган, зафиксированный на Сатурне, вел себя как обычный земной. Правда, в его поведении обнаружилась некая «изюминка», присущая только Сатурну, - замечает Эндрю Ингерсолл (Andrew Р. Ingersoll), участник группы обработки и изучения визуальных данных, полученных с помощью космического аппарата Cassini, базирующейся на территории Калифорнийского технологического института, в Пасадене, который является соавтором новой статьи, опубликованной в журнале Icarus. - Даже гигантские бури на Юпитере не разрушают себя таким ужасным образом».
    Мощь земных ураганов обусловлена поглощенной энергией нагретой воды, которая затем обрушивается на Землю холодным ливнем. Объект, о котором идет речь, также «питался» теплым «воздухом» из атмосферы газового гиганта. Ураган, впервые зафиксированный 5 декабря 2010 г., находился в районе 33° с.ш. Вскоре после того, как появился яркий вихревой фронт урагана, который стал перемещаться в западном направлении, от него отделился быстро вращающийся по часовой стрелке вихрь, скорость перемещения которого была намного меньше. В течение нескольких месяцев ураган наматывал круги вокруг планеты, растянувшись примерно на 300 000 км и извергая гром и молнии на протяжении своего пути (все это фиксировали приборы Cassini).

Серия снимков демонстрирует передвижение мощного урагана, который долгое время кружил вокруг Сатурна, пока вдруг не угас, врезавшись в свой собственный хвост. Ураган впервые был зафиксирован 5 декабря 2010 г.

КАССИНИ: УРАГАН НА САТУРНЕ

    Земные ураганы никогда не попадают в турбулентные следы, оставляемые ими, - они наталкиваются на выступающий рельеф местности, к которому, в первую очередь, относятся горы, и расходуют свою мощь на них преодоление. Однако на Сатурне нет суши в привычном нам понимании, которая могла бы задержать возникающие ураганы. Яркий вихревой фронт урагана способен только с чудовищным аппетитом поглощать все, что попадалось ему на пути, вращаясь вокруг планеты. И только когда грозовой фронт урагана столкнулся с вихревым потоком в июне 2011 г., конвективный ураган исполинских размеров постепенно потерял свою силу и к 28 августа угас. Почему эта встреча предопределила печальную судьбу урагана, до сих пор остается загадкой.
    «Этот извергающий гром и молнии ураган на Сатурне был настоящим чудовищем, - утверждает Кунио Саянаги (Kunio Sayanagi), ведущий автор научной работы из Хэмптонского университета, штат Вирджиния. - Ураган необыкновенно долго сохранял свою мощь. Его грозовой фронт свирепствовал в течение 201 дня. Кроме того, этот ураган создал самый большой вихрь, который когда-либо наблюдали в тропосфере Сатурна, растянувшийся в ширину на 12 000 км».

Огромный вихрь, который был частью гигантского штора на Сатурне, медленно рассеивается в течение долго времени в этом наборе изображений. Верхний левый рисунок показывает наиболее бурную фазу вихря с громами и молниями, когда он достигал 12 тыс. км в диаметре. В это время вихрь на Сатурне был сопоставим по размерам с овальным штормом на Юпитере. Хотя овальный шторм и более известное Большое Красное Пятно на Юпитере без сопровождения из грома и молний. Вихри Юпитера известны своей стабильностью и долговечностью. остается загадкой почему вихри Сатурна такие недолговечные.

КАССИНИ: ВИХРЬ НА САТУРНЕ

    Благодаря Cassini ученые получили в свое распоряжение новые снимки исполинского урагана, совершающего свое вихревое движение вокруг северного полюса Сатурна. На этот раз зонд сфотографировал природный феномен крупным планом и в видимой области спектра.
    На снимках и видео высокого разрешения видно, что диаметр глаза урагана на Сатурне составляет около 2000 км, что в 20 раз больше средних размеров глаза урагана на Земле. Тонкие, яркие облака на внешней границе урагана проносятся со скоростью 500 км/ч. Ураган совершает вихревое движение, образуя большую воронку внутри огромного, загадочного атмосферного образования, известного как шестиугольник.

Полярный вихрь.

КАССИНИ: ПОЛЮС

    «Мы не поверили своим глазам, когда заметили этот вихрь, потому что он очень похож на ураганы, происходящие на Земле, - удивлен Эндрю Ингерсолл. - Все это происходит на Сатурне в гораздо более крупных масштабах и как-то приводится в действие незначительным количеством водяных паров в водородной атмосфере Сатурна».
    Земные ураганы подпитываются теплой океанской водой. Под облаками, парящими в небе Сатурна, отсутствуют водные поверхности, способные подпитывать ураганы, и все же познание процессов, позволяющих сатурнианским бурям использовать водяные пары, могло бы пролить свет на то, как зарождаются и поддерживаются земные ураганы.

Весна на Северном полюсе Сатурна.

КАССИНИ: ВЕСНА НА САТУРНЕ

    И земной ураган, и сатурнианский северный полярный вихрь имеют центральный глаз, внутри которого облачность отсутствует полностью или почти полностью. К общим особенностям относятся также высокие облака, формирующие стену глаза, облака, совершающие вихревое движение вокруг глаза урагана, и вращение ураганных облачных масс против часовой стрелки.
    Главное отличие земных ураганов от сатурнианского состоит в том, что ураган на Сатурне намного масштабнее, чем его двойники на Земле, и вращается он на удивление быстро. На Сатурне скорость ветра в стене глаза более чем в 4 раза превышает скорость ураганных ветров на Земле. На нашей планете ураганы имеют обыкновение медленно дрейфовать в северном направлении, что объясняется воздействием сил, обусловленных вращением Земли. На Сатурне «полярному урагану уже больше некуда двигаться, и, видимо, по этой причине он «застрял» на полюсе», - объясняет Кунио Саянаги.

КАССИНИ: УРАГАНЫ НА САТУРНЕ

    Ученые считают, что исполинский ураган на Сатурне вращается уже многие годы. Когда межпланетная станция Cassini только прибыла в систему Сатурна в 2004 г., северный полюс планеты находился в тени, поскольку в северном полушарии царила полярная зима. Спектрометры, установленные на борту зонда, зафиксировали огромный вихрь, правда, для передачи изображения в видимой области спектра пришлось подождать наступления равноденствия в августе 2009 г.
    «Получение такой великолепной завораживающей картины бури на северном полюсе стало возможным только благодаря тому, что Cassini находится на нужной «беговой дорожке» и его орбита наклонена к экваториальной плоскости Сатурна нужным образом, - говорит Скотт Эддингтон (Scott G. Edgington), первый заместитель руководителя проекта Cassini из JPL. - Вы не сможете четко видеть полярные области, находясь на экваториальной орбите».
    Наклонение орбиты Cassini меняется со временем, в основном за счет пролетов возле Титана.