Т И Т А Н

Автор: Атанас Кумбаров

· Титан – спътник с атмосфера

Титан е единствената луна на Сатурн, която може да бъде ясно видяна през малък телескоп. Юпитер има четири големи луни – Галилеевите спътници. Сатурн има само една – Титан, доста по-голяма от останалите. Сатурн има много луни(46), но според повечето учени има само една истинска: Титан. Това е спътника с атмосфера.

Когато Вояджър прелетя край Титан през 1980 г. геолозите бяха разочаровани. Те са привикнали да виждат кратери, канали и вулкани, когато сонда прелита край нови светове. Но когато Вояджър прелетя край Титан, той изглеждаше като терена около ТЕЦ Марица изток: покрит със смог и мъгла. Геолозите не видяха нищо. Но от гледна точка на метеорологията това беше страхотно. Титан е единствения сателит с атмосфера и органичен смог. Така че за разбирането на планетите, органичната химия и живота Титан е голям удар.

По много неща Титан и Земята си приличат. Размера му е малко по-голям от този на Земната Луна, така че гравитацията му е около седем пъти по-слаба от земната. Но това е единствения свят в Слънчевата Система, който има атмосферно налягане, подобно на земното. Марс има 100 пъти по-малко атмосферно налягане от това на Земята, а Венера 100 пъти по-голямо. Това са тъй наречените „сестрини” планети – и те са 100 пъти по-различни в противоположни посоки. Атмосферата на Титан е 1,5 пъти по-плътна от нашата.

Също така, това е единствената атмосфера в Слънчевата Система, в която доминира азота. И това всъщност е голяма мистерия – и на Земята и на Титан. Защо има толкова много азот? Ако погледнете на Венера и Марс, количеството азот там е много малко, само няколко процента. На земята то е 80%, а на Титан 95%.

Интересното при Титан е не само факта че атмосферата е доминирана от азот, но има и останалите продукти, получавани от метан и азот чрез фото химия. Слънчевата светлина разбива молекулите на метана и тогава се получава реакция с азота а продуктите са: бензен, ацетилен, пропан и др..

Въпроса е защо Титан има атмосфера и тя е толкова необикновена? Сравнението е между Титан и Галилеевите спътници – Ганимед, Калисто и Европа. Защо Титан има атмосфера, а другите нямат никаква, след като състава и големината им са сходни? Не дори тънка атмосфера, те нямат абсолютно никаква; нула. Титан има 1,5 пъти земното атмосферно налягане.

Ние наистина не знаем. Това е едно от главните неща, което трябва да се разбере от сондата Хюйгенс. Следа за произхода на атмосферата е наличието на благородни газове. Ако погледнете нашата атмосфера ще видите че има съдържание на аргон, криптон, ксенон, а неона ни подсказва от къде са дошли тези летливи газове на Земята. Те са дошли с комети, в които са се намирали тези газове заедно с азот и кислород. Мислехме си че ако на Титан присъстват същите газове, нейната атмосфера също щеше да е дошла с кометите. И тук идва въпроса: защо Ганимед и Калисто също не са формирали атмосфера по същия начин?

Но до сега сондата не е пратила данни, показващи наличието на тези газове. Единствения благороден газ, засечен на Титан е аргон-40, който е радиоактивен изотоп на криптон-40. Това не е газ, който идва с комети, той се получава от разпадането на изотоп на калия, намиращ се в недрата на планетата.

Изглежда че Титан е кондензирал с интериор, богат на азот и метан, които по-късно са били изпарени. Азота и метана най-вероятно произлизат от разпадането на нещо в сърцевината на Титан. Това е най-доброто нещо, което ни е хрумвало до сега. По-обстоен анализ на резултатите от Хюйгенс и в частност неща, като азотни изотопи и въглеродни изотопи в метана могат да ни помогнат да открием отговора. Но това ще отнеме още няколко години работа.

Също мислим че спътника може да се е формирал без атмосфера, но по много различен начин. Земята се е образувала от натрупване на много скали, астероиди и комети. Някой от тези астероиди и комети съдържали вода, въздух и други неща. Така Земята се образувала заедно с летливи газове, с леки молекули. Мислим че нашата Луна се е образувала след сблъсък между Земята и обект с размерите на Марс, в следствие на което голяма част от земната мантия била изхвърлена в околоземна орбита. Тази материя кристализирала и се втвърдила. Така че материала, от който се образувала Луната не е съдържал летливи газове. Тя била образувана от разтопена скала, кондензирала в земната орбита. Луната не е разполагала с такива елементи, с каквито са разполагали Венера, Марс и Земята. Тя не се е образувала като планетите.

Това беше една от главните задачи на мисиите Аполо: разбирането на връзката между Земята и Луната. Преди Аполо, една от теориите казваше че Луната се образувала като самостоятелна планета, подобно на Марс и Венера. Но дори и Луната би трябвало да се е образувала с неща като на Земята, например вода, дори и в по-малки количества. Но информацията от Аполо относно изотопите на кислорода показват, че Луната е изградена предимно от скали от земната кора. Беше нужно малко време за да се разбере как е станало това. В момента консенсусната теория е че Луната се образувала от изхвърлени разтопени скали от земната кора, втвърдили се в орбита. Така че тя се формирала без никакви леки газове. Тя е суха, суха, суха.

И дори на Луната да имаше летливи газове, тя не би ги задържала за дълго, както Титан. Луната е доста топла, 10 пъти по близо до слънцето. Така че и да имаше атмосфера, би я изгубила бързо.

Титан също губи атмосферата си. Мислим че има механизъм, който я презарежда. Може би криовулканизъм. В такъв случай атмосферата на Титан би била малко заблуждаваща. Хората си мислят че тя е била там за винаги; тя е плътна, стабилна атмосфера. Но може би не. Всъщност Титан може би губи атмосферата си всеки 10 милиона години – просто я подменя. Това е мистерия, чийто отговор още не знаем.

· Времето на Титан: облачно на всеки 15 години

Около две години преди сондата Хюйгенс да пристигне на Титан, дипломирания студент Хенри Рой открил облаци на Титан, докато работел в Баркли. Той бил първия човек, който снимал облаците на южния полюс. Резултатите му били изпратени за публикуване, но редактора казал „Не, това не са облаци. Има грешка при обработката на данните.” Но ние разполагахме с необработените и с обработените данни, които показваха че на Титан има облаци.

И преди се предполагало че на Титан може да има облаци. Когато Хенри ги видял за първи път те просто изникнали от някъде. Преди ги нямало там. Когато сондата Касини прелетя под южния полюс на Титан, тя откри облаци.

На снимките направени за пет часа през Юли се вижда че облаците се променят. Облаците на Титан се променят по същия начин, както буреносните облаци на Земята. Ако ги погледнете ще си помислите че това са земни облаци. Те са бели, пухкави и издути. Но те не са съставени от водна пара и температурата им е -200°C и все пак те са облаци и се движат.

На земята облаците се образуват предимно в тропиците, където слънцето е най-ярко, а топлинния контраст между деня и нощта е най-голям. Това поражда издигане на водните пари и облаците се раждат близо до екватора.

На Титан не се наблюдават облаци на екватора. Такива могат да бъдат видени само на полюсите. Титан е различен от Земята и най-голям топлинен контраст има на полюсите. Слънцето изгрява и залязва над екватора на Титан, но атмосферата там е толкова плътна, че температурата през деня и нощта е почти една и съща. За термална промяна на атмосферата на Титан трябва повече от един ден(16 земни дена).

Всъщност в екваториалните райони на Титан температурата не се е променила през последните 20 години. Температурата варира с половин градус. Ако бяхте синоптик на екватора на Титан, бихте казали „Температурата утре ще бъде същата, като вчера и ще остане такава през следващите 20 години.” Единствените области на Титан, където има контраст в температурата през деня и нощта са полярните райони.

Тези облаци вече ги няма. Вече не можем да ги видим. Те бяха там само през средата на лятото в южното полукълбо на Титан, когато южния полюс получаваше 24 часа светлина в денонощието. Точно тогава се появиха облаците. Сега дойде есента на Титан и облаците ги няма. Вероятно са били там за няколко години. Прогнозата е че след 15 години ще се образуват облаци на северния полюс.

Хенри Рой, който защитил докторат, открил облаци и в средните дължини на Титан. Той видял тънки перести облаци 40° на юг. Има две възможни обяснения. Първото е, че както на Земята, така и на Титан има някаква конвергенция и тя създава облаци. Това е атмосферен ефект. Ако тази теория е вярна облаците ще се придвижат на 30° на север през следващите 10 години.

Другата възможност е наличието на криовулкан 40° на юг, който бълва метан. Причината, поради която мислим че на Титан има океан, е че нещо презарежда атмосферата с метан. Е всъщност няма океан. В такъв случай може би се чудите как Титан се презарежда с метан? Добър въпрос. Той не произхожда от океан; от къде би могъл да идва? Хенри предложил че облаците произхождат от криовулкан. След като беше изчислено колко метан трябва да бълва този вулкан за да се образуват облаците излиза, че той е достатъчен за презареждане на атмосферата.

Има две групи хора: едните твърдят че тези облаци се образуват от атмосферен кръговрат, други казват че произхождат от криовулкан. Още не знаем със сигурност. Ще трябва да почакаме за да разберем.

· Титан: парников ефект и анти-парников ефект

Както на Земята, така и на Титан има парников ефект. Същото се отнася и за Венера и Марс. 99,9% от енергията достигнала до повърхността на Венера остава под дебелите облаци. 90% от енергията достигнала повърхността на Титан остава в капана на атмосферата му. На земята остава около 60%, а на Марс 30%. Парниковия ефект на Земята, Венера и Марс се дължи на СО2 и вода. Единствено парниковия ефект на Титан не се дължи на СО2; той е поддържан от азот и метан. И това е интересното.

Парниковия ефект е следствие на оптическите свойства на атмосферата. Той се наблюдава, когато атмосферата пропуска слънчева светлина и не позволява на инфрачервените лъчи да напускат атмосферата. Представете си идеално одеало. Идеалното одеало би пропускало топлина навътре и би спирало напускането на топлина навън. За Земята входяща топлина означава слънчева светлина, а изходяща топлина означава топлинна радиация. Водата и СО2 имат тези свойства. Те са прозрачни за видимата светлина, но не и за инфрачервената. И така водата и СО2 са парникови газове и това затопля Земята. Ако Земята нямаше атмосфера, температурата щеше да е минус 15°C вместо плюс 15°C. Хората променят парниковия ефект, но той все пак е естествен за планетата ни. И той пропуска светлина и спира топлина.

На Титан газовете, които задържат топлинната радиация са азот, метан и водород. Може би си мислите че азота, метана и водорода не могат да създават парников ефект, защото молекулите им са симетрични. Парниковия ефект представлява абсорбиране на инфрачервена светлина, в следствие на несиметричността на молекулите. Тогава защо тези газове създават парников ефект на Титан? Те не могат на Земята. Само несиметричните молекули, като СО2 и Н2О пораждат парников ефект, защото са постоянни диполи. На Титан атмосферата е толкова гъста, че молекулите се удрят постоянно и тогава те стават диполни за момент и абсорбират топлината. Това е просто техника, която ни демонстрира нещо, което не може да се види на нашата планета. След като Титан е толкова студен, а атмосферата е толкова плътна, ефекта е 25 пъти по-голям от този на Земята. Ние научаваме много за нашата атмосфера, като изучаваме други.

Дори по-интересен е факта че Титан е единствения свят в слънчевата система, на който има анти-парников ефект. Парниковия ефект пропуска светлина и задържа топлина. Но представете си слой, който спира светлина от навлизане и пропуска топлина да излиза – нещо като анти-одеало. Мъглата на Титан е анти-парников слой.

Днес го наричаме анти-парников ефект. Хората го наричат „ядрена зима”. Те мислят че ако има ядрена война, саждите в горните слоеве на атмосферата биха имали същия ефект като мъглата на Титан. Някои хора смятат че сблъсък с извънземно тяло е изхвърлил огромно количество сажди в атмосферата, което е довело до „ядрена зима” и динозаврите измрели. Никога не сме виждали такъв ефект, нито искаме да видим на Земята, но е интересно да наблюдаваме свят, на който има такова явление. Титан е единствения ни познат такъв свят.

Можем да направим компютърен модел на Титан, който симулира повдигане и сваляне на мъглата. Ако свалим мъглата надолу температурата скача на -168°C(105К), а ако я вдигнем температурата пада. Анти-парниковия ефект на Титан е на половината на парниковия. Ако нямаше парников ефект, температурата на Титан би била -191°C(82К). Анти-парниковия ефект редуцира половината от топлината, получена от парниковия ефект. Ако имаше анти-парников ефект на Земята, то средната температура би била 0°C.

· Титан: скали от лед

Сондата Хюйгенс изпрати само една снимка от Титан. Някои хора се чудят: „Има ли още снимки?” Те са привикнали с марсоходите, които всеки ден пращат нови снимки, понеже се движат. Хюйгенс няма механизъм за придвижване и снима само една сцена – тази която е пред неподвижната му камера. Така че разполагаме с една снимка, снимана един час и половина, но все пак това е много добра снимка.

Предполага се че апарата се е приземил в речно корито. Скалите които виждате на снимката са воден лед. Температурата на Титан е -180 °C. При тази температура Н2О е скала. То не е нито газ, нито течност, нито лед – в смисъл лесно топим лед, получен от течност. То е вещество, здраво като гранит и се държи като гранит. Речното корито най-вероятно е било образувано от течен Метан. Така че най-вероятно сондата се намира в корито на пресъхнала река от метан. Ако тези скали са от вода, те биха потънали в метана, също както скалите потъват във водата на Земята. Скалите са твърди, а водата ги премята и те се заоблят. Скалите приличат на речни камъчета.

Има няколко загадки относно тази снимка. Първата е дали тези скали наистина са изградени от вода? Какво друго би било? Но има няколко проблема с тази интерпретация. В спектралната информация няма вода. Екипът на GSMC(Gas Chromatograph Mass Spectrometer – спектрометър на сондата Хюйгенс) още не е публикувал резултатите и не е предоставил данните, но някои хора от екипа казват че няма отчетена вода.

Но ако има дори малко примеси във водата, те биха променили спектралния почерк. Представете си мръсен снежен бряг. Трудно е да се определи дали е снежен, защото снега е бял. Така че малко примеси биха скрили водата от спектрометъра. Другото нещо е че диелектричната константа на терена, измерена от уреда за измерване на импеданса(пълно съпротивление) не засича воден лед. Но антената на апарата се превила при приземяването, така че не сме сигурни дали уреда е калибриран правилно. Така че не можем да изключим скалите да са от Н2О.

Плътността на Титан е 1,9 г/см3, което означава че 50% от масата му е вода. Това е външната част на Слънчевата Система. Всичко е грубо казано 50% вода. Само Йо е изключение, защото е бил дехидратиран. И водата винаги е на повърхността. Титан не е изключение.

Преди милиарди години, когато Земята се образувала, тя била разтопена. Абсолютно всичко било разтопено. И то се охладило и се образували скалите. Това бил основният източник на скали на Земята – втвърдяването на магма. Скалите на Земята са предимно силикати, изградени от стъкло – тип SiO2. Те се разтапят при много високи температури – няколко хиляди градуса. Така че след като Земята се охладила с няколко хиляди градуса, се напълнило със скали.

Мислете за Титан по същия начин. Титан се формирал много горещ – напълно разтопен. Когато се охладил с няколко хиляди градуса, половината му маса кондензирала и формирала скали. Другата половина си останала вода – пара. Тя не кондензирала преди температурата да падне до 0°C. Тогава цялата вода се втвърдила и колкото повече падала температурата, толкова по-твърда ставала тази субстанция. Така че Титан се образувал със скално ядро и ледена обвивка. За това очакваме 50% от масата на Титан, която е вода, да е на повърхността. Това ни кара да мислим че Титан има леден слой на повърхността с дебелина няколко хиляди километра. На Титан не го наричаме океан, а мантия, защото то не е течно а твърдо.

Някои хора мислят че може да има течна вода под сместа от метан, азот и лед, но все още очакваме повърхността да е предимно от замръзнала вода.

Титан е като Европа. Единствената разлика е че Титан има атмосфера. За това не можем да разберем от какво са скалите освен от вода. Ако махнем атмосферата на Титан, той ще е като Галилеевите спътници – с преобладаваща ледена повърхност.

Щом не е вода какво може да е? Не знаем. Това е истинска загадка. И хората се делят на различни групи. Има хора, които казват че скалите определено не са от вода. Когато бъдат попитани от какво са тогава, те казват че не знаят. Най-вероятно от въглероден диоксид – СО2. Но от друга гледна точка е малко трудно да си представим че повърхността на Титан е покрита със скали от СО2, вместо вода.