Астрономы разгадали загадку странных образований в экваториальных пустынях спутника Сатурна Титана, которые зафиксировал европейский зонд Huygens.
Эта история началась на старый Новый год, 14 января 2005 года, когда весь мир с интересом следил за судьбой небольшого космического зонда Huygens Европейского космического агентства. В этот день зонд, за три недели до того отделившийся от космического аппарата Cassini, опустился на поверхность Титана -- крупнейшего спутника Сатурна. Спутника, который размерами превосходит самую маленькую из самостоятельных планет Солнечной системы -- Меркурий.
Круговорот в чужой природе
Жидкостью, которая сделала Титан таким похожим на Землю, не могла быть вода: в полутора миллиардах километров от Солнца, при температуре лишь немногим выше точки кипения азота (77К), вода превращается в лед столь же прочный, как скала. Ученые полагают, что этой жидкостью был метан (возможно, с примесью этана), в обилии имеющийся в атмосфере спутника.
Тройная точка метана (и этана) лежит всего на 5 градусов ниже средней температуры Титана, что позволяет спутнику иметь полноценный гидрологический цикл -- подобный земному круговороту воды в природе, но основанный не на воде, а на простейших углеводородах. Основной из них именно метан. Метан испаряется с поверхности, собирается в облака, висит мелким туманом и проливается ливнями; он же может течь по поверхности ручьями и наполнять озера.
Как сквозь землю просочилась
Однако наличие ручьев на 10-й южной параллели, где спускался Huygens, задало астрономам серьезную загадку -- откуда жидкость взялась здесь? Модели титановой атмосферы предсказывали (и предсказывают сейчас), что экваториальная зона спутника слишком суха для спонтанного образования облаков, из которых могли бы пролиться метановые дожди.
Ученые ринулись предлагать разные варианты и гипотезы происхождения жидкости, и до сих пор основной версией оставалось выделение жидкого метана непосредственно на твердой поверхности -- в виде спокойных сочений или мощных внезапных извержений. Иными словами, специалисты считали наиболее вероятным геологическое происхождение жидкости.
Идут тропические ливни
В статье, опубликованной в последнем номере Nature, четверо американских ученых доказали, что привлекать такие гипотезы не обязательно. Облака над тропиками и экватором появляются, и из них наверняка проливаются мощные метановые дожди. Более того, атмосфера Титана оказалась куда динамичнее, чем предполагалось, и даже в чем-то интереснее земной.
Авторы работы описывают мощную облачную систему, которая 13 апреля 2008 года внезапно появилась в районе южного тропика спутника, быстро выросла в размерах, и через несколько дней каким-то не до конца понятным пока образом спровоцировала образование отдельных облачных систем над южным полюсом Титана и в его экваториальной зоне. Примерно через месяц облачные дни закончились -- вероятно, все тучи вылились, в том числе и в экваториальной зоне.
Так что в гипотезе о подземных источниках жидкого метана чрезвычайной нужды нет. Ручьи в районе спуска Huygens вполне могли наполнить тучи. Впрочем, геология еще может пригодиться -- чтобы объяснить, с чего облака вообще вдруг появились над тропиками.
Поучающая история
Не стоит думать, что астрономы так уж шокированы появлением облаков ниже тропиков. Еще 10 лет назад они полагали, что на Титане вообще не может быть гидрологической активности, а если где дожди и идут, так, скорее, ближе к экватору, где чуть-чуть теплее. Но эти предположения оставались гипотезами, а превратить гипотезу в научный факт может лишь эксперимент (в данном случае -- наблюдения), а вовсе не консенсус, который журналисты обычно прячут за вводными фразами вроде «принято считать» или «как полагают большинство ученых».
Мнение ученого меньшинства, полагавшего полюса более подходящими для атмосферной активности, внезапно стало доминирующим. А объяснение, что за 15 лет полярного дня полюс прогревается сильнее, чем экватор, показалось специалистам вполне резонным. Ну а когда приборы аппарата Cassini показали, что экваториальная область Титана покрыта дюнами, низкие широты окончательно признали слишком сухими для каких-либо облаков. Правда, следы потоков в районе посадки Huygens за счет утверждения новой господствующей теории превратились в загадку.
Наблюдения по подсказке
Тем временем Браун и его коллеги устроили настоящую слежку за спутником Сатурна. Они рассчитали, в каких фильтрах облака должны быть лучше заметны, и посадили студентку Сару Хорст за любительский телескоп 35-сантиметрового диаметра, снабженный нужными фильтрами.
Каждую подходящую ясную ночь Хорст измеряла яркость Титана в выбранных фильтрах, и несколько раз ей даже удавалось заметить значительное усиление облачности на планете. Правда, самих облаков она не видела: 35 сантиметров недостаточно, чтобы разглядеть что-либо на удалении в миллиарды километров. Однако по ее подсказке коллеги на Гавайях получали инфракрасные изображения с помощью систем адаптивной оптики крупных телескопов -- 10-метрового Кека и 8-метрового Gemini North.
Аспирантка Брауна Эмили Шаллер поставила эту, как говорят астрономы, «алертную» технологию на серьезное основание. Вместе с руководителем она договорилась со специалистами NASA, чтобы они при каждой возможности получали инфракрасный спектр Титана с помощью трехметрового инфракрасного прибора IRTF (Infra-Red Telescope Facility), расположенного на тех же Гавайях. Вместо любительского телескопа у ученых появился надежный профессиональный инструмент и способность уверенно обнаруживать облака всякий раз, когда они появятся.
Жестокая шутка Титана
Только вот облака на Титане пропали. Пока Шаллер писала диссертацию, ни одного заметного облачка в атмосфере спутника не появилось. Каждое утро она скачивала спектр, полученный на IRTF ночью, и каждое утро ее разочаровывало -- никаких облаков.
Утром 14 апреля 2008 года Шаллер сдала диссертацию на оценку экзаменационной комиссии Калтеха и, уставшая и опустошенная, побрела на свое рабочее место. Включила монитор и по заведенной за годы привычке скачала данные с IRTF. Построила спектр -- и увидела следы мощных протяженных облаков. Шаллер даже перепроверила всю процедуру, прежде чем бежать к Брауну и писать письма с просьбой получить изображение Титана при помощи адаптивной оптики Gemini North.
Фотография была получена, и облака на ней действительно проявились -- причем не на полюсе, где уже заканчивался полярный день, и не в средних широтах, где редкие облака к тому моменту начали появляться, а в тропиках, где согласно доминировавшим представлениям никаких туч быть не могло. Все встало на свои места -- в том числе и ручьи в месте посадки Huygens.
Шаллер -- ведущий автор новой статьи в Nature, хотя появиться в ее диссертации эти данные не успели. Диссертация, кстати, успешно защищена, а сама Шаллер никак не может решить, как относиться к появлению облаков в день сдачи работы. То ли это подарок Титана к ее защите, то ли жестокая шутка скрытого под оранжевой дымкой спутника.
Волновая облачность
Весь следующий месяц ученые получали изображения облаков почти каждый день, когда позволяла погода. Титан медленно крутится вокруг своей оси, так что уже к концу апреля исходная облачная система скрылась в невидимом полушарии. Тучи вблизи экватора, и особенно на полюсе, продолжали развиваться, а поскольку в предыдущие несколько лет там никаких облаков не было, астрономы уверены, что ключевую роль в их образовании сыграло именно появление затравочной тропической облачной системы.
Для ученых такое поведение в диковинку. По словам исследователей, это все равно, что следить за ростом крупного урагана над Южной Африкой, а через несколько дней увидеть, как он провоцирует рост облаков над Антарктидой и Индонезией. У земных циклонов таких длинных рук нет; впрочем, и разобраться в наших облаках сложнее -- если на Титане они редки и занимают максимум несколько процентов поверхности, то Земля в среднем на 2/3 покрыта облаками.
Но все же объяснение у специалистов есть. Они полагают, что появление облаков в тропиках запустило колебания титановой атмосферы -- так называемые волны Россби, хорошо исследованные в атмосфере и гидросфере Земли. Хотя они и называются волнами, эти течения, скорее, напоминают вихри планетарных масштабов, причудливо загибающиеся вблизи полюсов. Скорость этой волны можно легко вычислить. И, как оказалось, и в тропиках, и над полюсом облака появились ровно тогда, когда их должна была достичь волна Россби, возбужденная затравочной облачной системой.
Более того, когда эта невидимая волна обогнула Титан и вернулась к исходной точке, слегка рассеявшиеся тропические облака обрели второе дыхание. Такие совпадения вряд ли могут быть случайностью, полагают авторы статьи в Nature. Вероятно, волна провоцирует неустойчивость в атмосфере, принося с собой перемены в давлении и температуре. Благодаря этим возмущениям облака могут появляться там, где сами по себе возникнуть неспособны -- например, в районе экватора. Правда, динамика этого процесса пока не вполне понятна.
Причина на поверхности
Не ясна и первопричина появления затравочной облачной системы. Ученые очень осторожно предполагают, что спровоцировать рост облаков над южным тропиком могли какие-то поверхностные процессы. В переводе на неосторожный язык это означает выделение из-под поверхности больших объемов метана. А может, и какого-то другого вещества, способного нарушить термодинамический баланс и разогнать конвекцию в атмосфере над этим местом. В восходящих и нисходящих потоках затем могут сконденсироваться метановые облака.
Возможно, речь идет о прорвавшейся на поверхность подземной реке, возможно -- о гейзерах и «криовулканах», которые ищут давно, но не могут найти. Так или иначе, этот участок тропиков теперь представляет особый интерес -- в том числе и для аппарата Cassini, который регулярно пролетает мимо Титана. Даже если не удастся увидеть непосредственной геологической активности, он, не исключено, сможет заметить последствия дождей, вылившихся из облаков, описанных в Nature. Не менее убедительным свидетельством в пользу этой гипотезы стало бы и повторное появление облаков в том же месте, однако второй раз их там пока не видели.
Астрономы, впрочем, не отчаиваются. Регулярным наблюдениям за погодой на Титане всего-то 7-8 лет. Год на спутнике длится 29 земных лет, так что пока мы едва-едва проследили за сменой одного сезона. Вряд ли имело б смысл пытаться разобраться в земном климате по трехмесячному дневнику погоды. Наблюдения продолжаются, и в ближайшие десятилетия погода на Титане должна стать более предсказуемой.
