Udstrakte vinterpolære hvirvler køler Saturns mærkeligt velkendte måne, Titan

Saturns disige måne Titan har en langvarig jordlignende vinterpolar hvirvel overladet af månens ejendommelige kemi, ifølge ny forskning offentliggjort i AGUs tidsskrift Geofysiske forskningsbreve .

Titan er den næststørste måne i solsystemet og den eneste måne med en tyk atmosfære, der kan sammenlignes med Jordens. Saturn-månen kan være det mest jordlignende sted i solsystemet, med årstider, regn og overfladesøer, selvom det er omkring 10 gange så langt fra Solen som Jorden og meget koldt.

Titans stratosfære, som Jordens, er kendetegnet ved køligere lag tættere på overfladen og varmere lag højere oppe, og er den polære hvirvels rige, en hætte af kold luft, der sidder over stængerne om vinteren. Dette er det samme fænomen, som kan forårsage kolde temperaturer i Nordamerika om vinteren.

På jorden, polarhvirvelen forsvinder normalt om foråret. Den nye undersøgelse fandt, at Titans polarhvirvel på den nordlige halvkugle stikker forbi månens sommersolhverv, ind i det, der ville være slutningen af ​​juni på Jorden, varer tre fjerdedele af et Titan-år, eller omkring 22 jordår.

Den nye undersøgelse brugte målinger fra NASAs Cassini-rumfartøj og atmosfærisk videnskab udviklet på Jorden til at forstå sæsonbestemte ændringer observeret på Titan.

Den nye undersøgelse udvidede tidligere arbejde fra forskerne, der indikerer tilstedeværelsen af ​​den polære hvirvel på Titan, forklarede berigelsen af ​​sporgasser i månens stratosfære, og berigelsen af ​​sporgasser forklarede den uventede intense kulde, der blev observeret i hvirvelen på den sydlige halvkugle i den tidlige vinter.

Kombinationen af ​​afkøling forårsaget af sporgasser og opvarmning forårsaget af synkende luft deler Titans vinter i to faser, ifølge den nye undersøgelse.

"Jorden afkøles om vinteren på grund af mangel på sollys over polerne, men du får ikke denne ekstra effekt af ekstra gasser, hvorimod du på Titan har disse mærkelige gasser derinde, der gør processen endnu mere ekstrem, end den ellers ville være, " sagde Nick Teanby, en planetarisk videnskabsmand ved University of Bristol i Storbritannien, og hovedforfatteren af ​​den nye undersøgelse.

Tidligere arbejde fra Teanby og hans kolleger beskrev forholdet mellem sporgasserne og den polære hvirvel, men det nye studie er den første omfattende analyse af sæsonbestemt variation i temperaturen og sammensætningen af ​​Titans stratosfære, baseret på infrarøde kortlægningsdata fra Cassinis hele 13-års rundvisning i Saturns system.

"Dette er første gang, et papir er gået ind i hele Cassini-datasættet, dækker næsten halvdelen af ​​Titan-året, og så på, hvordan den nordlige og sydlige polarhvirveludvikling kan variere, " sagde Claire Newman, en ekspert i planetariske atmosfærer ved Aeolis Research og en forsker uden tilknytning til det nye studie. "Jeg arbejder på atmosfæriske modeller, og vi er afhængige af den slags observationer for at forstå, hvor korrekt vores modeller fanger, hvad der foregår på selve Titan."

I fremtiden, forfatterne af den nye undersøgelse håber at have nok data til at anvende Jordens atmosfæriske modeller på Titan og forsøge at forudsige klimatendenser på månen. At teste modeller på en helt ny verden kan hjælpe videnskabsmænd med at gøre modellerne mere robuste. En dag, Saturns usædvanlige måne kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå atmosfæren på vores hjemmeplanet, sagde Teanby.

"Hvorfor det er så interessant er, at Titan er som en minijord med en virkelig eksotisk og kold atmosfære, som vi kan bruge til at teste klimamodeller og den slags, " sagde Teanby. "Det er det store billede af, hvorfor vi gad, men jeg gætter på, at den virkelige motivation bare er, at det er rigtig fedt at prøve at finde ud af det her."

Vinter hvirvel

Titan drejer om en akse, der hælder i omtrent samme grad som Jordens, som giver månen årstider som Jordens, men udstrakt over de 29 jordår Titan og Saturn tager for at kredse om Solen. NASAs Cassini-rumfartøj observerede Titans sæsonskifte, fra midtvinter til sommersolhverv på månens nordlige halvkugle.

Da Cassini ankom til Saturn i 2004, Titans nordlige pol var indhyllet i en polar hvirvel fra polen til omkring 45 grader nordlig bredde, om hvor Montanas sydlige grænse er på Jorden.

En polar vortex er en stor hætte af kold luft og lavtryk, der sidder over polerne om vinteren, vrider sig i retning af planetens, eller månens, spin. Stærke vestlige jetstrømme omkranser polen og indeholder kulden, skabe en tydelig adskillelse fra den varme luft fra ækvator. Jetstream-barrierer forhindrer blanding af luftmasser og holder kemikalier såvel som kolde inde i hvirvelen.

På jorden, kanten af ​​dette store atmosfæriske system sidder på omkring 60 graders breddegrad, den sydlige grænse af Canadas Yukon og Northwest Territories på den nordlige halvkugle. Lavere breddegrader støder på hvirvelen, som Nordamerika gjorde sidste januar, når den cirkulerende jetstrøm svækkes eller bugter sig.

Cassini fandt ud af, at Titans nordlige polarhvirvel fortsatte gennem jævndøgn og brød op om sommeren, ligesom på jorden, men varer senere på året. I mellemtiden en ny hvirvel begyndte at dannes over den sydlige pol kort efter månens jævndøgn. Den embryonale sydlige hvirvel var, overraskende, koldere end den nordlige hvirvel, som kun var blevet observeret i fuld vinterpragt.

Den nye forskning tyder på, at forskellen kan være en tidlig vinter ekstra kold fase produceret af Titans kemi snarere end iboende forskelle mellem polerne.

Mærkelig kemi

Den nye undersøgelse tyder på, at Titans atmosfæriske kemi kan fremhæve dens polære hvirvel. Ligesom jordens atmosfære, Titans atmosfære er for det meste nitrogen, og månens overfladetryk er omkring 1,5 gange Jordens ved havoverfladen. Men i modsætning til Jorden, de resterende 2 procent af atmosfæren er for det meste metan, hovedbestanddelen af ​​naturgas. Når det regner på Titan, det regner kulbrinter.

Højt i månen er relativt varmt, øvre atmosfære, metan reagerer med energi fra Solen og fra Saturns magnetfelt til at producere sporgasser som cyanid, ethylen, ethan og større organiske molekyler. Nogle af disse gasser er byggesten i Titans karakteristiske dis.

Cassini observerede berigelse af disse sporgasser over vinterpolerne, og den nye forskning finder, at denne berigelse er mest udtalt i den tidlige vinter, når stangen også er koldere.

På Titan, som på jorden, forskellen i temperatur mellem ækvator og mørke vinterpol driver i sidste ende dannelsen af ​​den polare hvirvel. På begge verdener, kold luft synker, trækker den øvre atmosfære nedad ved polen om vinteren. Når sporgasserne blandes nedad i de koldere mellemlag af Titans atmosfære, de kondenserer til flydende eller faste skyer. Kondenserede sporgasser virker som en vask, accelererer bevægelsen af ​​flere sporgasser ned fra toppen af ​​atmosfæren, hvor de skabes.

Sporgasser gør de kolde lag af Titans stratosfære endnu koldere ved at udsende infrarødt lys. Infrarødt lys er lige uden for det synlige lysspektrum og kan opfattes for mennesker som varme. Når sporgasser gløder, de mister energi, som har den effekt at afkøle atmosfæren ved at udstråle energi ud i rummet. Den nye undersøgelse foreslår, at den nu endnu koldere luft synker hurtigere, i en kold feedback-cyklus.

"Det sker alt sammen i starten af ​​vinteren, så starten på vinteren er virkelig, rigtig koldt, " sagde Teanby. Til sidst, trykstigningen forårsaget af al den synkende luft skaber sin egen varme, som modvirker feedback-cyklussen. Forfatterne foreslår, at dette skaber to adskilte faser i Titans vinter.

"Når du går dybere ind i vinteren, og kredsløbet er mere udviklet, du får en modsat effekt, hvor du begynder at varme stratosfæren på grund af denne komprimering af luften, mens den synker. Så der er disse to faser til vinteren, der er ret mærkelige. Vi er ikke helt sikre på, at det er det, der sker, men det er vores teori i øjeblikket, " sagde Teanby.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra AGU Blogs (http://blogs.agu.org), et fællesskab af jord- og rumvidenskabsblogs, vært af American Geophysical Union. Læs den originale historie her.