TITANS WINDE WERDEN IN 27 TAGEN UM EIN DRITTEL SCHNELLER

Titan, der größte Mond des Saturn, hat eine dichte Atmosphäre – 1,45 bar am Boden – aus etwa 98 % Stickstoff und 2 % Methan, dazu eine ganze Chemie aus Nitrilen und Kohlenwasserstoffen. Er dreht sich langsam, einmal alle 15,9 Erdtage. Dennoch superrotiert seine Atmosphäre: Winde umkreisen den ganzen Mond viel schneller, als sich der feste Körper dreht.

Diese Winde wurden zuerst indirekt erschlossen und dann unterhalb von 150 km durch Doppler-Messungen der Mission Cassini–Huygens bestätigt. Sie durchmischen Chemikalien zwischen Tag und Nacht, helfen, Moleküle im winterlichen Polarwirbel einzuschließen, und formen vermutlich Titans organische Dünen. Doch sie nahe dem Äquator zu messen, ist schwierig: Die Methode auf Basis der Cassini-Temperaturkarten versagt dort.

Eine Überraschung von 2016–2017

Frühere Beobachtungen mit ALMA, dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Chile, hatten etwas Unerwartetes gefunden: Zwischen August 2016 und Mai 2017 sank der Äquatorwind in etwa 1.000 km Höhe um 47 %, von 373 auf 196 Meter pro Sekunde. Klimamodelle Titans, deren Obergrenze bei etwa 500 km liegt, erzeugen solche Schwankungen nicht.

Martin Cordiner vom Goddard Space Flight Center der NASA und Kollegen aus Yale, Bristol, vom Caltech, vom Space Telescope Science Institute und anderen Einrichtungen wollten eine tiefere Schicht der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum beobachten.

Den Wind in einem Molekül lesen

Das Team beobachtete Acetonitril (CH₃CN), ein Molekül in Titans Atmosphäre, an fünf neuen Terminen zwischen Juni 2022 und Mai 2023 und wertete zwei archivierte Termine aus 2016 und 2017 neu aus. An einem Rand des Mondes kommt das Gas auf uns zu, am anderen entfernt es sich. Die winzige Verschiebung der Frequenz seiner Radiolinien – der Doppler-Effekt – liefert die Windgeschwindigkeit.

Die Messung ist um 250 km Höhe am empfindlichsten, in einem Bereich von 200 bis 490 km – der oberen Stratosphäre und unteren Mesosphäre. Die sieben Termine umfassen fast eine ganze Titan-Jahreszeit, vom späten Südherbst bis zum späten Südwinter.

Schnell und launisch

• Die schnellsten Winde liegen stets innerhalb von etwa 10 Grad um den Äquator, mit bis zu 240 ± 26 m/s im August 2016.
• Von 2016 bis Juni 2022 verlangsamte sich der Wind in niedrigen Breiten stetig um 46 %, auf 130 m/s.
• Danach schwankte er zwischen etwa 130 und 170 m/s, mit Sprüngen von rund 40 m/s.
• Zwischen dem 12. April und dem 9. Mai 2023 – nur 27 Erdtage, weniger als zwei Titan-Tage – stieg er von 120 auf 159 m/s, eine Zunahme um 33 %. In denselben Wochen blieben die Winde in hohen Breiten stabil.

Die Autoren sprechen vom ersten Nachweis starker, anhaltender Veränderungen der Äquatorwinde Titans auf Zeitskalen von etwa einem Monat oder weniger.

2022–2023 zeigte das Windprofil zudem zwei Keulen: ein Band nahe dem Äquator und ein zweites Band zwischen 40 und 60 Grad Süd – den Winterjet, den die Modelle vorhersagen und den Cassini beobachtet hatte.

Was den Modellen entgeht

Zwei hochmoderne allgemeine Zirkulationsmodelle, TitanWRF und TAM, geben den langsamen jahreszeitlichen Trend wieder: den langen Rückgang, dann einen moderateren Anstieg. In hohen Breiten liegen ihre Windgeschwindigkeiten innerhalb von etwa 30 % der Beobachtungen.

Doch die Modelle setzen die schnellsten Winde in hohe winterliche Breiten, um 40 bis 50 Grad Süd, und ihre Äquatorwinde sind bis zu zweimal zu langsam, wobei die Abweichung um die Sonnenwende am größten ist. Keines erfasst die abrupten Sprünge im Monatsmaßstab, zumindest nicht in seinen Zehnjahresmitteln. Beide Modelle liefern ähnliche Ergebnisse, obwohl nur TAM Methanwolken und -regen enthält, was darauf hindeutet, dass feuchte Prozesse in diesen Höhen wenig ausmachen.

Wellen in einem langsam drehenden Himmel

Die Autoren vermuten, dass die plötzlichen Änderungen von atmosphärischen Instabilitäten herrühren. In Simulationen transportieren Wellen, sogenannte Rossby-Kelvin-Instabilitäten, Drehimpuls zum Äquator und treiben die Superrotation an; eine vorübergehende Abschwächung könnte eine plötzliche Verlangsamung erklären. Um die Sonnenwende deuten die Daten außerdem auf einen Abwärtstransport von Drehimpuls hin, von höheren zu tieferen Schichten.

Ihre Empfehlung an Modellierer: die Obergrenze der Titan-Modelle von etwa 500 auf etwa 1.000 km anzuheben, das vertikale Gitter zu verfeinern und mit ALMA weiter zu beobachten. Ein stark veränderlicher Äquatorjet über einem langsam drehenden Mond ist, wie sie anmerken, ein Testfall für andere superrotierende Atmosphären, im Sonnensystem und darüber hinaus.