ВЕТРЫ ТИТАНА УСКОРЯЮТСЯ НА ТРЕТЬ ЗА 27 ДНЕЙ

У Титана, крупнейшего спутника Сатурна, плотная атмосфера — 1,45 бар у поверхности, — состоящая примерно на 98% из азота и на 2% из метана, а также целая химия нитрилов и углеводородов. Он вращается медленно, один раз за 15,9 земных суток. И всё же его атмосфера находится в суперротации: ветры огибают весь спутник гораздо быстрее, чем вращается твёрдое тело.

Эти ветры сначала были выведены косвенно, а затем подтверждены ниже 150 км доплеровскими измерениями миссии «Кассини — Гюйгенс». Они перемешивают химические вещества между дневной и ночной сторонами, помогают удерживать молекулы в зимнем полярном вихре и, как считается, формируют органические дюны Титана. Но измерить их у экватора трудно: метод, основанный на температурных картах «Кассини», там не работает.

Сюрприз 2016–2017 годов

Более ранние наблюдения на ALMA — Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решётке в Чили — обнаружили неожиданное: с августа 2016 по май 2017 года экваториальный ветер на высоте около 1000 км ослаб на 47%, с 373 до 196 метров в секунду. Климатические модели Титана, верхняя граница которых проходит около 500 км, таких колебаний не дают.

Мартин Кординер из Центра космических полётов имени Годдарда NASA и коллеги из Йеля, Бристоля, Калтеха, Научного института космического телескопа и других учреждений решили понаблюдать за более низким слоем атмосферы в течение более долгого времени.

Читать ветер по молекуле

Команда наблюдала ацетонитрил (CH₃CN), молекулу из атмосферы Титана, в пять новых дат с июня 2022 по май 2023 года и заново проанализировала две архивные даты 2016 и 2017 годов. На одном краю спутника газ движется к нам, на другом — от нас. Крошечный сдвиг частоты его радиолиний — эффект Доплера — даёт скорость ветра.

Измерение наиболее чувствительно на высоте около 250 км, в диапазоне от 200 до 490 км — в верхней стратосфере и нижней мезосфере. Семь дат охватывают почти целый сезон Титана — от поздней южной осени до поздней южной зимы.

Быстрые и переменчивые

Самые быстрые ветры всегда находятся в пределах примерно 10 градусов от экватора, достигая 240 ± 26 м/с в августе 2016 года.
С 2016 по июнь 2022 года ветер в низких широтах постепенно ослаб на 46% — до 130 м/с.
Затем он колебался примерно между 130 и 170 м/с со скачками около 40 м/с.
С 12 апреля по 9 мая 2023 года — всего за 27 земных суток, меньше чем за двое суток Титана, — он вырос со 120 до 159 м/с, то есть на 33%. За те же недели ветры в высоких широтах оставались стабильными.

Авторы называют это первым обнаружением сильных продолжающихся изменений экваториальных ветров Титана на масштабах около месяца или меньше.

В 2022–2023 годах профиль ветра также показал два «лепестка»: приэкваториальную полосу и вторую полосу между 40 и 60 градусами южной широты — зимнее струйное течение, которое предсказывают модели и которое наблюдал «Кассини».

Чего не видят модели

Две передовые модели общей циркуляции, TitanWRF и TAM, воспроизводят медленный сезонный тренд: долгий спад, затем более умеренный рост. В высоких широтах их скорости ветра отличаются от наблюдаемых примерно на 30%.

Но модели помещают самые быстрые ветры в высокие зимние широты, около 40–50 градусов южной широты, а их экваториальные ветры до двух раз медленнее наблюдаемых, причём расхождение максимально около солнцестояния. Ни одна из них не воспроизводит резких скачков месячного масштаба — по крайней мере в своих десятилетних средних. Обе модели дают похожие результаты, хотя только TAM учитывает метановые облака и дожди, — значит, влажные процессы на этих высотах, по-видимому, мало что значат.

Волны в медленно вращающемся небе

Авторы предполагают, что внезапные изменения вызваны атмосферными неустойчивостями. В моделях волны, называемые неустойчивостями Россби — Кельвина, переносят момент импульса к экватору и поддерживают суперротацию; временное ослабление могло бы объяснить внезапное замедление. Около солнцестояния данные также намекают на перенос момента импульса вниз — с больших высот на меньшие.

Их рекомендация разработчикам моделей: поднять верхнюю границу моделей Титана примерно с 500 до примерно 1000 км, уточнить вертикальную сетку и продолжать наблюдения на ALMA. Сильно переменчивое экваториальное струйное течение над медленно вращающимся спутником, отмечают они, — это проверочный случай для других суперротирующих атмосфер, в Солнечной системе и за её пределами.