GIÓ TRÊN TITAN TĂNG TỐC MỘT PHẦN BA TRONG 27 NGÀY

Titan, vệ tinh lớn nhất của Sao Thổ, có một bầu khí quyển dày — 1,45 bar ở bề mặt — gồm khoảng 98% nitơ và 2% metan, cùng cả một nền hóa học của nitrile và hydrocarbon. Nó quay chậm, một vòng mỗi 15,9 ngày Trái Đất. Vậy mà khí quyển của nó lại siêu tự quay (superrotation): gió vòng quanh toàn bộ vệ tinh nhanh hơn nhiều so với tốc độ quay của khối rắn.

Những cơn gió này ban đầu được suy ra gián tiếp, rồi được xác nhận ở độ cao dưới 150 km nhờ các phép đo Doppler của sứ mệnh Cassini–Huygens. Chúng trộn lẫn các hóa chất giữa ngày và đêm, góp phần giữ các phân tử trong xoáy cực mùa đông, và được cho là định hình các cồn cát hữu cơ của Titan. Nhưng đo chúng ở gần xích đạo thì khó: phương pháp dựa trên bản đồ nhiệt độ của Cassini mất hiệu lực ở đó.

Một bất ngờ từ 2016–2017

Các quan sát trước đây bằng ALMA, Mạng lưới Ăng-ten Milimét/Dưới milimét Lớn Atacama ở Chile, đã phát hiện một điều bất ngờ: từ tháng 8/2016 đến tháng 5/2017, gió xích đạo ở độ cao gần 1.000 km đã giảm 47%, từ 373 xuống 196 mét mỗi giây. Các mô hình khí hậu của Titan, với tầng trên cùng dừng ở khoảng 500 km, không tạo ra được những biến động như vậy.

Martin Cordiner thuộc Trung tâm Bay Vũ trụ Goddard của NASA cùng các đồng nghiệp từ Yale, Bristol, Caltech, Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian và các cơ sở khác đã đặt mục tiêu quan sát một tầng khí quyển thấp hơn trong một khoảng thời gian dài hơn.

Đọc gió trong một phân tử

Nhóm quan sát acetonitrile (CH₃CN), một phân tử trong khí quyển Titan, vào năm thời điểm mới từ tháng 6/2022 đến tháng 5/2023, và phân tích lại hai thời điểm lưu trữ từ năm 2016 và 2017. Ở một rìa của vệ tinh, chất khí tiến về phía chúng ta; ở rìa bên kia, nó di chuyển ra xa. Độ lệch rất nhỏ về tần số của các vạch vô tuyến — hiệu ứng Doppler — cho biết tốc độ gió.

Phép đo nhạy nhất ở độ cao khoảng 250 km, trong dải 200 đến 490 km — tầng bình lưu trên và tầng trung lưu dưới. Bảy thời điểm trải gần trọn một mùa trên Titan, từ cuối mùa thu đến cuối mùa đông ở bán cầu nam.

Nhanh, và thất thường

Gió mạnh nhất luôn nằm trong khoảng 10 độ quanh xích đạo, tới 240 ± 26 m/s vào tháng 8/2016.
Từ 2016 đến tháng 6/2022, gió ở vĩ độ thấp chậm dần đều 46%, xuống 130 m/s.
Sau đó nó dao động trong khoảng 130 đến 170 m/s, với những bước nhảy khoảng 40 m/s.
Từ 12/4 đến 9/5/2023 — chỉ 27 ngày Trái Đất, chưa tới hai ngày Titan — nó tăng từ 120 lên 159 m/s, tăng 33%. Trong cùng những tuần đó, gió ở vĩ độ cao vẫn ổn định.

Các tác giả gọi đây là lần đầu tiên phát hiện những thay đổi mạnh và liên tục của gió xích đạo trên Titan ở thang thời gian khoảng một tháng hoặc ngắn hơn.

Trong giai đoạn 2022–2023, mặt cắt gió cũng cho thấy hai thùy: một dải gần xích đạo và một dải thứ hai giữa 40 và 60 độ nam — dòng tia mùa đông mà các mô hình dự đoán và Cassini từng quan sát thấy.

Điều các mô hình bỏ sót

Hai mô hình hoàn lưu chung tiên tiến nhất, TitanWRF và TAM, tái hiện được xu hướng mùa diễn ra chậm: sự suy giảm kéo dài, rồi một đợt tăng vừa phải hơn. Ở vĩ độ cao, tốc độ gió của chúng chênh không quá khoảng 30% so với quan sát.

Nhưng các mô hình đặt gió mạnh nhất ở vĩ độ cao mùa đông, khoảng 40 đến 50 độ nam, và gió xích đạo của chúng chậm tới một nửa, chênh lệch lớn nhất quanh điểm chí. Không mô hình nào nắm bắt được những bước nhảy đột ngột ở thang tháng, ít nhất là trong các giá trị trung bình mười năm của chúng. Cả hai mô hình cho kết quả tương tự nhau dù chỉ TAM có tính đến mây và mưa metan, điều này gợi ý rằng các quá trình ẩm ít quan trọng ở những độ cao này.

Sóng trên một bầu trời quay chậm

Các tác giả cho rằng những thay đổi đột ngột đến từ các bất ổn định khí quyển. Trong mô phỏng, những sóng gọi là bất ổn định Rossby–Kelvin mang mô men động lượng về phía xích đạo và duy trì sự siêu tự quay; một sự suy yếu tạm thời có thể giải thích một đợt chậm lại đột ngột. Quanh điểm chí, dữ liệu cũng gợi ý mô men động lượng di chuyển xuống dưới, từ độ cao lớn hơn xuống độ cao thấp hơn.

Khuyến nghị của họ cho những người lập mô hình: nâng tầng trên cùng của các mô hình Titan từ khoảng 500 lên khoảng 1.000 km, làm mịn lưới theo chiều thẳng đứng, và tiếp tục theo dõi bằng ALMA. Họ lưu ý rằng một dòng tia xích đạo biến động mạnh phía trên một vệ tinh quay chậm là trường hợp thử nghiệm cho các bầu khí quyển siêu tự quay khác, trong Hệ Mặt Trời và xa hơn nữa.