Десять лет назад расследование Гюйгенса ЕКА вошло в книги по истории, спустившись на поверхность Титана, самую большую луну Сатурна. Первая успешная попытка человечества приземлиться на иностранный мир во внешней Солнечной системе произошла 14 января 2005.Понятие художника, показывающее спуск и приземляющееся Гюйгенса.
Кредит изображения: НАСА / JPL / ЕКА.Гюйгенс не только пережил спуск и приземление, но и продолжил передавать данные в течение 72 минут на холодной поверхности Титана, пока ее батареи не были истощены.
Начиная с того исторического момента ученые со всего мира детально изучили объемы данных о Титане, посланном в Землю Гюйгенсом и его mothership, космическим кораблем Кассини НАСА.“Миссия этого амбициозного масштаба представляет триумф в международном сотрудничестве”, сказал доктор Эрл Мэйз, менеджер проектов Кассини в Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене.
“С формального начала миссии в 1982, к захватывающему приземлению Гюйгенса 23 года спустя, до настоящего момента, Кассини-Гюйгенс должен большую часть своего успеха к огромным совместным действиям и сотрудничеству больше чем между дюжиной стран”.“Эта работа в команде — все еще главная сила проекта, в то время как орбитальный аппарат Кассини продолжает исследовать систему Сатурна”.Чтобы отметить 10-ю годовщину Титана, приземляющегося, ученые Cassini-Huygens выбрали десять важных результатов новаторской миссии.
1. Профилирование атмосферы Титана:Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI) сделал первые измерения на месте атмосферы Титана.
HASI определил атмосферную температуру, давление и плотность с высоты 1 400 км вниз на поверхность.Точка зрения Гюйгенса Титана с пяти высот.
Кредит изображения: ЕКА / НАСА / JPL / Аризонский университет.Задолго до того, как Гюйгенс прибыл в самую большую луну Сатурна, ученые знали, что его плотная атмосфера, главным образом, состояла из азота с небольшим количеством метана, но структура атмосферы была плохо понята.
Контролируя темп исследования замедления, поскольку это погрузилось в атмосферу, инструмент HASI непосредственно определил плотность верхней атмосферы.Температура была получена на основании моделей того, как она должна измениться с плотностью и высотой. В более низкой атмосфере и на поверхности Титана, HASI непосредственно измерил давление и температуру, а также электрические свойства, такие как диэлектрическая постоянная и распределение ионов.Данные HASI показали, что верхняя атмосфера была обычно теплее и более плотной, чем ожидалось.
Атмосфера титана, как также находили, была очень стратифицирована.Выше 500 км средняя температура была о минус 100 градусов Цельсия, но сильные изменения 10-20 градусов Цельсия были обнаружены из-за слоев инверсии и других явлений, такой как, гравитационные волны и потоки. Мезосфера фактически отсутствовала, в отличие от теоретических предсказаний.Ниже 500 км температура увеличилась вполне быстро, достигнув максимума минус 87 градусов Цельсия наверху стратосферы, на высоте 250 км.
Температура тогда постоянно уменьшалась всюду по стратосфере, достигая минимума минус 203 градуса Цельсия на высоте 44 км. Это отметило границу между стратосферой и тропосферой.Температура увеличилась снова, поскольку исследование приблизилось к поверхности, повысившись до холодного минус 180 градусов Цельсия в посадочной площадке.
Поверхностное давление было 1.47 раза этим на Земле.2. Супервращение ветров:
Хотя относящиеся к космическому кораблю наблюдения указали, что сильные зональные ветры могут существовать в атмосфере Титана, первые прямые измерения были сделаны Экспериментом Ветра Гюйгенса Doppler.Изображения, зарегистрированные спуском Гюйгенса спектральный блоком формирования изображений радиометр между 7 и 0,5 км, были собраны, чтобы произвести эту панорамную мозаику. Наземный след исследования обозначен как пункты в белом.
Север произошел. Горный хребет около центра сокращен дюжиной более темных переулков или каналов. Посадочная площадка отмечена X близостью продолжение одного из каналов. Кредит изображения: ЕКА / НАСА / JPL / Аризонский университет.
Измеряя эффект Доплера радио-сигнала от Гюйгенса и изучая панорамные мозаики от бортового блока формирования изображений, чтобы разработать траекторию спуска, было возможно создать высокое разрешение вертикальный профиль ветров Титана с предполагаемой точностью лучше, чем 1 м/с.Гюйгенс нашел, что зональные ветры были просортом – тем же самым направлением как вращение Луны – во время большей части атмосферного спуска.Исследование обычно дрейфовало на восток, стимулируемое удивительно сильными западными ветрами, которые достигли максимума на уровне примерно 120 м/с на высоте приблизительно 120 км.
Вниз к высоте 60 км, большие изменения в измерениях Doppler наблюдались – доказательства, что Гюйгенс вынес тяжелое испытание как результат значительного вертикального сдвига ветра.Скорости ветра тогда уменьшились к поверхности, понижающейся от 30 м/с на высоте 55 км к 10 м/с на высоте 30 км, в конечном счете замедлившись к 4 м/с на уровне 20 км.
Ветры опустились до нуля и затем полностью изменили направление на уровне приблизительно 7 км.Большие скорости ветра просорта, измеренные между 45-и 70-километровой высотой и выше 85 км, были намного быстрее, чем экваториальная скорость вращения Титана. Это было первое подтверждение на месте предсказанного супервращения атмосферы луны, даже при том, что наблюдаемая скорость была немного ниже, чем ожидалось.Слой с удивительно медленным ветром, где поперечная скорость уменьшилась к почти нолю, был обнаружен на высотах между 60 и 100 км.
В течение прошлых 15 минут спуска Гюйгенс направился на запад — северо-запад со скоростью приблизительно 1 м/с. Скорость ветра на поверхности была между 0,3 и 1 м/с.
По продолжительности спуска исследование дрейфовало в восточном направлении расстояние 165,8 км относительно поверхности Титана.3. Тайна метана:Исследование Гюйгенса сделало первые прямые измерения состава более низкой атмосферы Титана. Данные, возвращенные Gas Chromatograph Mass Spectrometer (GCMS) на Гюйгенсе, включали высотные профили газообразных элементов, изотопических отношений и газов следа (включая органические соединения).
Эта иллюстрация показывает различные шаги, которые приводят к формированию аэрозолей, которые составляют туман на Титане. Когда солнечный свет или очень энергичные частицы от магнитосферы Сатурна поражают слои атмосферы Титана выше 1 000 км, молекулы азота и метана там разбиты. Это приводит к формированию крупных положительных ионов и электронов, которые вызывают цепь химических реакций, которые производят множество углеводородов. Многие из этих углеводородов были обнаружены в атмосфере Титана, включая Полициклические Ароматические Углеводороды (PAHs), которые являются большими основанными на углероде молекулами, которые формируются из скопления меньших углеводородов.
Некоторые PAHs, обнаруженные в атмосфере Титана также, содержат атомы азота. PAHs — первый шаг в последовательности все больших комплексов. Шоу моделей, как PAHs может сгустить и сформировать большие совокупности, которые имеют тенденцию снижаться, из-за их большего веса, в более низкие атмосферные слои.
Более высокие удельные веса в более низкой атмосфере Титана одобряют дальнейший рост этих крупных конгломератов атомов и молекул. Эти реакции в конечном счете приводят к производству основанных на углероде аэрозолей, большим совокупностям атомов и молекул, которые найдены в более низких слоях тумана, который закутывает Титана, значительно ниже 500 км.
Кредит изображения: ЕКА / ATG medialab.Два из ключевых вопросов о Титане — происхождение азота и метана в его атмосфере и механизмов, которыми сохраняются уровни метана. Так как солнечный свет разрушает метан безвозвратно на Титане, его жизнь в атмосфере — только десятки миллионов лет.
Так или иначе метан должен все время или периодически пополняться.Основные элементы атмосферы Титана были подтверждены, чтобы быть азотом и метаном. В стратосфере уровни метана, как находили, были довольно низкими, и газ был однородно смешан.
Затем на высоте 40 км, в верхней тропосфере, относительное количество метана начало увеличиваться постепенно приблизительно до 7 км, когда это достигло 100%-й относительной влажности (уровень насыщенности).Для последней части спуска количества метана остались относительно постоянными, пока исследование не приземлилось на поверхности. Внезапное, 40%-е увеличение сигнала метана после приземления, в то время как темп количества азота остался постоянным, предложило присутствие жидкого метана на поверхности.
Это, возможно, произошло из-за космического корабля, нагревающего поверхностный материал. Эта увеличенная стоимость для метана оставалась почти постоянной в течение приблизительно одного часа с намеком очень небольшого уменьшения на уровне к концу этого периода.Измерения углеродных изотопов в метане не оказывают поддержки для предположений, что он произведен активными микроорганизмами на Титане.
Метан, вероятно, аккумулировался Титаном во время формирования луны, и большие количества жидкого метана теперь пойманы в ловушку во льдах ниже поверхности, возможно достигнув поверхности через некоторую форму криовулканизма. Эта деятельность заменила бы метан, который потерян в результате фотохимии в атмосфере.Спектры, взятые поверхность также, показали особенность подписей более сложных углеводородов, таких как этан, циан и бензол.4. Происхождение атмосферы азота Титана:
Титан и Земля — единственные миры в нашей Солнечной системе, у которых есть толстые атмосферы азота. Хотя данные из миссии Путешественника подразумевали, что азот был главным атмосферным газом, GCMS на Гюйгенсе сделал первую прямую идентификацию большой части атмосферным азотом и его изобилием. Другие атмосферные измерения GCMS дали представления о том, куда эта атмосфера прибыла из.Это изображение было возвращено 14 января 2005 Гюйгенсом после его успешного спуска, чтобы приземлиться на Титана.
Это цветное представление, после обработки, чтобы добавить данные о спектрах отражения, дает признак фактического цвета поверхности. Кредит изображения: ЕКА / НАСА / JPL / Аризонский университет.Во время его спуска на поверхность GCMS измерил изотопические отношения и разновидности следа в атмосфере.
Одна из целей для инструмента состояла в том, чтобы искать тяжелые, благородные газы, такие как аргон 36, аргон 38, криптон и ксенон.Эти исконные газы были обнаружены и измерены в метеоритах, в атмосферах Земли, Марса, Венеры и Юпитера. Отличающиеся образцы относительного изобилия и изотопические отношения газов обеспечивают понимание происхождения и эволюции этих объектов. В результате их измерения в атмосфере Титана нетерпеливо ожидались.
Ученые теоретизировали, что эти благородные газы присутствовали всюду по Солнечной Туманности и должны были поэтому быть включены и в Сатурн и в Титана во время ранних стадий формирования планеты. В контексте происхождения азота аргон 36 имеет особое значение, и GCMS нашел, что отношение аргона 36 к азоту было об одном миллионе раз меньше, чем найдено на солнце.
Прямое уплотнение газов в молодом Титане привело бы к захвату аргона 36, а также азот, в солнечных пропорциях. Однако исчерпанное отношение, обнаруженное GCMS на Гюйгенсе, подразумевает, что азот был захвачен как аммиак или в других имеющих азот комплексах.
Редкость благородных газов на Земле долго рассматривалась как мощная поддержка атмосферы, сформированной воздействиями богатого газом planetesimals, и близкое отсутствие благородных газов от Титана оказывает больше поддержки для этой гипотезы.5. Радиоактивный распад и криовулканизм:Один из газов следа, обнаруженных GCMS Гюйгенса, был радиогенным аргоном 40. Этот изотоп открывает окно в интерьер гигантской луны.
Эскиз понятия интерьера Титана. Кредит изображения: Анджело Тавани.
Радиогенный аргон был обнаружен GCMS ниже 18 км. Это обнаружение было важно, потому что аргон 40 происходит только из распада калия 40, радиоактивный изотоп калия, найденного в скалах. Единственный возможный источник этого аргона 40 является скалами, которые существуют глубоко в интерьере Титана ниже мантии спутника углеводорода и щербета.
Так как радиоактивный период полураспада калия 40 составляет приблизительно 1,3 миллиарда лет, намного короче, чем целая жизнь Титана, небольшое количество аргона 40 в атмосфере обеспечивает важный индикатор того, сколько дегазации произошло из глубокого интерьера.Если скалистый компонент интерьера Титана имеет тот же самый состав как та из Земли и имеет outgassed до той же самой степени, аргон 40 должен быть приблизительно в десять раз более в изобилии, чем измеренный Гюйгенсом, включив приблизительно 0,05 процента атмосферы.
Если интерьер был достаточно теплым в прошлом для жидкой мантии воды или водного аммиака, чтобы достигнуть полностью вниз к скалистому ядру луны, калий, возможно, просочился в жидкость. У радиогенного аргона 40 мог тогда быть outgassed на поверхность.Конечно, присутствие аргона 40 на уровнях, замеченных Гюйгенсом, является верным признаком геологической деятельности по Титану, и согласовывающийся с периодическим пополнением атмосферного метана. Очевидные доказательства криовулканизма, наблюдаемого орбитальным аппаратом Кассини, обеспечивают один возможный процесс для выпуска обоих газов из интерьера.
6. Туманный титан:Одна из самых значимых особенностей Титана — оранжевое одеяло тумана, который скрывает его поверхность. Однако никто не знал, распространился ли туман на поверхность, пока Гюйгенс не приземлился на ледяную луну.Шесть стереографических изображений поверхности Титана, взятой во время спуска Гюйгенса на поверхность Титана, показывая прояснение тумана.
Кредит изображения: ЕКА / НАСА / JPL / Аризонский университет.Измерения Радиометра Блока формирования изображений Спуска / Спектрального Радиометра (DISR) предоставили информацию на месте об оптических свойствах, размере и плотности частиц тумана. Наблюдения показали, что было существенное количество тумана на всех высотах всюду по спуску, распространяясь полностью вниз на поверхность.С уменьшающейся высотой частицы тумана стали более яркими, и размеры частицы увеличились, из-за столкновений, которые привели к эффекту снежка, а также уплотнению метана, этана и водородных газов цианида на маленькие ядра аэрозоля на более низких уровнях.
Гюйгенс обнаружил три отличных региона тумана – регион I выше 80 км, регион II между 80 и 30 км, и регион III между 30 км и поверхность, на основе плотности и оптических свойств атмосферы.Перед миссией Гюйгенса обычно считалось, что крошечные частицы тумана медленно снижаются через стратосферу, в конечном счете действуя как ядра уплотнения для более низких облаков уровня. Некоторые ученые теоретизировали, что туман мог бы очиститься ниже высоты 50 — 70 км из-за уплотнения газов, таких как метан.
Однако DISR показал, что Гюйгенс начал появляться из тумана только в тропосфере, на 30 км выше поверхности.Другой тонкий слой тумана метана был обнаружен на высоте 21 км, где местная температура была минус 197 градусов Цельсия, и давление составляло 450 мбар.
Эта особенность может быть признаком уплотнения метана. Действительно, данные предлагают присутствие слоистых облаков метана в тропосфере Титана на высотах между 8 и 30 км.Когда объединено с наземными измерениями, данные предлагают верхнее ледяное облако метана (или туман) приблизительно между 20 и 30 км и жидкий слой облака азота метана между 8 и 16 км, возможно с промежуточным промежутком.
7. Крошечные аэрозоли титана:Крошечные частицы в атмосфере Титана, как долго подозревали, играли важную роль в определении ее тепловой структуры и атмосферных процессов. Однако до миссии Гюйгенса, никакие прямые измерения не были сделаны из химического состава этих частиц.Визуальный и инфракрасный спектрометр отображения Кассини имеет изображенный огромная система облака, покрывающая Северный полюс Титана.
Кредит изображения: НАСА / JPL / Аризонский университет / LPG Нант.Один набор измерений был сделан GCMS и коллекционером Аэрозоля и Pyrolyser (ACP) экспериментом.
Собранные частицы аэрозоля были нагреты в духовке ACP, чтобы выпарить все изменчивые компоненты, и состав газов, выпущенных каждым образцом, был тогда проанализирован GCMS.Два атмосферных образца были получены во время спуска Гюйгенса. Каждый был взят на уровне 130-35 км (средняя стратосфера) и другой на уровне 25-20 км (средняя тропосфера). Аммиак и водородный цианид были идентифицированы как главные газы, выпущенные в духовке, подтвердив, что углерод и азот — главные элементы аэрозолей.
Никакие существенные различия не были найдены между этими двумя образцами, предположив, что состав аэрозолей был тем же самым на обеих высотах. Это поддерживает идею, что у них есть общий источник в верхней атмосфере, где ультрафиолетовый солнечный свет фотохимически изменяет газы, такие как метан.Между тем DISR характеризовал оптические свойства фотохимических аэрозолей от 150-километровой высоты до поверхности. Они, как находили, соответствовали свойствам tholins, материалы, созданные в лабораториях, посылая электрические выбросы в смеси азота и метана.
Оптические свойства аэрозолей могут быть воспроизведены уплотнением водородного цианида близко к 80 км, уплотнением этана близко к tropopause (44 км) и уплотнением метана от tropopause вниз к 8 км.8. Сухие русла реки и озера:
Скрытый ниже всеобъемлющего одеяла тумана, поверхность Титана осталась тайной, пока DISR не передала серию обратно уникальных, захватывающих изображений.Это изображение — соединение нескольких изображений, взятых во время двух отдельных демонстрационных полетов Титана в 2006.
Большая круглая особенность около центра диска Титана может быть остатком очень старого бассейна с воздействием. Горные цепи на юго-восток круглой особенности и длинной темной, линейной особенности на северо-запад старого шрама воздействия, возможно, следовали из архитектурной деятельности по Титану, вызванному энергией, выпущенной, когда воздействие произошло.
Кредит изображения: NASA/JPL/University Аризоны.DISR взял несколько сотен видимо-легких изображений со своими тремя камерами во время его 2-часового 27-минутного спуска, включая несколько компаний пар изображения стерео, которые позволили цифровым моделям ландшафта быть построенными.Камеры показали, что плато с большим количеством темных каналов прервало его, формируя сети дренажа, которые имели много общих черт тем на Земле.
Узкие каналы сходились в широкие реки, которые стекали в широкий, темный, регион низменности. Ущелья, сокращенные реками, были приблизительно 100 м глубиной, и их наклоны долины были очень круты, который предложил быструю эрозию из-за внезапных, сильных потоков.Никакие доказательства поверхностной жидкости не были найдены во время приземления.
Однако кажется вероятным, что время от времени весь темный регион наводнен наводнениями жидкого метана и этана. Если более темный регион — сухой lakebed, это слишком большое, чтобы быть вызванным ручьями и каналами, видимыми по изображениям. Это, возможно, было создано другими большими речными системами или некоторым крупномасштабным катастрофическим событием, которое предшествует смещению у рек, замеченных по изображениям.
Более яркие регионы к северу от посадочной площадки показали два различных образца дренажа: (i) яркая горная местность с грубой топографией и глубоко выгравированные ветвящиеся сети дренажа с темным настеленными пол долинами, которые указали на эрозию ливнем метана; и (ii) короткие, короткие каналы, которые следовали за линейными образцами ошибки, формируя подобные каньону особенности, наводящие на размышления о весне, иссушая жидким метаном.Топографические данные показали, что яркие горные ландшафты чрезвычайно бурные, часто с наклонами до 30 градусов.
Они стекают в относительно плоские, темные ландшафты низменности. Темный материал, который покрывает равнины, возможно, несли вперед потоки и можно было составить из фотохимических депозитов, которыми льются сверху.
Сама посадочная площадка напомнила сушеное русло. Округленные булыжники, 10 — 15 см в диаметре и вероятно сделанный из углеводородов и щербета, оперлись на более темную гранулированную поверхность.
9. Намеки океана недр:Одно из самых удивительных открытий Гюйгенса было обнаружением необычного источника электрического возбуждения в атмосфере Титана.Понятие этого художника показывает возможную модель внутренней структуры Титана, которая включает данные из космического корабля Кассини НАСА. В этой модели полностью дифференцирован Титан, что означает, что более плотное ядро Луны отделилось от ее внешних частей.
Эта модель предлагает ядро, состоящее полностью из имеющих воду скал и океана недр жидкой воды. Мантия, по этому изображению, сделана из ледяных слоев, тот, который является слоем льда высокого давления ближе к ядру и внешней ледяной раковине сверху океана недр. Модель Кассини показывают, делая целенаправленный демонстрационный полет по cloudtops Титана с Сатурном и Энцеладом, появляющимся в верхнем правом углу.
Кредит изображения: нашей эры. Сильные стороны / UCL / STFC.
Ученые задались вопросом, могла ли бы молния быть произведена в атмосфере Титана, таким образом, Гюйгенс был снабжен Диэлектрической постоянной, Волной и Альтиметрией (PWA) эксперимент, чтобы обнаружить контрольные радио-сигналы.На Земле тысячи вспышек молнии происходят каждую секунду, и каждый болт производит радио-потрескивание. Это означает, что наша атмосфера непрерывно производит сигналы радио чрезвычайно низкой частоты (ELF), известные как резонансы Шумана.Эти глобальные электромагнитные резонансы, взволнованные выбросами молнии, происходят во ‘впадине’, сформированной между поверхностью Земли и ионосферой – область электрически заряженных частиц в верхней атмосфере Земли.
Такой резонанс известен только на Земле для того, чтобы быть выпущенным штормовой молнией, и долго считалось, что ее существование на других планетах позволит показать присутствие и штормовой деятельности и проводящей земли.Хотя никакая молния или грозы не были обнаружены в атмосфере Титана, PWA действительно обнаруживал необычный сигнал ЭЛЬФА на частоте приблизительно 36 герц.Гюйгенс также обнаружил более низкий ионосферный слой между 140 км и 40 км с электрической проводимостью, достигающей максимума около 60 км.Чтобы объяснить уникальный образец сигналов, ученые предложили, чтобы атмосфера Титана вела себя как гигантская электрическая схема.
Электрический ток произведен в ионосфере, когда она взаимодействует с магнитосферой Сатурна. Это приводит к эффекту динамо как плазма, пойманная в ловушку в магнитосфере co-rotates с планетой каждые 10 часов или около этого.Более низкая граница впадины Титана, которая отражает радио-сигналы, как думают, является проводящим океаном воды и аммиака, который похоронен на глубине на 55-80 км ниже непроводящей, ледяной корки.Открытие Гюйгенсом этого уникального резонанса Шумана рассматривается как ключевые доказательства поддержки существования такого океана недр, скрытого далеко ниже замороженной поверхности луны.
10. Неуловимые дюны:
Ученые нашли, что расположение посадочной площадки Гюйгенса на изображениях, взятых орбитальным аппаратом Кассини, было намного более трудным, чем ожидалось.Посадочная площадка Гюйгенса.
Кредит изображения: ЕКА / НАСА / JPL-Калифорнийский-технологический-институт / Аризонский университет / USGS.Хотя выглядящая словно сторона краситель (SLI), часть DISR Гюйгенса, смогла максимум к расположенным 450 км особенностей поверхности изображения от посадочной площадки Гюйгенса, изображения, которые это передало обратно, было трудно согласовать изображениям синтетического радара апертуры (SAR), полученным орбитальным аппаратом Кассини.
Область вокруг посадочной площадки Гюйгенса оказалась огромной равниной грязного щербета, по которому кладут одеяла органических депозитов. Эти мантии аэрозоля были невидимы для радарных волн, таким образом, изображения SAR Кассини только показали основной щербет.
В результате граница между яркой горной местностью и темными равнинами, что Гюйгенс дрейфовал просто, не обнаружилась по радарным изображениям.Местоположение посадочной площадки было только связано через какое-то время обнаружением двух темных, продольных дюн, приблизительно в 30 км к северу от посадочной площадки. Неуловимые очертания суши были видимы и в SAR и в изображениях Гюйгенса.Хотя темный, продольные дюны формируют обширные моря песка всюду по оптически темным экваториальным регионам Титана, Гюйгенс спустился по области ярких и темных единиц, которая была свободна от распространяющихся областей дюны, найденных в другом месте.
Дюны на Титане, вероятно, состоят из углеводорода размера песка и/или нитрилового зерна, смешанного с меньшими суммами щербета. Частицы, которыми льются сверху на поверхность и, были впоследствии разрушены и перемещены поверхностью и Эолийскими процессами, такими как жидкий последний тур метана и эрозия ветра.
Для песка, чтобы мигрировать через поверхность под влиянием слабых поверхностных ветров Титана, процесс, названный скачком, ученые пришли к заключению, что материал дюны должен быть между 100 и 300 микронами в диаметре.