Обработано с использованием калиброванных изображений Титана, отфильтрованных красным, зеленым и синим, полученных Кассини 16 декабря 2011 года. Фото: NASA/JPL-Caltech/SSI/Кевин М. Гилл.
Титан, крупнейший спутник Сатурна, является единственным планетарным телом в Солнечной системе, на котором в настоящее время имеются активные реки, озера и моря. Считается, что эти потусторонние речные системы заполнены жидким метаном и этаном, которые впадают в широкие озера и моря, некоторые из которых столь же велики, как Великие озера на Земле.
Существование больших морей и меньших озер Титана было подтверждено в 2007 году с помощью изображений, полученных космическим кораблем НАСА «Кассини». С тех пор ученые изучали эти и другие изображения в поисках ключей к разгадке загадочной жидкой среды Луны.
Теперь геологи Массачусетского технологического института изучили береговую линию Титана и посредством моделирования показали, что большие моря Луны, вероятно, были сформированы волнами. До сих пор ученые находили косвенные и противоречивые признаки волновой активности, основываясь на удаленных изображениях поверхности Титана.
Команда Массачусетского технологического института применила другой подход к исследованию присутствия волн на Титане, сначала смоделировав способы разрушения озера на Земле. Затем они применили свое моделирование к морям Титана, чтобы определить, какая форма эрозии могла образовать береговые линии на изображениях Кассини. Волны, как они обнаружили, были наиболее вероятным объяснением.
Исследователи подчеркивают, что их результаты не являются окончательными; Чтобы подтвердить наличие волн на Титане, потребуются прямые наблюдения волновой активности на поверхности Луны.
«Основываясь на наших результатах, мы можем сказать, что если береговые линии морей Титана подверглись эрозии, то, скорее всего, виновниками являются волны», — говорит Тейлор Перрон, профессор кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Сесила и Иды Грин в Массачусетском технологическом институте.
«Если бы мы могли стоять на краю одного из морей Титана, мы могли бы увидеть волны жидкого метана и этана, плещущиеся о берег и разбивающиеся о побережье во время штормов. И они были бы способны разрушить материал, из которого сделано побережье. .»
Перрон и его коллеги, в том числе первый автор Роуз Палермо, бывшая аспирантка совместной программы MIT-WHOI и геолог-исследователь Геологической службы США, опубликовали свое исследование в журнале Science Advances. В число их соавторов входят научный сотрудник Массачусетского технологического института Джейсон Содерблом, бывший постдок Массачусетского технологического института Сэм Берч, ныне доцент Брауновского университета, Эндрю Эштон из Океанографического института Вудс-Хоул и Александр Хейс из Корнелльского университета.
«Идём другим путём»
Наличие волн на Титане стало несколько спорной темой с тех пор, как Кассини обнаружил тела жидкости на поверхности Луны.
«Некоторые люди, которые пытались увидеть доказательства существования волн, не видели их и говорили: «Эти моря зеркально гладкие», — говорит Палермо. «Другие говорили, что видели некоторую шероховатость на поверхности жидкости, но не были уверены, что волны вызвало это».
Знание того, является ли волновая активность морей Титана, может дать ученым информацию о климате Луны, например, о силе ветров, которые могут вызвать такие волны. Информация о волнах также может помочь ученым предсказать, как форма морей Титана может меняться с течением времени.
Вместо того, чтобы искать прямые признаки волнообразных особенностей на изображениях Титана, Перрон говорит, что команде пришлось «избрать другой путь и посмотреть, просто взглянув на форму береговой линии, сможем ли мы сказать, что разрушает побережье. .»
Считается, что моря Титана образовались в результате повышения уровня жидкости, затопившей ландшафт, пересеченный речными долинами. Исследователи остановились на трех сценариях того, что могло произойти дальше: отсутствие береговой эрозии; эрозия, вызванная волнами; и «равномерная эрозия», вызванная либо «растворением», при котором жидкость пассивно растворяет материал побережья, либо механизмом, при котором берег постепенно отслаивается под собственным весом.
Исследователи смоделировали, как будут развиваться различные формы береговой линии в соответствии с каждым из трех сценариев. Чтобы смоделировать волновую эрозию, они приняли во внимание переменную, известную как «выборка», которая описывает физическое расстояние от одной точки на береговой линии до противоположной стороны озера или моря.
«Волновая эрозия обусловлена высотой и углом волны», — объясняет Палермо. «Мы использовали выборку для приблизительной высоты волны, потому что чем больше выборка, тем больше расстояние, на котором может дуть ветер и расти волны».
Чтобы проверить, как формы береговой линии будут различаться в трех сценариях, исследователи начали с моделирования моря с затопленными речными долинами по краям. Для волновой эрозии они рассчитали расстояние от каждой точки вдоль береговой линии до каждой другой точки и преобразовали эти расстояния в высоту волн.
Затем они запустили симуляцию, чтобы увидеть, как волны со временем будут разрушать начальную береговую линию. Они сравнили это с тем, как та же береговая линия будет развиваться в условиях эрозии, вызванной равномерной эрозией. Команда повторила это сравнительное моделирование для сотен различных стартовых форм береговой линии.
Они обнаружили, что формы концов сильно различались в зависимости от лежащего в основе механизма. В частности, равномерная эрозия привела к вздутию береговой линии, которая равномерно расширялась по всему периметру, даже в затопленных речных долинах, тогда как волновая эрозия в основном сглаживала части береговой линии, подверженные большому расстоянию, оставляя затопленные долины узкими и неровными.
«У нас были одинаковые начальные береговые линии, и мы увидели, что конечная форма получается совершенно разная при равномерной эрозии по сравнению с волновой эрозией», — говорит Перрон. «Все они похожи на летающего спагетти-монстра из-за затопленных речных долин, но два типа эрозии приводят к совершенно разным конечным последствиям».
Команда проверила свои результаты, сравнив модели с реальными озерами на Земле. Они обнаружили такую же разницу в форме между земными озерами, которые, как известно, были размыты волнами, и озерами, подвергшимися равномерной эрозии, такой как растворение известняка.
Форма берега
Их моделирование выявило четкие, характерные формы береговой линии, в зависимости от механизма их эволюции. Затем команда задалась вопросом: где в этих характерных формах поместятся береговые линии Титана?
В частности, они сосредоточили внимание на четырех крупнейших и наиболее хорошо нанесенных на карту морях Титана: Море Кракена, которое по размеру сравнимо с Каспийским морем; Лигейя-Маре, которая больше озера Верхнее; Пунга-Маре, длиннее озера Виктория; и Онтарио Лакус, который примерно на 20 процентов меньше своего земного тезки.
Команда нанесла на карту береговые линии каждого моря Титана, используя радиолокационные изображения Кассини, а затем применила моделирование к каждой береговой линии моря, чтобы увидеть, какой механизм эрозии лучше всего объясняет их форму. Они обнаружили, что все четыре моря полностью вписываются в модель волновой эрозии, а это означает, что волны создают береговые линии, которые больше всего напоминают четыре моря Титана.
«Мы обнаружили, что если береговые линии подверглись эрозии, то их формы больше соответствуют волновой эрозии, чем равномерной эрозии или ее отсутствию вообще», — говорит Перрон.
Исследователи работают над тем, чтобы определить, насколько сильными должны быть ветры на Титане, чтобы поднимать волны, которые могут неоднократно разрушать побережье. Они также надеются по форме береговой линии Титана определить, с каких направлений преимущественно дует ветер.
«Титан» представляет собой совершенно нетронутую систему», — говорит Палермо. «Это могло бы помочь нам узнать более фундаментальные вещи о том, как побережья разрушаются без влияния людей, и, возможно, это поможет нам лучше управлять нашими береговыми линиями на Земле в будущем».
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
Эта история переиздана благодаря MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярному сайту, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.
