На Титане меняются климатические эпохи

Спутник Сатурна Титан – одно из самых интересных тел Солнечной системы. Достаточно сказать, что это единственный неземной мир, на котором есть полномасштабный круговорот жидкости в природе – правда, в качестве жидкости выступает не привычная для нас вода, а углеводороды. На Титане есть мощная атмосфера, в которой плывут тяжелые облака, из этих облаков льется дождь, который собирается в реки, а те текут к озерам и морям.

Озера вместо океана

Подобные соображения появились у ученых еще в начале 1980−х годов, когда реальных данных о происходящем на спутнике не было. Однако и имевшихся на тот момент знаний о физических условиях и химическом составе Титана, а также уверенности, что мы хорошо понимаем законы функционирования природы, хватило, чтобы предположить, что поверхность спутника покрывает целый углеводородный океан.

Поверхность Титана скрыта от наших глаз мощным слоем рыжеватой дымки, так что проверить эти предположения сразу не получилось. Более того, первые прямые тесты этой теории слегка разочаровали теоретиков. Облучив Титан с Земли мощными импульсами радиоволн, ученые не нашли в отраженном сигнале признаков того, что на спутнике есть глобальный океан.

Тем не менее, возможность наличия на Титане озер и рек сохранялась, и их блестяще нашла пара Cassini—Huygens, прибывшая в систему Сатурна пять с лишним лет назад. Сначала космический аппарат Cassini, ощупывая спутник лучами своего радара SAR, наткнулся на обширные гладкие области, немедленно принятые за предсказанные озера. А потом и зонд Huygens, проткнув непрозрачный слой дымки, сфотографировал многочисленные русла рек, текущих в заливы обширных озер Титана, в ходе своей знаменитой посадки на поверхность небесного тела.

Небесная Карелия

На поверхности Huygens прожил недолго. Однако Cassini продолжает свои витки вокруг Сатурна и за это время уже 60 с лишним раз подлетал к Титану. И каждый раз ученые узнавали что-нибудь новое. Например, спектроскопические наблюдения атмосферы спутника вкупе с данными, собранными во время посадки Huygens, совсем недавно позволили рассчитать, из чего состоят озера Титана.

Продолжает свои наблюдения и радар SAR. За прошедшие годы, полоска за полоской сканируя спутник во время каждого пролета, он построил неплохую карту. У нее вполне приличное покрытие в районе полюсов – просто потому, что крутится спутник все время вокруг одних и тех же полюсов, а экватор под луч радара подставляется то одним, то другим боком.

Озер на этой карте – хоть пруд пруди. Особенно в северном полушарии Титана, где они местами покрывают 20−30% поверхности спутника, как в какой-нибудь Карелии. Зато в районе южного полюса эта доля даже на самых «мокрых» широтах едва дотягивает до 1%. И такая асимметрия все больше тревожит ученых.

Зима на лето

В том, что одно полушарие мокрее другого, в принципе, ничего страшного нет. У нас сейчас за окном тоже льет, как из ведра, а через неделю-другую землю до горизонта покроет толстый слой воды в форме белого снега. Тем временем Австралия изнемогает от жары и сухости.

Если вам предыдущий пример кажется не совсем честным – сравните, скажем, японский Саппоро и новозеландский Крайстчерч: они находятся примерно на одной широте и в схожем климатическом положении. Но через полгода ситуация поменяется. В Австралии, конечно, все равно будет сухо, а в Москве – все равно мокро, но в Крайстчерче пойдут еще какие дожди, а в Саппоро никакого снега не будет и в помине.

На Титане полгода длятся 15 земных лет, и Cassini не проработал здесь еще ни одного полного сезона. Может, со сменой времен года обратится и знак межполушарной асимметрии? С потеплением озера на севере испарятся, и атмосферные течения перенесут этан и метан к прохладному югу, где они снова конденсируются и наполнят озера. На юге, куда совсем недавно пришла осень, с похолоданием станет мокро, а на севере – теплее и суше.

Не сошлось

Скорее всего, на юге действительно станет мокрее, однако кардинально это ситуацию не изменит, доказывают ученые из США под руководством Одеда Ааронсона из Калифорнийского технологического института (Калтеха). Их работа принята к публикации в ближайшем номере Nature Geoscience.

Как показывают подсчеты, даже если взять весь избыток солнечной энергии, приходящийся на одно из полушарий летом, и перевести его в испарение углеводородов, то больше полуметрового слоя жидкости из одного полушария за земной год в другое не перенесешь. За титанические полгода от зимы к лету получается максимум несколько метров. Но глубина озер составляет не несколько, а десятки и сотни метров! Идея со сменой сезонов хороша, но числа не сходятся.

И это еще полбеды: в северном полушарии не только больше заполненных жидкостью озер. Здесь также полно высохших, частично или полностью, водоемов (углеводородоемов, если угодно) – глубоких гладких впадин в поверхности, которые очень похожи на озера, потерявшие всю свою жидкость. На юге их совсем немного, и этого уже не объяснишь сезонными течениями в атмосфере. Перемещать из полушария в полушарие ямы, менять рельеф, воздушные течения неспособны – по крайней мере, не в такой период времени, как 15 лет.

Кривь и кось

По мнению Ааронсона и его коллег, сезонные перемены – это если и объяснение асимметрии, то совершенно не полное, и совсем не главное. Истинная причина – в неравномерности прогрева спутника из-за вытянутости траектории движения Сатурна, а значит, и его спутника Титана, вокруг Солнца.

Сатурн движется не по кругу, а по эллипсу, и в ближайшей точке орбиты (перигелии) он находится к светилу на 11% ближе, чем в самой удаленной (афелии). Из-за этого поток солнечной энергии, приходящейся на Сатурн, от сезона к сезону меняется почти на четверть. Сатурн к Солнцу ближе всего, когда в северном полушарии зима, а в южном – лето, а дальше всего – когда наоборот. Поэтому южное лето жарче северного, а южная зима – холоднее.

Правда, в перигелии планеты и движутся быстрее, утверждает второй закон Кеплера. Так что более жаркое лето – и более быстротечное. Из-за этого в сумме северное и южное полушарие Титана получают примерно одинаковое количество тепла. Но это не проблема для теории – в атмосфере вполне могут действовать нелинейные процессы, которые зависят не просто от общего количества энергии, но и от темпов ее поступления.

Представьте, к примеру, что точка кипения этана находится где-то посередине между максимальными температурами, достижимыми на севере и на юге. Тогда в южном полушарии он хотя бы в самый разгар лета будет хоть чуть-чуть испаряться, а в северном – не будет вовсе, и все озера постепенно переместятся на север. Это, конечно, непростительно грубая, «пороговая», модель, к Титану явно неприменимая, но она показывает, что нелинейности могут возникать даже по очень простым причинам.

Равенство придет

Ааронсон и его коллеги подчеркивают, что конкретного механизма реализации своей идеи, способного выдержать проверку наблюдениями, они пока не могут предложить – не хватает знаний о функционировании титанового климата. Однако это не значит, что проверить невозможно и общую идею. Достаточно посмотреть на эволюцию озер еще полгодика. Если на севере они усохнут лишь чуть-чуть, а на юге – лишь чуть-чуть вырастут, это станет хорошим аргументом в споре. Особенно если еще через половину титанового года все станет так, как сейчас. На проверку потребуется всего 15 лет, хотя лучше – 30.

Есть у теории и еще одно следствие, которое, впрочем, так быстро не проверишь. Ось вращения Сатурна со временем поворачивается – это явление называется прецессией. С Сатурном прецессируют также плоскость орбиты Титана и ось вращения спутника. Так что если сейчас перигелий приходится на южное полушарие, то в будущем Титан будет проходить эту точку орбиты, повернувшись к Солнцу северным полушарием. К этому моменту южное полушарие должно превратиться в «мокрое», а северное – в «сухое».

Ждать такого поворота, впрочем, придется долго: период прецессии сатурнианской оси в наши дни составляет около 32 тысяч лет. До этих перемен Cassini точно не доживет, но это не значит, что их признаки нам не суждено увидеть. Ученые предлагают приглядеться к геологической истории спутника.

Кстати, в отложениях земных осадочных пород проследить подобную периодичность можно; ученые связывают ее с образованием и отступлением ледников. Классическая теория Милутина Миланковича предполагает, что эти циклы вызваны именно соотношением между ориентацией земной оси и земной орбиты, а также колебаниями ее формы, еще более долговременными.

Pro и contra жизни

Можно заметить и еще одно следствие, куда более спекулятивное. Некоторые горячие головы считают, что на Титане, в его жидких озерах, может развиться какая-нибудь жизнь.

Тем более что, согласно последним данным, химия при температуре в –180°С может быть не менее яркой и разнообразной, чем на Земле при нуле по той же шкале. Да и никто знает, насколько разнообразной она должна быть для возникновения жизни. Никакой другой жизни, кроме нашей, мы пока не видели, так что обобщать рановато.

Правда, перепады климатических эпох с сухих на мокрые в точке зарождения титановой жизни вряд ли таковому помогут. На Земле был хотя бы мировой океан, по которому можно было плыть туда, где условия оставались наиболее подходящими. На Титане такого океана, связывающего два полушария, нет.

Впрочем, существуют и теории зарождения жизни, которые напрямую связывают появление первых клеток с циклами таяния и застывания воды. Именно по этой причине некоторые весьма заслуженные биологи считают идеальным местом для зарождения жизни кометы, которые то расплавляются, то застывают в своем беге по вытянутой орбите вокруг Солнца. Если эти биологи правы, то после работы Ааронсона и его коллег Титан становится еще более заманчивым местом для поиска какой-то совсем другой жизни.