Крупнейшая луна Сатурна — Титан — единственный спутник Солнечной системы с плотной атмосферой. Сезонные изменения в ней ученые наблюдали с помощью миссии «Кассини — Гюйгенс», завершившейся в 2017 году. Теперь, благодаря орбитальному телескопу «Джеймс Уэбб» и Обсерватории Кека, астрономы не только зафиксировали образование метановых облаков в северном полушарии Титана, но и проследили их движение.
Изображения Титана, полученные при помощи космического телескопа «Джеймс Уэбб» 11 июля 2023 года (верхний ряд) и наземной Обсерватории Кека 14 июля 2023 года (нижний ряд). Облака метана обозначены белыми стрелками и появляются на разных высотах в северном полушарии луны Сатурна. / © NASA, ESA, CSA, STScI, W. M. Keck Observatory.
Метан на спутнике газового гиганта ведет себя подобно воде на Земле: испаряется, конденсируется и формирует осадки. Облака при этом образуются в тропосфере — нижнем слое атмосферы. Метановые облака наблюдались в течение южного лета на Титане с начала 2000-х годов наряду с сезонными дождями и так называемыми облачными вспышками — кратковременными и яркими проявлениями облачности, зафиксированными в инфракрасном диапазоне.
Эти процессы ученые связали с сезонной циркуляцией атмосферы, при которой летом в южном полушарии усиливается восходящий поток теплого и влажного воздуха, способствуя образованию облаков. С течением времени метановые облака начали появляться и в северном полушарии Титана, однако до сих пор астрономы располагали лишь ограниченными данными об их активности в этом регионе.
Теперь, проанализировав данные наблюдений, проведенных с помощью «Уэбба» и Обсерватории Кека в 2022 и 2023 годах, исследовательская группа под руководством Конора Никсона (Conor A. Nixon) из Центра космических полетов имени Годдарда (США) проследила эволюцию облачности в северном полушарии Титана в поздний летний сезон.
Облака наблюдались в северных широтах (50-70°) в течение недели в ноябре 2022 года и июле 2023 года, а изменение высоты варьировалось в диапазоне от 10 до 27 километров. Результаты новой научной работы опубликованы в журнале Nature Astronomy.
С помощью спектрометра MIRI, установленного на борту телескопа «Джеймс Уэбб», удалось впервые зафиксировать следы метильного радикала (CH₃) — ключевого продукта фотолиза метана, участвующего в формировании более сложных органических молекул, включая этан. Ранее его сигнатуру в ионосфере «маскировали» другие ионы. Ближний инфракрасный спектрометр NIRSpec (тоже установлен на борту «Уэбба») помог обнаружить монооксид углерода (CO) и диоксид углерода (CO₂).
Анализ спектров показал, что CO равномерно распределен по всей атмосфере луны Сатурна — от нижней стратосферы (50 километров) до нижней термосферы (приблизительно 700 километров), что согласуется с моделью его фотохимического происхождения. При этом диоксид углерода наблюдался вне локального термодинамического равновесия, что может свидетельствовать о наличии активных процессов его образования в верхней атмосфере Титана.
Отдельно ученые зарегистрировали признаки глубокой влажной конвекции — процесса, аналогичного земным грозам, при котором насыщенный метаном воздух поднимается в атмосферу Титана, охлаждается и образует метановые облака.
Полученные данные существенно дополняют картину сезонной циркуляции атмосферы, демонстрируя потенциал телескопов нового поколения в изучении климатических процессов на далеких ледяных мирах.
Активность облаков в северном полушарии луны, по прогнозам, будет снижаться к осени 2025 года, с последующим переносом в южное полушарие — в точности как и происходило в прошлом. Дальнейшие наблюдения с помощью «Уэбба» и Обсерватории Кека (особенно по мере приближения осеннего равноденствия на Титане) позволят узнать еще больше подробностей об атмосфере самого загадочного спутника Сатурна.
