Спутник Сатурна Титан имеет изолирующую кору, богатую метаном, толщиной до шести миль

Предложенная схема внутреннего строения Титана (не в масштабе), показывающая корку метанового клатрата над конвектирующей ледяной оболочкой. Автор: Schurmeier, et al., 2024

Самый большой спутник Сатурна, Титан, является единственным местом, кроме Земли, где есть атмосфера и жидкости в виде рек, озер и морей на поверхности. Из-за чрезвычайно низкой температуры жидкости на Титане состоят из углеводородов, таких как метан и этан, а поверхность состоит из твердого водяного льда.

Новое исследование, опубликованное в журнале The Planetary Science Journal и проведенное планетологами из Гавайского университета в Маноа, показало, что метан также может задерживаться во льду, образуя отчетливую корку толщиной до шести миль, которая нагревает лежащую под ней ледяную оболочку и может также объяснить наличие богатой метаном атмосферы Титана.

Исследовательская группа под руководством научного сотрудника Лорен Шурмейер, в которую также входят Гвендолин Брауэр, докторант, и Сара Фаджентс, заместитель директора и научный сотрудник, из Гавайского института геофизики и планетологии (HIGP) в Школе наук об океане и Земле и технологий (SOEST) Университета Хайлендса в Маноа, обнаружила в данных НАСА, что ударные кратеры Титана на сотни метров мельче, чем ожидалось, и на этом спутнике обнаружено всего 90 кратеров.

«Это было очень удивительно, потому что, основываясь на других лунах, мы ожидаем увидеть гораздо больше ударных кратеров на поверхности и кратеры, которые намного глубже, чем те, что мы наблюдаем на Титане», — сказал Шурмайер. «Мы поняли, что что-то уникальное для Титана должно заставить их становиться мельче и исчезать относительно быстро».

Чтобы выяснить, что может скрываться за этой загадкой, ученые протестировали на компьютерной модели, как рельеф Титана может ослабнуть или восстановиться после удара, если ледяная оболочка покрыта слоем изолирующего метанового клатратного льда — разновидности твердого водяного льда с метановым газом, заключенным внутри кристаллической структуры.

Поскольку первоначальная форма кратеров Титана неизвестна, исследователи смоделировали и сравнили две вероятные начальные глубины, основываясь на недавно обнаруженных кратерах аналогичного размера на ледяном спутнике схожего размера Ганимеде.

«Используя этот подход к моделированию, мы смогли ограничить толщину коры метанового клатрата 5–10 километрами [примерно 3–6 миль], поскольку моделирование с использованием этой толщины дало глубины кратеров, которые наилучшим образом соответствовали наблюдаемым кратерам», — сказал Шурмайер.

«Кора из метанового клатрата нагревает недра Титана и вызывает удивительно быструю топографическую релаксацию, что приводит к обмелению кратеров со скоростью, близкой к скорости быстро движущихся теплых ледников на Земле».

Изображение Титана, полученное NASA с помощью инструмента Cassini VIMS (визуальный и инфракрасный картографический спектрометр). Один ударный кратер виден около центра. Темные области около экватора — это богатые органикой песчаные дюны, а темные области в северной полярной области — это озера жидкого метана/этана. Белые облака также видны в северном полушарии. Автор: NASA/ Cassini VIMS

Атмосфера, богатая метаном

Оценка толщины метанового ледяного панциря важна, поскольку она может объяснить происхождение богатой метаном атмосферы Титана и помочь исследователям понять углеродный цикл Титана, «гидрологический цикл» на основе жидкого метана и изменения климата.

«Титан — это естественная лаборатория для изучения того, как парниковый газ метан нагревается и циркулирует в атмосфере», — сказал Шурмайер. «Клатратные гидраты метана Земли, обнаруженные в вечной мерзлоте Сибири и под арктическим морским дном, в настоящее время дестабилизируются и высвобождают метан. Поэтому уроки, полученные на Титане, могут дать важные сведения о процессах, происходящих на Земле».

Изображения ударных кратеров Титана, полученные с помощью радара с синтезированной апертурой (SAR) Cassini. Стрелки указывают на потенциальные формы процессов модификации кратеров, в том числе: дюны и пески (фиолетовые), каналы (синие) и значительную эрозию краёв кратеров (розовые). Автор: NASA/ Cassini

Строение Титана

Топография, наблюдаемая на Титане, приобретает смысл в свете этих новых открытий. А ограничение толщины ледяной корки метанового клатрата указывает на то, что внутренняя часть Титана, вероятно, теплая, а не холодная, жесткая и неактивная, как считалось ранее.

«Метановый клатрат прочнее и обладает лучшими изолирующими свойствами, чем обычный водяной лед», — сказал Шурмайер. «Корка клатрата изолирует внутреннюю часть Титана, делает оболочку из водяного льда очень теплой и пластичной и подразумевает, что ледяная оболочка Титана медленно конвектирует или конвектировала».

«Если в океане Титана под толстым ледяным панцирем существует жизнь, любые признаки жизни (биомаркеры) необходимо будет транспортировать вверх по ледяному панцирю Титана, где мы могли бы легче получить к ним доступ или увидеть их в будущих миссиях», — добавил Шурмайер. «Это более вероятно, если ледяной панцирь Титана теплый и конвективный».

Запуск миссии NASA Dragonfly к Титану запланирован на июль 2028 года, а прибытие — на 2034 год. У исследователей появится возможность провести детальные наблюдения за этим спутником и дополнительно изучить ледяную поверхность, включая кратер под названием Селк.

Больше информации: Lauren R. Schurmeier et al, Rapid Impact Crater Relaxation Caused by an Insulating Methane Clathrate Crust on Titan, The Planetary Science Journal (2024). DOI: 10.3847/PSJ/ad7018

Источник: University of Hawaii at Manoa