Реки, озера, моря, плотная атмосфера. Титан, естественный спутник Сатурна, кажется очень знакомым для наших земных глаз. Однако материалы не похожи на те, которые мы знаем с нашей планеты. Потоки жидкого метана струятся по ледяной поверхности спутника, а азотные ветры создают песчаные дюны из углеводородов. Эти материалы обладают механическими свойствами, которые сильно отличаются от свойств веществ на основе силикатов, из которых состоят другие известные осадочные тела в нашей Солнечной системе. Поэтому их присутствие делает формирование ландшафта Титана загадочным для нас.
Однако геолог Матье Лапотр из Стэндфордского университета и его коллеги недавно совершили прорыв. Они выявили процесс, который позволяет веществам на основе углеводородов формировать песчинки или каменистый субстрат в зависимости от того, как часто дуют ветры и текут ручьи. Таким образом, исследователи показали, как могли сформироваться дюны, равнины и другие ландшафтные узоры Титана.
Титан: единственный, имеющий сезонный цикл, как Земля
Титан является целью для исследования космоса из-за его потенциальной обитаемости. Фактически, это единственное другое тело в нашей Солнечной системе, о котором известно, что на сегодняшний день оно имеет похожий на земной сезонный цикл переноса жидкости. Исследование Лапотра и его коллег показывает, как такой сезонный цикл может определять движение зерен на поверхности Титана. Исследователь заявляет:
Наша модель позволяет понять, как все осадочные среды работают вместе. Если мы поймем, как различные части головоломки подходят друг к другу и как работает их механика, тогда мы сможем начать использовать морфологии, созданные этими осадочными процессами, чтобы сказать что-то о климате или геологической истории Титана. И как они могут повлиять на перспективы жизни на Титане.
Твердые органические соединения
Чтобы построить модель, способную имитировать формирование ландшафтов Титана, Лапотр и его коллеги должны были ответить на фундаментальный вопрос. Как его основные органические соединения, которые, как считается, гораздо более хрупкие, чем неорганические силикатные зерна на Земле, могли превратиться в зерна, а не быть поглощенными и разнесенными в пыль?
- На Земле горные породы и силикатные минералы на поверхности со временем размываются в зерна, перемещаются ветрами и водными путями и откладываются в виде слоев осадочных пород. В конце концов, под воздействием давления, подземных вод и иногда тепла они снова превращаются в горные породы. Горные породы подвергаются эрозии, поэтому материалы перерабатываются в слоях Земли в течение геологического времени.
- На Титане, по мнению исследователей, аналогичные процессы сформировали дюны, равнины и другие геологические образования, видимые из космоса. Но в отличие от Земли, Марса и Венеры, осадочные породы Титана будут состоять из твердых органических соединений.
На самом деле, ученые никогда не могли продемонстрировать, как эти органические соединения могли вырасти в транспортабельные зерна и отложиться для формирования ландшафтов Титана в течение геологического времени. «Не хватало только механизма роста, который позволил бы песчинкам сохранять стабильный размер в течение долгого времени«, — сказал Лапотр.
На Титане инопланетный аналог ооидов на Земле
Чтобы найти ответ, команда Лапотра наблюдала за отложениями на Земле, называемыми ооидами. Это небольшие сферические зерна, которые чаще всего встречаются в мелководных тропических морях, например, в районе Багамских островов. Они образуются, когда карбонат кальция извлекается из толщи воды и налипает слоями вокруг зерен, например, кварца.
Что делает ооиды уникальными, так это их образование путем химического осаждения, что позволяет им расти. Напротив, одновременный процесс эрозии замедляет рост, поскольку зерна вдавливаются друг в друга волнами и штормами. Эти два конкурирующих механизма со временем уравновешивают друг друга, формируя постоянный размер зерна. Процесс, который, по мнению исследователей, может происходить и на Титане.
«Мы предположили, что спекание, при котором соседние зерна сплавляются в единый кусок, может противостоять абразивному износу, когда ветер разносит зерна«, — объясняет Лапотр.
Геофизика Титана благодаря данным Кассини
Лапотр и его коллеги использовали данные миссии «Кассини» о климате Титана и направлении переноса осадочных пород ветром. Проанализировав их, они смогли объяснить наличие на нем отдельных параллельных полос геологических образований: дюн у экватора, равнин в средних широтах и скал у полюсов.
Данные Кассини и полученная модель, на самом деле, показывают, что ветры очень распространены вблизи экватора. Это подтверждает идею о том, что там могли образоваться более мелкие песчинки, которые оседали, образуя дюны. Впоследствии изменится перенос осадков в средние широты по обе стороны экватора. Здесь образующиеся зерна становятся все крупнее и крупнее, формируя каменистый субстрат равнин Титана.
Наконец, скалы вблизи полюсов могли сформироваться как известняковые карсты на Земле, но на Титане они состояли бы из растворенных органических песчаников. Речные потоки и грозы, которые гораздо чаще происходят вблизи полюсов, способствуют тому, что осадки легче переносятся реками. Таким образом, этот процесс может локально обеспечивать более крупные песчинки, которые являются источником песчаников, из которых, как считается, состоят скалы Титана.
Активный цикл осадконакопления, как на Земле и Марсе
Как видно из сводной диаграммы на следующем рисунке, построенной Лапотром и коллегами, сочетание истирания зерен осадка во время переноса и спекания в состоянии покоя создает запас органических отложений различных размеров.
В этом сценарии речной перенос будет более частым вблизи полюсов, ветровой перенос — вблизи экватора, как упоминалось выше. И то и другое способствует особенно активному циклу осадконакопления. Чрезвычайно похожа на ту, которая существует на Земле, и на ту, которая, как считается, существовала на Марсе в прошлом. «Этот цикл может объяснить широтное распределение ландшафтов эпизодическим истиранием и спеканием, обусловленным сезонами на Титане«, — объясняет Лапотр. «Это очень увлекательно — думать о том, что существует альтернативный мир, который так далеко от нас, где все так отличается, но в то же время так похоже».
С полным текстом исследования, опубликованным в журнале Geophysical Research Letters, можно ознакомиться .