Даже незначительный ветер на Титане, спутнике Сатурна, способен вызывать образование масштабных волн. Эти волны формируют побережья, транспортируют осадки, перемешивают различные жидкости и оказывают воздействие на климат этого небесного тела. Анализ этих явлений помогает планетологам разобраться в устройстве миров, потенциально пригодных для жизни, за пределами нашей планеты.
Волны – неотъемлемая часть привычных нам ландшафтов. Ветер, перемещаясь над водной поверхностью, передает ей свою энергию, что приводит к образованию сначала небольшой ряби, а затем и значительных волн. Они разрушают береговые линии, транспортируют песок и оказывают влияние на обмен теплом между океаном и атмосферой. Однако Земля – не единственный мир, где могут присутствовать моря и озера. Например, на Марсе в древние времена существовали озера и речные дельты, а на Титане – обширные моря, состоящие из жидкого метана и этана. Некоторые экзопланеты характеризуются океанами, включающими серную кислоту, воду или расплавленные горные породы.
Существующая методология формирования волновых моделей разрабатывалась с учетом земных параметров: водной среды, гравитации и атмосферы. Прямое применение этих моделей к условиям Титана или Марса приведет к ошибочным результатам. Например, атмосфера спутника Сатурна значительно плотнее земной, в то время как гравитация там меньше. Это влияет на взаимодействие ветра и жидкости.
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале JGR Planets, ученые разработали универсальную физическую модель, применимую к широкому спектру планетных условий. Для этого они внесли изменения, учитывающие такие важные параметры, как плотность и вязкость среды, атмосферное давление и плотность воздушной массы. В дальнейшем модель была проверена на примере древнего Марса, современного и древнего Титана, а также на трех экзопланетах: Kepler-163 b, LHS 1140 b и 55 Cancri e.
Формирование волн в первую очередь определяется тем, насколько свободно ветер взаимодействует с поверхностью жидкости. При слабом поверхностном натяжении, плотной атмосфере и низкой гравитации волны возникают более вероятно. В связи с этим, на Титане и в прошлом на Марсе волны могли образовываться даже при незначительных ветрах.
Минимальная скорость ветра, требуемая для формирования устойчивых волн, на Земле составляет приблизительно 2,2 метра в секунду. На древнем Марсе этот показатель может быть ниже – от 1,2 до 1,7 метра в секунду, что зависит от плотности атмосферы. На Титане же волны способны образовываться при скорости ветра всего 0,5-0,6 метра в секунду, в зависимости от плотности атмосферы.
К тому же, эти волны оказываются более высокими и протяженными по сравнению с земными: при скорости ветра в пять метров в секунду значительная высота волн на Титане может составлять около пяти метров (в то время как на Земле – всего 30 сантиметров), что позволяет объяснить природу титановых морей. Следовательно, новая модель указывает на то, что волны на этой луне должны формироваться без особых затруднений, однако их величина и частота зависят от времени года, состава жидкости и текущих погодных условий.
Используя компьютерное моделирование, ученые воссоздали картину волн в древнем озере, располагавшемся в кратере Езеро – месте текущей деятельности марсохода Perseverance. Полученные расчеты указывают на то, что волны могли изменять форму береговой линии и транспортировать отложения, в особенности на участке кратера, где разгон ветра был более значительным. Это имеет большое значение для понимания древних дельт и слоистых горных пород: некоторые особенности, которые сегодня изучают геологи, могли возникнуть вследствие волновой активности.
Изучение экзопланет принесло еще более захватывающие результаты. На Kepler-163 b, где, вероятно, существуют озера из серной кислоты, и на LHS 1140 b, предположительно, покрытых водными океанами, формирование волн затруднено, и они имеют непродолжительный период. Однако на сверхгорячей 55 Cancri e, где, вероятно, находятся озера из расплавленной породы, волны способны возникать даже при сильном ветре (достигающем скорости в 37 километров в секунду). При этом размер таких волн остается относительно небольшим.
Авторы научной работы продемонстрировали, что волны представляют собой не только элемент природного ландшафта, но и значительный геологический фактор. Анализ этих волн позволяет делать выводы о климате прошлого, о плотности атмосферы и даже о вероятности возникновения условий, благоприятных для жизни. Таким образом, рябь на поверхности океана на другой планете может предоставить информацию о ее сходстве с Землей.