Титан, самая большая луна Сатурна, является уникальным спутником в Солнечной системе, обладающим плотной атмосферой. Изменения в ней, связанные с временами года, были зафиксированы учеными в ходе миссии «Кассини — Гюйгенс», которая завершилась в 2017 году. С использованием орбитального телескопа «Джеймс Уэбб» и Обсерватории Кека, астрономы не только зарегистрировали формирование облаков из метана в северной части Титана, но и смогли отследить их перемещение.
На спутнике газового гиганта метан проявляет свойства, аналогичные воде на Земле: он испаряется, конденсируется и формирует осадки. Облака в этом процессе возникают в тропосфере – самой нижней части атмосферы. Метановые облака фиксировались в течение южного лета на Титане с начала 2000-х годов, вместе с сезонными дождями и так называемыми облачными вспышками – кратковременными и интенсивными проявлениями облачности, регистрируемыми в инфракрасном спектре.
Ученые объясняют эти явления сезонными изменениями в атмосфере, когда летом в южном полушарии наблюдается усиление восходящего движения теплого и влажного воздуха, что приводит к формированию облаков. Со временем метановые облака начали появляться и в северном полушарии Титана, однако до сих пор астрономы располагали лишь ограниченными данными об их активности в этом регионе.
После изучения информации, полученной с помощью телескопа «Уэбб» и Обсерватории Кека в 2022 и 2023 годах, ученые во главе с Конором Никсоном (Conor A. Nixon) из Центра космических полетов имени Годдарда (США) изучили изменения в облачности северного полушария Титана в период позднего лета.
В северных широтах (между 50-ю и 70-ю градусами) облачность фиксировалась в течение недели в ноябре 2022 года и июле 2023 года, при этом изменение высоты колебалось в пределах от 10 до 27 километров. Новые научные исследования показали опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Благодаря спектрометру MIRI, установленному на телескопе «Джеймс Уэбб», впервые зафиксировали наличие метильного радикала (CH₃) — важного 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 выявил равномерное распределение CO во всей атмосфере луны Сатурна, простираясь от нижней стратосферы (50 километров) до нижней термосферы (около 700 километров). Это соответствует модели, объясняющей его фотохимическое происхождение. Диоксид углерода был обнаружен вне локального термодинамического равновесия, это может указывать на то, что в верхних слоях атмосферы Титана происходят активные процессы его формирования.
Ученые также выявили признаки глубокой влажной конвекции — явления, похожего на земные грозы. В этом процессе насыщенный метаном воздух поднимается в атмосферу Титана, где он охлаждается и формирует облака из метана.
Собранная информация значительно расширяет наше понимание сезонных изменений в атмосфере и подчеркивает возможности современных телескопов для исследования климата на удаленных ледяных планетах.
По прогнозам, к осени 2025 года активность облаков в северном полушарии Луны уменьшится, а затем сместится в южное полушарие, подобно тому, как это происходило ранее. Дополнительные наблюдения, выполненные с помощью телескопа «Уэбб» и Обсерватории Кека (особенно по мере приближения осеннего равноденствия на Титане), позволят получить более детальную информацию об атмосфере этого таинственного спутника Сатурна.