В 2014 году миссия «Кассини-Гюйгенс» зафиксировала перемещающиеся со временем яркие пятна в морях и озерах Титана, спутника Сатурна. Природа этого необычного явления долгое время оставалась неясной для ученых. Теперь, по всей видимости, найдено объяснение: эти пятна являются крупными образованиями, напоминающими айсберги (хотя и не состоящими из привычного водяного льда).
Титан – второй по величине спутник в Солнечной системе, его диаметр составляет приблизительно 5150 километров, а площадь поверхности превышает общую площадь Евразии и Африки. Этот спутник вращается вокруг Сатурна, находясь на значительном удалении от Солнца и получая лишь сотую часть от того количества солнечной энергии на единицу площади, которое получает Земля. В результате температура его поверхности достигает почти -180 градусов. Следовательно, поверхность Титана состоит из льдов, а его аналог песчаных дюн включает даже нафталин. На спутнике немало рек, озер и морей. Но наполнены они не водой, а жидким этаном, пропаном и метаном. Общий объем углеводородов в этих морях в несколько раз больше, чем все известные запасы такого рода на Земле.
Изучение Титана представляет собой сложную задачу, поскольку его атмосфера, состоящая в основном из азота, в четыре раза плотнее земной (давление на поверхности превышает земное в полтора раза). В такой плотной и холодной атмосфере постоянно присутствует густая дымка и облака, что значительно затрудняет наблюдения в видимом и ряде других диапазонов. В 2005 году посадочный аппарат «Гюйгенс» осуществил первую (и пока единственную) мягкую посадку за пределами орбиты Марса, что значительно расширило наши представления о Титане, но многие вопросы остались без ответа. С 2014 года аппарат «Кассини» с помощью радара обнаружил яркие пятна в морях Титана, которые со временем меняли свое положение. Это вызвало значительное удивление. Гипотеза о плавающем льде казалась наиболее вероятной, но что это был за лед?
Основным компонентом морей спутника Сатурна является жидкий этан, содержащий примеси жидкого метана, с плотностью около 0,6 тонны на кубометр. Это довольно легкая жидкость. Однако, твердый этановый лед в таких условиях не склонен хорошо держаться на плаву, поскольку он должен быть плотнее окружающей его жидкости. Кроме того, жидкий этан и метан обладают значительно меньшим поверхностным натяжением, чем вода, что создает дополнительные трудности для плавания в них плотных объектов. Наконец, чистый этановый лед образуется только при температурах ниже -182.
На Титане атмосфера отличается высокой плотностью, поэтому сезонные перепады температур, даже в полярных областях, очень малы. В связи с этим, образование устойчивых твердых отложений этана там представляется маловероятным. Ранее предполагалось, что углеводородные льды могут образовывать плавающие структуры в условиях Титана пытались обосновать их большой пористостью: если она превышает пять процентов, такой лед сможет плавать. Однако осталось неясным: из чего конкретно могут состоять такие пористые льды.
Авторы новой работы, опубликованной в Geophysical Research Letters, изучив вопрос с иной перспективы, исследователи обратили внимание на то, что в атмосфере Титана должны образовываться соединения, значительно тяжелее азота и метана – доминирующих газов его газовой оболочки. Соответственно, эти соединения должны осаждаться на поверхность, подобно снегу на Земле. Однако, в отличие от земного снега, титановский «снег» будет преимущественно состоять из нитрилов, углеводородов с тройными связями и бензолов.
Исследования, проведенные с помощью расчетов, показали, что снег, образованный из цианистого водорода, со временем способен формировать лед с высокой пористостью, достигающей 25-60% от общего объема. В случае моря, насыщенного этаном, такой лед может держаться на его поверхности. Ученые, авторы работы, отмечают, что лед с альтернативным составом столкнется со значительными трудностями при длительном плавании в морях Титана.
Вероятно, пористые льды не формируются непосредственно из углеводородных частиц, оседающих в моря и озера. Такие частицы слишком малы, чтобы оставаться на плаву достаточно долго и не утонуть. Более вероятно, что углеводородный «снег» оседает на берегах морей Титана и там формирует более крупные скопления. Затем волны разрушают этот рыхлый лед, отделяя от него крупные фрагменты, подобно тому, как айсберги образуются в земных морях.
Наличие льда, плавающего на поверхности морей и озер спутника Сатурна, может объяснить еще одну их характерную черту: отсутствие крупных волн. Образование и поддержание значительных волн в такой среде затруднено.
Эти работы важны не только на теоретическом уровне. Титан представляет собой одно из наиболее перспективных для изучения объектов в Солнечной системе. Интерес к нему обусловлен не только наличием экзотических углеводородных морей, но и структурой, находящейся под ними. Под поверхностью спутника располагаются обширные подповерхностные океаны из воды, которые в будущем целесообразно исследовать на предмет возможности существования жизни. Однако для реализации таких миссий потребуется сложное оборудование. В 2005 году зонд «Гюйгенс» совершил посадку на поверхность, которая при планировании миссии представлялась твердой, но оказалась близкой к болоту. Для обеспечения успеха будущих посадок на Титан необходимо более глубокое понимание состава его поверхности.