Titanium (satellite)

Titanium was discovered on March 25, 1655 by the Dutch physicist, mathematician and astronomer Christian Huygens ^[12] . Inspired by the example of Galileo , Huygens, together with his brother Konstantin, created a telescope with a 57 mm aperture and a magnification of more than 50 times ^[13] .

With this telescope, Huygens observed the planets of the solar system - Mars , Venus , Jupiter and Saturn . At the latter, the scientist noticed a bright body that made a complete revolution around the planet in 16 days. After four revolutions, in June 1655, when the rings of Saturn had a low inclination relative to the Earth and did not interfere with observation, Huygens finally made sure that he had discovered the satellite of Saturn. Huygens encrypted his discovery in the form of an anagram of admovere oculis distantia sidera nostris, vvvvvvvcccrrhnbqx , containing a line from Ovid's poem “ Fasta ” ^[14] , Huygens sent this anagram in a letter to John Wallis dated June 13, 1655. Huygens gave the decoding of the anagram in a letter to Wallis dated March 13, 1656: lat. Saturno luna sua circumducitur diebus sexdecim horis quatuor (The satellite revolves around Saturn in 16 days and 4 hours) ^[15] . Since the invention of the telescope, this was the second discovery of the satellite, 45 years after Galileo discovered the four largest satellites of Jupiter.

For more than two centuries, the satellite remained virtually nameless, Huygens called the new celestial body simply Saturni Luna (“Saturn Moon” of Latin ). Some astronomers called it the Huygens companion or simply Huyghenian. After the discovery of Giovanni Cassini four more satellites of Saturn, astronomers began to call Titan as Saturn IV , since he was in fourth position from the planet ^[16] . After 1789, a similar naming technique was abolished in connection with the discovery of new satellites, some of which were located in closer orbits to the planet than already known ones.

The name "Titan" began to be used after the publication in 1847 of an article by John Herschel (son of William Herschel , who discovered Mimas and Enceladus ) "The results of astronomical observations made at Cape of Good Hope." In this article, the astronomer proposed calling the then seven satellites of Saturn the names of the sisters and brothers of Kronos (the Greek analogue of the Roman god Saturn ) ^[17] .

The radius of the orbit of Titan is 1 221 870 km ^[1] (20.3 radius of Saturn), and, thus, it is located outside the rings of Saturn , the last of which (E) is approximately 750 000 km. The orbits of the two closest satellites pass 242,000 km further from Saturn ( Hyperion ) and 695,000 km closer to the planet ( Rhea ). The orbits of Titan and Hyperion form an orbital resonance of 3: 4. Titan makes four revolutions around Saturn, while Hyperion only three ^[18] .

A full revolution around the planet Titan produces in 15 days, 22 hours and 41 minutes at an average speed of 5.57 km / s . The satellite’s orbit is different from circular orbit and has an eccentricity of 0.0288 ^{[1] [19]} . The orbital plane is deviated from the equator of Saturn and the plane of the rings by 0.348 ° ^[2] .

Like the Moon and many other planetary moons in the Solar System , Titan has a synchronous rotation relative to the planet, resulting from the action of tidal forces . This means that the periods of rotation around its axis and revolution around Saturn coincide, and the satellite is always turned to the planet on the same side. The longitude is counted from the meridian passing through the center of this side ^[20] .

The inclination of the rotation axis of Saturn is 26.73 °, which provides a change of seasons on the planet and its satellites in the southern and northern hemispheres. Each season lasts approximately 7.5 Earth years, as Saturn makes a complete revolution around the Sun in about 30 years. The axis of rotation of Titan, perpendicular to the plane of its orbit, is almost aligned with the axis of rotation of Saturn. Last summer in the southern hemisphere of Titan ended in August 2009.

The center of mass of Saturn and Titan is located only 30 km ^[21] from the center of Saturn due to its mass superiority of 4227 times, so the influence of the satellite on the planet’s motion is negligible.

Titanium has a diameter of 5152 km and is the second largest satellite in the solar system, after the satellite of Jupiter Ganymede .

For a long time, astronomers believed that the diameter of Titan is 5550 km, therefore, Titan is larger than Ganymede, but the study conducted by the Voyager-1 apparatus showed the presence of a dense and opaque atmosphere that prevented accurate determination of the size of the object ^[22] .

The diameter of Titan, as well as its density and mass, are similar to those of the moons of Jupiter - Ganymede and Callisto ^[23] . Titanium is about 50% larger than the moon (in radius) and 80% larger than it in mass. Titan also exceeds the size of the planet Mercury , although it is inferior in mass. The acceleration of gravity is 1.352 m / s² , which means that gravity is approximately one seventh of the earth ( 9.81 m / s² ).

The average density of Titanium is 1.88 g / cm³ , which is the highest density among Saturn's satellites . Titan accounts for more than 95% of the mass of all satellites of Saturn.

Until now, the question of whether Titan formed from a dust cloud common with Saturn, or formed separately and was subsequently captured by the gravity of the planet, has still not been completely resolved. The latter theory allows one to explain such an uneven mass distribution among satellites ^[24] .

Titanium is a sufficiently large celestial body to maintain the high temperature of the inner core, which makes it geologically active.

Titanium consists approximately half of water ice and half of rock ^[25] . In composition, Titan is similar to some other large satellites of gas planets : Ganymede , Europe , Callisto , Triton , but differs greatly from them in the composition and structure of its atmosphere.

Atmosphere

With comparable sizes to Mercury and Ganymede, Titan has an extensive atmosphere, more than 400 km thick. ^{[26] [27]} According to modern estimates, the atmosphere of Titanium consists of 95% nitrogen and exerts pressure on the surface 1.5 times more than the atmosphere of the Earth. ^{[28] [29]} . The presence of methane in the atmosphere leads to the processes of photolysis in the upper layers and the formation of several layers of hydrocarbon “ smog ”, which is why Titanium is the only satellite in the solar system whose surface cannot be observed in the optical range.

Origin of the atmosphere

There is no consensus on the origin of the atmosphere. There are several different versions, but for each of them there are serious counterarguments ^[30] .

So, according to one theory, the atmosphere of Titan initially consisted of ammonia (NH ₃ ), then the satellite began to be degassed by ultraviolet solar radiation with a wavelength of mainly below 260 nm ^{[31] [32]} ; this led to the fact that ammonia began to decompose into atomic nitrogen and hydrogen , which combined into the molecules of nitrogen (N ₂ ) and hydrogen (H ₂ ). Heavier nitrogen descended to the surface, and lighter hydrogen escaped into outer space , as the low gravity of Titan is not able to hold and lead to the accumulation of this gas in the atmosphere ^[32] . However, critics of such a theory note that for such a process it is necessary that Titanium is formed at a relatively high temperature, at which separation of the constituent substances of the satellite into a rocky core and a frozen ice top layer could occur. However, observations of the Cassini probe indicate that the substance of Titanium is not so clearly divided into layers ^[30] .

According to another theory, nitrogen could have been preserved since the formation of Titan, however, in this case, a lot of argon isotope -36 should also be present in the atmosphere, which was also a part of the gases in the protoplanetary disk from which the planets and satellites of the solar system were formed. However, observations showed that there is very little of this isotope in the atmosphere of Titan ^[30] .

Another theory was published in the journal Nature Geoscience on May 8, 2011, in which it is assumed that the atmosphere of Titan was formed due to intense comet bombing about four billion years ago. According to the authors of the idea, nitrogen was formed from ammonia upon impact of comets with the surface of Titan; such an “accident” occurs at tremendous speed, and the temperature rises sharply at the site of the impact, and very high pressure is also created. Under such conditions, a chemical reaction is possible. To test their theory, the authors using laser guns fired a target of frozen ammonia with shells of gold , platinum and copper . This experience has shown that, upon impact, ammonia actually decomposes into hydrogen and nitrogen. Scientists calculated that during the intense comet bombardment of Titan, about 300 quadrillion tons of nitrogen should have been formed, which, they say, is quite enough to form the atmosphere of Titan ^{[30] [33]} .

Modern estimates of the loss of titanium atmosphere compared to its initial characteristics are made on the basis of analysis of the ratio of nitrogen isotopes ¹⁵ N to ¹⁴ N. According to observations, it is found that this ratio is 4-4.5 times higher than on Earth. Consequently, the initial mass of the atmosphere of Titan was approximately 30 times larger than the present, since due to weaker gravity, the light nitrogen isotope ¹⁴ N should be lost faster under the influence of heating and ionization by radiation, and ¹⁵ N should accumulate ^[34] .

Structure

The boundary of the atmosphere of Titan is about 10 times higher than on Earth ^{[26] [27]} . The border of the troposphere is located at an altitude of 35 km. An extensive tropopause extends to an altitude of 50 km, where the temperature remains almost constant, and then the temperature begins to rise. The minimum temperature near the surface is −180 ° C, with increasing height, the temperature gradually rises and reaches −121 ° C at a distance of 500 km from the surface. The ionosphere of Titan has a more complex structure than the earth, its main part is located at an altitude of 1200 km. A surprise was the existence on Titan of the second, lower layer of the ionosphere, lying between 40 and 140 km (maximum electrical conductivity at an altitude of 60 km) ^[26] .

Composition of the atmosphere

The only bodies in the solar system with a dense atmosphere, consisting mainly of nitrogen, are Earth and Titanium ( Triton and Pluto also have rarefied nitrogen atmospheres). The atmosphere of Titanium consists of 98.4% nitrogen ^[5] and approximately 1.6% nitrogen and argon , which prevail mainly in the upper atmosphere, where their concentration reaches 43%. There are also traces of ethane , diacetylene , methylacetylene , cyanoacetylene , acetylene , propane , carbon dioxide , carbon monoxide , cyanide , helium ^[5] . Virtually no free oxygen .

Since Titanium does not have a significant magnetic field , its atmosphere, especially the upper layers, is strongly exposed to the solar wind . In addition, it is also subject to the action of cosmic radiation and solar radiation, under the influence of which, in particular, ultraviolet radiation, nitrogen and methane molecules decompose into ions or hydrocarbon radicals . These fragments, in turn, form complex organic nitrogen compounds or carbon compounds, including aromatic compounds (for example, benzene ) ^[37] . Also in the upper atmosphere is formed polyine - a polymer with a conjugated triple bond.

Organic compounds, including nitrogen atoms, give the surface of Titanium and the atmosphere an orange color ^[38] (in particular, this is the color of the sky when viewed from the surface) ^[39] . Under the influence of the Sun, all methane would be converted in 50 million years (a very short period compared to the age of the Solar System), but this does not happen. This means that the methane reserves in the atmosphere are constantly replenished ^[35] . One of the possible sources of methane can be volcanic activity ^{[8] [40]} .

Climate

The temperature near the surface of Titan averages −180 ° C ^[41] . Due to the dense and opaque atmosphere ^{[42], the} temperature difference between the poles and the equator is only 3 degrees. Such low temperatures and high pressure counteract the melting of water ice, as a result of which there is practically no water in the atmosphere.

High atmospheres contain a lot of methane; it should have led to the appearance of the greenhouse effect and, as a result, to an increase in temperature on the satellite. However, the orange fog, consisting of organic molecules, which is ubiquitous in the lower layers of the atmosphere, absorbs solar radiation and passes infrared from the surface, which leads to an anti-greenhouse effect and cools the surface by about 10 degrees ^[43] .

Atmospheric Mass Circulation

The wind near the surface of the Titan is usually quite weak and amounts to about 0.3 m / s ^[44] ; at low altitudes, the direction of the wind changed. At altitudes of more than 10 km, quite strong winds constantly blow in the atmosphere of Titan ^[45] . Their direction coincides with the direction of rotation of the satellite, and the speed increases with a height of several meters per second at an altitude of 10-30 km to 30 m / s at an altitude of 50-60 km , which leads to the formation of differential rotation ^[44] . At altitudes of more than 120 km, there is strong turbulence - its signs were noticed as far back as 1980-1981, when Voyager spacecraft flew through the Saturn system. However, it was unexpected that at a height of about 80 km, calmness was recorded in the atmosphere of Titan - neither winds blowing below 60 km, nor turbulent movements observed twice as high penetrate here. The reasons for such a strange fading of movements cannot yet be explained ^[46] .

Based on the data collected during the descent of the Huygens apparatus on wind speeds at different heights, a model of the movement of atmospheric masses on Titan was created. According to the results obtained, the atmosphere of Titan is one giant Hadley cell ^[47] . Warm air masses rise in the southern hemisphere during the summer and are transferred to the north pole, where they cool down and return to the southern hemisphere at lower altitudes. Approximately every 14.5 years, a change in the direction of circulation occurs ^[48] .

The model of convection processes: in the satellite’s atmosphere there are two main ones - the action of the so-called Kelvin waves (arise as a result of Kelvin – Helmholtz instability between the layers of the medium) and global oblique flows from the northern hemisphere to the southern ^[49] .

Clouds and precipitation

Methane condenses into clouds at a height of several tens of kilometers. According to the data obtained by Huygens, the relative humidity of methane rises from 45% at the surface to 100% at an altitude of 8 km (while the total amount of methane, on the contrary, decreases) ^[50] . At an altitude of 8–16 km , a very thin layer of clouds, consisting of a mixture of liquid methane with nitrogen, spreads over half of the satellite’s surface. Weak drizzle constantly falls from these clouds to a surface compensated by evaporation.

In September 2006, Cassini recorded a huge cloud at an altitude of 40 km above the north pole of Titan. Although it is known that methane forms clouds, but in this case this formation most likely consisted of ethane, since the size of the fixed particles was only 1-3 microns, and it was ethane that was able to condense at this height. In December, Cassini again discovered a cloud cover over the pole; methane, ethane, and another organic compound were found in the composition. The cloud reached a diameter of 2400 km and was also observed in the next flight of the spacecraft in a month ^[51] . Scientists suggest that at this time, methane-ethane rain or snow was falling at the satellite’s pole (if the temperature is low enough); downward flows in the northern latitudes are strong enough to cause precipitation ^[52] .

Also, clouds were recorded in the southern hemisphere. Usually they cover no more than 1% of the surface, although this value sometimes reaches 8%. Such differences in the area of ​​the cloud cover of the hemispheres are explained by the fact that in the southern hemisphere it was summer at the time of observation, and there was intense heating of atmospheric masses, ascending flows and, as a result, convection arose. Under such conditions, ethane is not able to form a constant cloud cover, although ethane humidity reaches 100% ^[53] . From September to October 2010, scientists analyzed photos of the Cassini and came to the conclusion that it also rains at the satellite’s equator; This is evidenced by the characteristic ruggedness, manifested due to river flows ^[54] .

Observations show that the height and constancy of cloud cover depends on latitude. So, in high latitudes (from 60 ° and above) in the winter hemisphere constant clouds are widespread, formed above the level of the troposphere. At lower latitudes, clouds are located at an altitude of 15-18 km , are small in size and are inconsistent. In the summer hemisphere, clouds form mainly around 40 ° latitude and are usually short-lived ^[55] .

Ground-based observations also show seasonal changes in cloud cover. So, in one 30-year revolution around the Sun, together with Saturn on Titan, clouds form in each hemisphere for 25 years, and then disappear within 4-5 years before reappearing ^[51] .

Surface

The surface of the Titan, photographed by Cassini in various spectral ranges, at low latitudes is divided into several bright and dark regions with clear boundaries ^[56] . Near the equator in the leading hemisphere, there is a bright region the size of Australia (also visible on infrared images of the Hubble telescope) ^[57] . It was called Xanadu ^[58] .

Radar images taken in April 2006 show mountain ranges more than 1 km high, valleys, riverbeds flowing from hills, as well as dark spots (filled or dried lakes) ^[59] . Strong erosion of the mountain peaks is noticeable; streams of liquid methane during seasonal showers could form caves in the mountain slopes. To the southeast of Xanadu is the mysterious Hotei Arcus formation, which is a bright (especially at some wavelengths) arc. Whether this structure is a “hot” volcanic region or the deposition of some substance (for example, carbon dioxide ice) is not yet clear.

In the equatorial bright region of Adiri , extended chains of mountains (or hills) up to several hundred meters high were discovered. Presumably, in the southern hemisphere there may exist a massive mountain range with a length of about 150 km and a height of up to 1.6 km. A peak 3337 meters high was found in the Mithrim Mountains ^[60] . There are light deposits on the tops of the mountains - possibly deposits of methane and other organic materials ^[61] . All this testifies to the tectonic processes that form the surface of Titan.

In general, the Titan’s relief is relatively even - the variation in height is no more than 2 km, however, local elevation changes, as shown by radar and stereo images obtained by Huygens , can be very significant; steep slopes on Titan are not uncommon ^[62] . This is the result of intense erosion involving wind and fluid. There are few impact craters on Titan (as of 2012, exactly 7 were identified and presumably 52) ^[63] . This is due to the fact that precipitation ^[64] and relatively smooth wind erosion ^{[63] [65]} hide them relatively quickly. The surface of Titan in temperate latitudes is less contrasting.

Cryovolcanic origin is assumed for some details of the surface of Titan. This is primarily Mount Dum with the adjacent Sotra patera and the Mohini stream , Mount Erebor and stream-like objects in the Hotei region ^[66] .

Dunes

There are dark areas similar to Xanadu in size, encircling the satellite at the equator, which were initially identified as methane seas ^[67] . Radar research, however, showed that the dark equatorial regions are almost everywhere covered by long parallel rows of dunes , elongated in the direction of the prevailing winds (from west to east) for hundreds of kilometers - the so-called “cat scratches” ^[68] .

The dark color of the lowlands is explained by the accumulation of particles of hydrocarbon "dust" falling from the upper atmosphere, washed away by methane rains from the hills and brought to the equatorial regions by winds. Dust can be mixed with icy sand ^{[68] [69]} .

Methane Rivers and Lakes

The possibility of the existence of rivers and lakes filled with liquid methane on the surface of Titan was proposed on the basis of data collected by Voyager-1 and Voyager-2 apparatuses, which showed the existence of a dense atmosphere of the appropriate composition and the required temperatures to maintain methane in a liquid state. In 1995, the data from the Hubble telescope and other observations made it possible to directly substantiate the existence of liquid methane on the surface in the form of separate lakes or even oceans, like terrestrial ^[70] .

The Cassini mission in 2004 also confirmed this hypothesis, although not immediately. When the device arrived in the Saturn system, the researchers hoped to detect the liquid by reflection of sunlight, but at first no glare was detected ^[71] .

In July 2009, the reflection of sunlight (flare) from the smooth surface of the liquid pool in the infrared was recorded, which was direct evidence of the existence of lakes ^[72] .

Earlier near the poles, the Cassini radar showed the presence of a very smooth and / or well-absorbing surface, which is liquid methane (or methane-ethane) tanks, the presence of which has long been questioned. In particular, in June 2005, Cassini images revealed a dark formation in the southern polar region with very clear boundaries, which was identified as a liquid lake. It was called Lake Ontario ^{[73] [74]} . Clear radar images of lakes in the northern polar region of Titan were obtained in July 2006 ^[75] . The radar coverage of the Mezzoramia region at high latitudes of the southern hemisphere showed the presence of a developed river system, a coastline with characteristic traces of erosion, and a surface covered by a liquid either now or in the recent past ^{[8] [76]} .

In March 2007, Cassini discovered several giant lakes in the North Pole region, the largest of which ( the Kraken Sea ) reaches a length of 1000 km and is comparable in size to the Caspian Sea , another ( the Ligei Sea ) with an area of ​​100,000 km² exceeds any of terrestrial freshwater lakes ^[77] .

In June 2012, astronomers, studying images taken by Cassini from 2004 to 2008, discovered a methane lake 1 meter deep in the desert equatorial region of Titan ^[78] . The lake was able to see due to infrared photography. Its length is about 60, and its width is about 40 kilometers ^[79] . In addition to this lake, four more formations were discovered, more reminiscent of terrestrial swamps ^[78] .

According to Cassini and computer calculations, the composition of the liquid in the lakes is as follows: ethane (76–79%), propane (7–8%), methane (5–10%). Кроме того, озёра содержат 2—3 % цианида водорода , и около 1 % бутена , бутана и ацетилена ^{[80] [81]} . Согласно другим данным, основными компонентами являются этан и метан. Запасы углеводородов в озёрах в несколько раз превышают общие запасы нефти и газа на Земле ^[82] . Учёные НАСА предположили ^[83] , что при определённых условиях на поверхности озёр Титана могут образовываться плавучие льдины. Такой лёд должен быть насыщен газом (более 5 %) чтобы оставаться на поверхности озера, а не опускаться на дно.

Большая часть озёр обнаружена в северной полярной области, тогда как в южной их почти нет. Это может объясняться сезонными изменениями — каждое из четырёх времён года на Титане длится около 7 земных лет, и за это время метан может высыхать в водоёмах одного полушария и ветрами переноситься в другое ^{[84] [85]} .

При снижении зонда « Гюйгенс » в атмосфере Титана были получены фотографии ^[86] , на которых видны светлые холмы и пересекающие их русла, впадающие в тёмную область. «Гюйгенс», по-видимому, сел именно в тёмную область, и она оказалась с твёрдой поверхностью ^[87] . Состав грунта на месте посадки напоминает мокрый песок (возможно, состоящий из ледяных песчинок, перемешанных с углеводородами). Увлажнять грунт может постоянно выпадающая изморось .

На снимках непосредственно с поверхности видны камни (вероятно, ледяные) округлой формы. Такая форма могла образоваться в результате длительного воздействия на них жидкости. Вероятно, в приэкваториальной области, где приземлился «Гюйгенс», возможны только временные пересыхающие метановые озёра , образующиеся после крайне редких дождей.

Криовулканизм

На Титане имеются отчётливые признаки вулканической активности. Однако при схожести формы и свойств вулканов, на спутнике действуют не силикатные вулканы, как на Земле или Марсе и Венере , а так называемые криовулканы , которые, скорее всего, извергаются водно-аммиачной смесью с примесью углеводородов ^[88] .

Изначально существование вулканизма было предположено после обнаружения в атмосфере аргона-40 , который образуется при распаде радиоактивных веществ ^[89] . Позже «Кассини» зарегистрировал мощный источник метана, который предположительно является криовулканом. Так как на поверхности спутника до сих пор не было найдено ни одного источника метана, способного поддерживать постоянное количество этого вещества в атмосфере, то теперь считается, что основная часть всего метана происходит из криовулканов ^{[90] [91]} .

Кроме того, в декабре 2008 года астрономы зарегистрировали в атмосфере два светлых образования временного характера, однако они оказались слишком долговечными, чтобы принять их за погодное явление. Предполагается, что это было последствие от активного извержения одного из криовулканов ^[92] .

Вулканические процессы на Титане, как и на Земле, обусловлены распадом радиоактивных элементов в мантии спутника ^[92] . Магма на Земле состоит из расплавленных пород, которые имеют меньшую плотность, чем породы коры, через которую они извергаются. На Титане же водно-аммиачная смесь гораздо больше по плотности, чем водяной лёд, через который она извергается на поверхность, следовательно, требуется большее количество энергии для поддержания вулканизма. Одним из источников такой энергии является мощное приливное воздействие Сатурна на свой спутник ^[92] .

Внутреннее строение

Согласно расчётам, Титан имеет твёрдое ядро, состоящее из скальных пород, диаметром около 3400 км, которое окружено несколькими слоями водяного льда ^[25] . Внешний слой мантии состоит из водяного льда и гидрата метана, внутренний из спрессованного, очень плотного льда. Между этими слоями возможно существование прослойки из жидкой воды.

Как и на другие спутники Юпитера и Сатурна, такие, например, как Ио и Энцелад , на Титан действуют значительные приливные силы , которые играют значительную роль в тектонических процессах спутника, разогревают его ядро и поддерживают вулканическую активность .

Гипотетический подповерхностный океан

Ряд учёных выдвинули гипотезу о существовании глобального подповерхностного океана ^[93] . Мощное приливное действие Сатурна может привести к разогреву ядра и поддержанию достаточно высокой температуры для существования жидкой воды ^[94] . Сравнение снимков « Кассини » за 2005 и 2007 годы показало, что детали ландшафта сместились примерно на 30 км. Поскольку Титан всегда повёрнут к Сатурну одной стороной, такой сдвиг может объясняться тем, что ледяная кора отделена от основной массы спутника глобальной жидкой прослойкой ^[94] .

Предполагается, что в воде содержится значительное количество аммиака (около 10 %), который действует на воду как антифриз ^[92] , то есть понижает температуру её замерзания. В сочетании с высоким давлением, оказываемым корой спутника, это может являться дополнительным условием существования подповерхностного океана ^{[95] [96]} .

Согласно данным, обнародованным в конце июня 2012 года и собранным ранее КА «Кассини», под поверхностью Титана (на глубине около 100 км) действительно должен находиться океан, состоящий из воды с возможным небольшим количеством солей ^[97] . В результатах нового исследования, опубликованных в 2014 году и основанных на гравитационной карте спутника, построенной на основании данных собранных « Кассини », учёные высказали предположение, что жидкость в океане спутника Сатурна отличается повышенной плотностью и экстремальной соленостью. Скорее всего, она представляет собой рассол , в состав которого входят соли, содержащие натрий, калий и серу. Кроме того, в разных районах спутника глубина океана варьирует — в одних местах вода промерзает, изнутри наращивая ледяную корку, покрывающую океан, и слой жидкости в этих местах практически не сообщается с поверхностью Титана. Сильная солёность подповерхностного океана делает практически невозможным существование в нём жизни ^[98] .

Как и на Земле , на Титане есть смена времён года. По мере продвижения Сатурна и его спутников вокруг Солнца времена года на Титане постепенно сменяют друг друга.

Штормы

На Титане, как и на Земле , время от времени образуются штормы ^[99] . Нагрев поверхности солнечными лучами создаёт восходящие потоки в атмосфере, вызывая мощную конвекцию, перемещение влаги и конденсацию облаков.

В отличие от Земли на Титане мощные облака намного сильнее смещаются по широте, по мере смены сезонов, тогда как на Земле они сдвигаются к северу или югу незначительно.

Наблюдение и изучение Титана, до того как в 1979 году космический аппарат « Пионер-11 » достиг орбиты Сатурна и провёл различные измерения планеты и её спутников, проходило крайне медленными темпами. В 1907 году испанский астроном Хосе Комас Сола утверждал, что наблюдал потемнения на краю диска Титана и два круглых светлых пятна по центру ^[100] . В результате наблюдений Джерарда Койпера , выполненных зимой 1943—1944 годов в обсерватории Макдональд на горе Маунт-Лок с помощью спектрографа , присоединённого к 82-дюймовому (205 см) телескопу-рефлектору , в 1944 году ^[101] была открыта атмосфера Титана ^{[102] [103]} .

Титан не виден невооружённым глазом, но может быть наблюдаем в любительский телескоп или сильный бинокль, наблюдение затруднено близостью Титана к Сатурну. Спутник имеет видимую звёздную величину +7,9 ^[104] .

«Пионер-11» и «Вояджер»

Первым космическим аппаратом, пролетевшим вблизи Титана, стал « Пионер-11 », предназначенный для изучения Юпитера и Сатурна. 1 сентября 1979 года станция передала пять снимков Титана. По данным, переданным зондом, было установлено, что температура у поверхности слишком низкая для существования жизни ^[105] . «Пионер-11» прошёл на расстоянии 353 950 км от спутника. Полученные фотографии были слишком размытыми чтобы различить какие-либо детали ^[106] .

Значительные исследования были сделаны аппаратом « Вояджер-1 ». 12 ноября 1980 года станция прошла в 5600 км от Титана, однако полученные снимки не позволили различить какие-либо детали поверхности из-за дымки в атмосфере. «Вояджер-1» смог изучить только состав атмосферы и определить основные данные, такие как размер и масса , также был уточнён орбитальный период ^[22] .

« Вояджер-2 » пролетел через систему Сатурна 25 августа 1981 года. Поскольку аппарат был направлен к Урану и у Сатурна совершил гравитационный манёвр, то Титан практически не изучался.

Космический телескоп «Хаббл»

Первые фотографии, пролившие свет на структуру поверхности Титана, были получены телескопом « Хаббл » в 1990-х годах. На сделанных в инфракрасном диапазоне снимках были видны метановые облака и органический смог. Чётким контрастом между тёмными и светлыми областями поверхности Титан резко отличается от других схожих по размеру спутников в Солнечной системе. Обычные для других спутников кратеры «Хаббл» на Титане не обнаружил.

Предполагалось, что светлые участки поверхности лежат выше, чем более тёмные; также они отличаются по составу: светлые участки могут содержать водяной лёд, как это часто встречается на спутниках Юпитера, а тёмные покрыты скальными породами или органическим материалом.

«Кассини — Гюйгенс»

15 октября 1997 года с мыса Канаверал стартовал аппарат « Кассини — Гюйгенс », совместный проект НАСА , ЕКА и АСИ. Он был создан для изучения системы Сатурна и, в частности, его спутника Титана. «Кассини» является первым искусственным спутником Сатурна. Первоначальный срок действия аппарата был рассчитан на 4 года.

«Кассини» находится на орбите Сатурна с 1 июля 2004 года. Как и было запланировано, первый пролёт мимо Титана был совершён 26 октября 2004 года на расстоянии всего 1200 км от поверхности ^[87] . Титан является самым отдалённым от Земли небесным телом, на которое осуществил посадку космический зонд ^[107] . На радиолокационных снимках, сделанных «Кассини», видна сложная структура поверхности Титана.

С 22 июля 2006 года по 28 мая 2008 года «Кассини» совершил 21 пролёт около Титана (минимальное расстояние — всего 950 км), за это время были получены изображения, доказывающие существование на Титане метановых озёр ^[108] .

Миссия была продлена сначала до 2010 г. (дополнительно 21 пролёт Титана), а затем — до 2017 г. (ещё 56 пролётов) ^[109] .

Исследование зондом «Гюйгенс»

Зонд « Гюйгенс » отделился от «Кассини» 25 декабря 2004 года, а опустился на поверхность 14 января 2005 года ^[110] . «Гюйгенс» — второй аппарат, созданный человеком, находящийся на поверхности спутника планеты после аппаратов на Луне .

Спуск на парашютах сквозь атмосферу спутника занял у «Гюйгенса» 2 часа 27 минут 50 секунд. Столкновение аппарата с поверхностью Титана происходило на скорости 16 км/ч (или 4,4 м/с ), при этом приборы испытали кратковременные перегрузки , в 15 раз превышающие ускорение свободного падения на Земле.

Во время спуска «Гюйгенс» отбирал пробы атмосферы. Скорость ветра при этом (на высоте от 9 до 16 км) составила приблизительно 26 км/ч . Бортовые приборы обнаружили плотную метановую дымку (ярусы облаков) на высоте 18—19 км , где атмосферное давление составляло приблизительно 50 кПа (5,1⋅10 ³ кгс/м²) или 380 мм ртутного столба. Внешняя температура в начале спуска составляла −202 °C, в то время как на поверхности Титана оказалась немного выше: −179 °C.

Снимки, сделанные в ходе спуска, показали сложный рельеф со следами действия жидкости (руслами рек и резким контрастом между светлыми и тёмными участками — «береговой линией») ^[111] . Однако тёмный участок, на который спустился «Гюйгенс», оказался твёрдым. На снимках, полученных с поверхности, видны камни округлой формы размером до 15 см, несущие следы воздействия жидкости (галька) ^[90] .

С помощью внешнего микрофона удалось сделать запись звука ветра на Титане.

Место посадки аппарата 14 марта 2007 года было решено назвать в честь Юбера Кюрьена — одного из основателей Европейского космического агентства ^[112] .

Планируемые миссии

В рамках совместной программы НАСА и ЕКА по изучению Сатурна, Титана и Энцелада планируется отправить аппарат Titan Saturn System Mission , который будет включать в себя: орбитальную станцию и два зонда, предназначенные непосредственно для изучения Титана. Один зонд представляет собой аэростат , который будет плавать в атмосфере среди облаков. По замыслу разработчиков, этот зонд должен будет по крайней мере один раз облететь вокруг всего спутника примерно по 20° с. ш. на высоте 10 км ^[113] .

The second probe will be brought into the polar sea of ​​hydrocarbons at approximately 79 ° north latitude. Like the Huygens, the device will be lowered by parachute. The probe will be the first floating apparatus outside the Earth. Its life is expected to be from 3 to 6 months, starting from 6 hours of descent through the atmosphere.

Initially, the launch of the mission was planned for 2010. However, in February 2009, it was announced that NASA and ESA had given the mission to research the Jupiter system a higher priority, and the launch date was postponed to a later time, approximately to the 2020s ^[114] .

Some scientists, including NASA planetary scientist Amanda Hendrix ( Amanda R. Hendrix ) believe that almost the only option for placing the colony within the solar system is not the Moon and not Mars, but the largest satellite of Saturn - Titan. ^{[115] [116]}

In 2026, it is planned to send the Dragonfly spacecraft to Titan, followed by landing in the Shangri-La area in 2034, and then the device will fly towards the Selk crater , where there could have been liquid water in the past. ^[117]

Since Saturn and its satellites are outside the habitable zone , the emergence of a highly organized life (similar to Earth) is hypothetically impossible, but the possibility of the appearance of simple organisms is not excluded by scientists ^[118] .

Despite the low temperatures, there are sufficient conditions on Titan to start chemical evolution . A dense atmosphere of nitrogen and the presence of organic compounds is an interesting object for research by exobiologists, since similar conditions could exist on a young Earth. However, too low temperatures prevent the prebiotic direction of development, in contrast to the Earth ^[119] .

Stephen Benner of the University of Florida suggests that life could have been formed in lakes of liquid hydrocarbons. Ethane or methane can be used as a solvent in the biological processes of a living organism. Moreover, the chemical aggressiveness of these substances is much lower than that of water. Thus, macromolecules, such as, for example, proteins and nucleic acids , can be more stable.

So, on June 5, 2010, a group of scientists from NASA made a statement that they had discovered on Titan signs of the possible existence of simple life forms. These conclusions were made on the basis of the analysis of data obtained from the Cassini probe - studying the unusual behavior of hydrogen on the satellite’s surface, astrobiologist Chris Mackay and professor put forward a hypothesis about the “breathing” of primitive biological organisms representing a different life form than the earth in which methane and hydrogen are used instead of water and oxygen ^[120] .

According to this hypothesis, organisms could absorb gaseous hydrogen and feed on acetylene molecules, and methane would form during their life. As a result, a lack of acetylene and a decrease in the hydrogen content near the surface would be observed on Titan. Measurements in the infrared range made by the Cassini spectrometer did not reveal any trace of the presence of acetylene, although it should have been formed in a very powerful Titan atmosphere under the influence of solar ultraviolet radiation. Indirect results suggest that hydrogen near the surface of Titanium also disappears. Mackay himself, commenting on the results obtained by New Scientist magazine, noted that they are "very unusual and so far chemically inexplicable." “Of course, this is not proof of the existence of life, but it is very interesting,” the scientist added ^{[121] [122]} . Nevertheless, scientists do not exclude that the new data from Cassini may have a completely different explanation ^[123] .

В очень далёком будущем условия на Титане могут значительно измениться. Через 6 млрд лет Солнце значительно увеличится в размерах и станет красным гигантом , температура на поверхности спутника увеличится до −70 °C, достаточно высокой для существования жидкого океана из смеси воды и аммиака . Подобные условия просуществуют несколько сотен миллионов лет, этого вполне достаточно для развития относительно сложных форм жизни ^[124] .

• Список деталей поверхности Титана
• Жидкость на Титане

• Силкин Б.И. В мире множества лун. — М. : Наука , 1982. — 208 с. — 150 000 экз.

• Статья «Экспедиция „Гюйгенс“ к Титану, спутнику Сатурна» из журнала «Наука и Жизнь»
• Статьи о Титане
• Глава о Титане из книги «Системы Юпитера и Сатурна. Формирование, состав и внутреннее строение крупных спутников»
• Г. Бурба. Извержения миров (неопр.) . Вокруг Света (май 2006).
• Г. Бурба. Чёрные моря Титана (неопр.) . Вокруг Света (ноябрь 2008).
• Облака вблизи экватора Титана могут объяснить наличие русел рек на его поверхности
• Cassini Imaging Central Laboratory for Operations (2005). CICLOPS: Cassini Imaging
• European Space Agency (2005). ESA — Cassini-Huygens
• Gangale, Thomas (2002). The Darian Calendar for Titan (неопр.) (недоступная ссылка) . Архивировано 1 марта 2007 года.
• Hamilton, Calvin J. (2001). Titan — Saturn IV
• Hammerschlag, Michael (2005). CLOUD WORLD: MISSION to TITAN
• NASA (2005). NASA — Cassini-Huygens: Close Encounter With Saturn
• Perry, Jason (2005). Titan Today
• The Planetary Society (2005). TPS: Saturn's moon Titan (неопр.) (недоступная ссылка) . Архивировано 17 июня 2004 года.
• University of Arizona Lunar and Planetary Lab (2005). Lunar and Planetary Lab The Descent Imager-Spectral Radiometer of the Cassini-Huygens Mission to Titan (неопр.) (недоступная ссылка) . Архивировано 8 марта 2005 года.
• На Титане есть нефть . Сюжет телестудии Роскосмоса