Bioastronomia 1/4 wykładu 13-15 Katarzyna Mikuła 30.01.2015 Tytan Bioastronomia 1/4 wykładu 13-15 Katarzyna Mikuła 30.01.2015

Obserwacje Odkrycie: 1655 rok, Christian Huyghens Istnienie atmosfery: początek XX wieku, Comas Sola; 1944 rok, Gerard Kuiper 1979rok, Pioneer 11 – przelot obok Tytana w odległości 363 000 km 1980 rok, Voyager 1 – przelot obok Tytana w odległości 4394 km Voyager 2 – zdjęcia ujawniły większą liczbę szczegółów na Tytanie Obserwacje w zakresie podczerwonym i ultrafioletowym Skład chemiczny atmosfery: N2, CH4, C2H6, C3H8 i wiele innych

Charakterystyka Promień równikowy: 2575 ± 0.5 km Średnia gęstość: 1.88 x 103 km m-3 Odległość od Saturna: 1.23 x 106 km Masa: 1.346 x 1023 kg Grawitacja na powierzchni: 1.353 m s-2 Okres orbitalny: 15.95 dni Obrót wokół osi: 15.95 dni Mimośród orbity: 0.0292 Temperatura powierzchniowa: 93.65 ± 0.5 K Ciśnienie powierzchniowe: 1.467 ± 0.0001 bara Główne składniki atmosfery: N2, CH4, H2, CO

Atmosfera Tytana Misja Cassini – Huygens (2004 – 2017) – misja NASA, ESA, ASI Cele naukowe: Saturn, pierścienie Saturna, Tytan, księżyce lodowe, magnetosfera. Duża rozdzielczość przestrzenna i spektralna instrumentów Obserwacje Tytana w różnych zakresach długości fali: widzialny, podczerwony i ultrafioletowy

Skład chemiczny atmosfery Szczegółowe widmo składu chemicznego atmosfery Tytana – instrument CIRS (Cassini InfraRed Spectrometer). Molecule Relative abundance N2 0.97 CH4 4.9 x 10-2 H2 1.1 x 10-3 CO 6 x 10-5 Ar 4.32 x 10-5 C2H6 1.1 x 10-5 C2H4 5 x 10-7 C2H2 3 x 10-6 C3H8 6 x 10-7 HCN 7.8 x 10-7 CH3CCH 2 x 10-8 CHCCCH C6H6 3.8 x 10-9 C2N2 9 x 10-10 HCCCN 4.4 x 10-8 H2O 8 x 10-9 CO2 1.3 x 10-8

Struktura termiczna ciśnieniowa skala wysokości H0: 20 km struktura termiczna: troposfera do 44 km, stratosfera do 250 km, mezosfera do 500 km, powyżej termosfera skład chemiczny: N2, Ne, H, CH4 i inne węglowodory w ilościach śladowych (atmosfera wtórna) chmury: metanowe/etanowe w troposferze, mgła i smog węglowodorowy w strato- i mezosferze jonosfera: jest, koncentracja elektronów <104 cm-3

Cyrkulacja atmosfery Cassini – obserwacje dynamiki atmosfery Tytana pod wpływem rocznego nasłonecznienia Przesilenie zimowe – przemieszczanie się ciepłego powietrza znad bieguna południowego na biegun północny; powietrze ulegało tam schłodzeniu i opadało, tworząc warstwy chmur. Występowanie jednej komórki cyrkulacji – analogiczne do ziemskiego równikowego pasa ciszy. Na północy znikają chmury, pojawienie się chmur na południu; obserwacje cyklonu (kompresja opadającego, zimnego powietrza).

Cykl metanowy Cykl metanowy krótkookresowy – podobnie jak cykl hydrologiczny na Ziemi Metan odparowuje z powierzchni Powstają chmury metanu w atmosferze Deszcz metanu/etanu Rzeki i strumienie metanu spływają do jezior.

Cykl metanowy Cykl metanowy długookresowy – reakcje fotochemiczne wywoływane przez Słońce w górnych partiach atmosfery generują ciężkie związki organiczne w szybkim tempie – cały metan z atmosfery i powierzchni zostałby zużyty w ciągu kilku milionów lat. Zasoby muszą być odnawiane – istnienie podziemnych zbiorników metanu.

Powierzchnia Tytana 2005 rok – lądowanie próbnika Huygens na powierzchni Tytana Zdjęcia ukazują dwa rodzaje obszarów: Jasne obszary – góry Ciemne obszary - ?

Powierzchnia Tytana Surface Science Package (SSP) + Descent Imager and Spectral Radiometer (DISR) – pierwsze obrazy powierzchni Tytana Charakterystyczne kamienie (składające się z lodu) – obszar, na którym mogła niegdyś znajdować się jakaś ciecz. => Ciemne obszary na powierzchni są prawdopodobnie wyschniętymi dnami jezior lub korytami rzecznymi.

Jeziora i morza Dane z Cassini: lata 2004 – 2013 Odkrycie wielu obszarów blisko biegunów (głównie na biegunie północnym), które mają bardzo gładką powierzchnię. Największe morza (półkula północna): Kraken Mare Ligeia Mare Punga Mare

Jeziora i morza Odkrycie etanu w Ontario Lacus przez instrument VIMS Światło odbite od powierzchni księżyca (Kraken Mare, Jingpo Lacus, Kivu Lacus)

Deszcze metanowe Wyniki z Huygens – okresowe opady atmosferyczne ciekłego metanu i innych związków organicznych na powierzchni Tytana W 2007 roku – metanowa mżawka nad obszarem Xanadu

Jeziora i morza Dwa dominujące typy linii brzegowych: „Karbowane” - wschodnia i południowa strona jeziora (obszar 1) „Łagodne” – dominują na zachodniej i północnej stronie jeziora (obszar 2) 3 – łagodny teren + rzeki 4 – teren zalewowy 5 – prosta linia brzegowa ciągnąca się przez 50 km. Różowa linia– pagórkowaty teren (głównie południowy obszar Ligeia Mare), silnie zerodowany. Niebieska linia – rzeki spływające do morza.

Magiczne wyspy Obserwacje Cassini (instrument VIMS) z ostatnich kilku lat – pojawianie się tajemniczych obiektów na morzu Ligeia Mare. Być może są to pierwsze obserwacje dynamicznych, procesów geologicznych na Tytanie.

Magiczne wyspy Obrazy z Cassini - Synthetic Aperture Radar (SAR) – obserwacje z lat 2007 – 2014. Wygląd ‘magicznych wysp’ zmienia się w przeciągu 11 miesięcy. Zmiana rozmiaru ‘wysp’ – od ~75 km2 do ~160 km2 Przyczyna zjawiska: 1). Formowanie fal przez wiatr na powierzchni morza 2). Wynoszenie gazów z dna morskiego i pojawianie się bąbli na powierzchni 3). Wynoszenie zatopionych ciał stałych (zmiany temperatury) Cykl globalny: Tytan ma cykle globalne analogiczne do ziemskich – zmiany na półkuli pónocnej od wiosny do lata.

Powierzchnia Tytana Obserwacje VIMS – odkrycie wydm. Wydmy na Tytanie osiągają wysokość100 m i rozciągają się na setki kilometrów. Pokrywają ~40% obszaru równikowego na Tytanie Składają się z węglowodorów.

Wnętrze Tytana Tytan – średnia gęstość 1.88 g/cm3 wskazuje na obiekt skalno-lodowy; jądro buduje materiał skalny; nad nim położony jest płaszcz lodowy i płynna warstwa mieszaniny wody i amoniaku oraz lodowa skorupa; podpowierzchniowy ocean ma być źródłem zasilającym atmosferę

Kriowulkanizm Kriowulkanizm – wyrzucanie metanu na powierzchnię księżyca. Przykłady: Ganesha (wulkan tarczowy – szeroki i płaski stożek, nachylenie 8°).

Kriowulkanizm Przykład: Sotra Patera (wcześniej Sotra Facula) Krater o wysokości 1000 m i głębokości 1500 m. Obszar wokół krateru otoczony jest ‘zamrożoną lawą’.

The Titan Mare Explorer - TiME Przyszłe misje The Titan Mare Explorer - TiME misja NASA Czas misji: 7.5 roku Główny cel: Ligeia Mare TiME ma pływać po powierzchni morza Kapsuła będzie przemieszczać się na powierzchni z wiatrem i prądami morskimi Czas trwania misji na Tytanie: 6 dni (tytanowych)

Przyszłe misje Główne cele misji TiME: 1. Wyznaczenie składu chemicznego morza. Instrumenty: Mass Spectrometer, Meteorology i Physical Properties Package 2. Wyznaczenie głębokości morza. Instrumenty: Meteorology i Physical Properties Package 3. Badanie procesów morskich (m.in. cyrkulacja) Instrumenty: Meteorology i Physical Properties Package, descent and surface cameras 4. Wyznaczenie lokalnej meteorlogii. Instrumenty: Meteorology i Physical Properties Package, kamery. 5. Scharakteryzowanie atmosfery ponad morzem. Instrumenty: Meteorology i Physical Properties Package, kamery.

Przyszłe misje Titan Lake In-situ Sampling Propelled Explorer – TALISE Misja ESA Główny cel: morza i jeziora na półkuli północnej Czas trwania: od sześciu miesięcy do roku. Główny cel: Charakterystyka środowiska na Tytanie, mórz/jezior i składu chemicznego terenu w pobliżu metanowych zbiorników

Przyszłe misje TSSM – The Titan Saturn System Mission Misja NASA/ESA Cel: Tytan i Enceladus Start: 2020 rok (dotarcie do systemu Saturna – 2029 rok) Czas trwania: 4 lata Misja na Tytanie - 6 miesięcy: lot balonem (badanie atmosfery); lądowanie na powierzchni jednego z mórz Badanie składników organicznych i potencjału astrobiologicznego Pochodzenie i ewolucja Tytana „Odświeżenie” informacji o Enceladusie i magnetosferze Saturna

Podsumowanie

Literatura Rothery, D.A., Gilmour, I., Sephton, M.A., An Introduction to Astrobiology, 2011 Astronomy, Titan: Earth of the outer solar system, vol.35, issue 11, November 2007 Świat Nauki, 2010 Wiedza i życie, 2014