Исследования Титана

Рефераты по авиации и космонавтике » Исследования Титана

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ГЕОГРАИИ И ГЕОЭКОЛОГИИ

РЕФЕРАТ

Исследования Титана

Воронеж 2010


История изучения Титана в докосмическую эру

терраформинг титан докосмический

Зонд «Кассине» запущенный Европейским Космическим Агентством к Сатурну в настоящее время исследует крупнейший спутник планеты — Титан передавая всё новые и новые данные и в ближайшее время мы узнаем о том что скрывается под толстым слоем его атмосферы. Наконец-то мы подходим к разгадке тайны Титана одного из самых загадочных спутников ХХ века.

Но оставим в покое научные данные «Кассине» и углубимся в историю исследования и наблюдения этого спутника. К тому же для этого есть и повод: в следующем году исполниться 460 лет с момента его открытия.

И так спутник Сатурна Титан был открыт голландским астрономом Христианом Гюйгенсом в 1665 году при помощи самодельного телескопа рефрактора кстати одного из крупнейших на тот период. Одновременно с Титаном Гюйгенс открывает и кольца этой планеты. Таким образом на данный период Титан стал шестым спутником известным в Солнечной системе до него было известно лишь о Луне и 4-х галилеевых спутников Юпитера (Ио Ганимед Каллисто и Европа).

Собственное имя Титан спутник как и 5 других спутников открытых до 1848 года получил в 1850 году. Такое название ему придумал английский астроном Дж. Гершель исходя из греческой мифологии в которой Сатурну соответствовал Кронус. В греческой мифологии Титанами называли божеств старшего поколения детей Урана и Геи.

Титан очень далек от Земли в телескоп он виден как звезда 8 5 зв.вел. Поэтому для астрофизиков Титан как и многие другие спутники был практически недоступным объектом для исследований оставаясь интересным объектом для изучения небесных механиков. Первым же кто описал теорию движение и составил эфемериды Титана стал русский астроном Баклун произошло это в 1898 году.

Изучение Титана астрофизиками и планетологами началось значительно позднее. Только 1907 году испанский астроном Хосе Сола делает теоретическое предположение о существовании атмосферы у Титана. Причём надо отметить тот факт что на тот момент было лишь точно установлено что атмосфера на объектах Солнечной системы кроме Земли есть у Венеры и планет-гигантов но как считали многие астрономы того времени возможно и у Луны. Точное же подтверждение открытия атмосферы у Титана было сделано только в 1944 году известным американским планетологом Дж. Койпером когда тот при помощи 2 5м телескопа обсерватории Маун-Вилсон крупнейшего в то время сумел получит снимки спектров Титана.

Новая эпоха изучения этого спутник начинается с 1979 года когда вблизи Сатурна промчался американский космический аппарат «Пионер-11».

 

Исследования Титана

 

Основные сведения об этом загадочном спутнике были получены совсем недавно при помощи аппарата Huygens который вошел в плотную атмосферу Титана и сел на его поверхность 14 января 2005 года. Спуск занял 2 часа 57 минут. При этом раскрылось 3 парашюта которые позволили ученым получить различные важные данные о Титане.

Первый самый маленький раскрылся на высоте примерно 160 километров предназначенный для снятия верхней крышки спускаемого аппарата. Затем раскрылся основной парашют диаметром 8 3 метра. Позже отделился тепловой щит в нижней части аппарата. А на 110 километрах второй парашют отстрелился и раскрылся третий 3-метровый так называемый стабилизирующий парашют. На высоте нескольких сотен метров "Гюйгенс" включил мощную лампу чтобы осветить поверхность планеты.

При ударе о поверхность аппарат испытал очень кратковременные перегрузки около 15 G а относительная скорость составила около 10 миль в час. При посадке аппарат на шесть дюймов вошёл в замороженную почву похожую на гальку.

Пенетрометр в основании аппарата пробурил скважину глубиной чуть более 15 сантиметров. Полученные данные вместе с замедлением испытанным зондом в момент касания привели учёных к выводу что под аппаратом - тонкая корочка покрывающая нечто более мягкое с относительно однородной консистенцией.

В механическом плане эта поверхность напоминает мокрый песок или глину объявили исследователи. Возможно это место ещё совсем недавно было мокрым и оставшаяся влага не просочилась слишком глубоко рассуждают учёные.

Специалисты также добавили что осадки на Титане могут быть сезонными. И в определённое время каналы вновь наполняются. Интересно что скруглённая потоками жидкости галька замеченная на снимках с места посадки это не камни (силикаты) а судя по всему грязный водяной лёд. Однако при температуре минус 170 градусов Цельсия и ниже - это всё равно что камни. Таким образом Титан активен но активность эта похожа на земную лишь общими принципами но не химией.

Первые снимки показали что поверхность спутника Сатурна имеет бледно-оранжевый цвет.

По данным полученных с Гюйгенса ученые сделали выводы что поверхность Титана относительно ровная. Альтиметр показал перепады высот не более 100 м на протяжении нескольких сот километров. В то же время локальные перепады высот как показывают данные радара и стереоснимки могут быть весьма значительными; скорее всего крутые склоны на Титане не редкость. Это является результатом интенсивной эрозии при участии ветра и вероятно жидкости. Имеются несколько объектов похожих на ударные кратеры заполненные предположительно углеводородами.

На снимках сделанных с высоты несколько тысяч километров видны образования похожие на речные каналы и побережья. Это свидетельствует о том что на поверхности Титана есть или по крайней мере была жидкость.

При спуске Гюйгенс исследовал атмосферу Титана. На высотах от 6 до 12 миль скорость ветра составляла около 16 миль в час. Инструменты аппарата обнаружили толстый метановый туман (или облако) на высоте от 11 до 12 миль от поверхности. Атмосферное давление на этой высоте составляет 7.3 фунта на квадратный дюйм. Температура атмосферы в начале спуска составляла 70.5 К а на поверхности - уже 93.8 К.

Совершенно неожиданно в атмосфере Титана был найден изотоп Аргон-40. Это свидетельство вулканической деятельности на спутнике. Причём извергается здесь не горячая лава как на Земле а холодный водяной лёд и аммиак.

В верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения метан и азот разлагаются и образуют сложные углеводородные соединения. Некоторые из них по данным масс-спектрометра Кассини содержат не менее 7 атомов углерода. А среди соединений азота идентифицированы нитрилы - своего рода предшественники аминокислот.

После 2 5 часов работы в атмосфере Титана и 1 5 часов работы на поверхности зонд "Гюйгенс" прекратил работу выработав полностью заряд своих батарей.

Изучения Титана не закончились после приземления спускаемого аппарата Гюйгенс. Исследования продолжил орбитальный комплекс "Кассини". При помощи радара установленного на его борту ученые смогли уже получить много интересных данных позволяющие расширить наши представления об этом загадочном спутнике.

Первые снимки Титан были проведены еще на подлете к Сатурну. Они были сделаны ближнем инфракрасном диапазоне. Они позволили впервые увидеть его поверхность через плотную атмосферу. Но к сожалению на них было не разобрать детали ландшафта.

Тогда "Кассини" впервые увидел динамику происходящую в атмосфере Титана. Возможно метановые облака в практически азотной атмосфере. Так же был обнаружен второй атмосферный слой который берет свое начало на высоте несколько сотен километров на поверхность. Это слой напоминает городской смог только в несколько раз плотнее.

Новая более близкая встреча с Титаном ждала "Кассини" в конце первого витка вокруг Сатурна и состоялась 26 октября 2005г. Аппарат пролетел на расстоянии 1200 км. от спутника.

Четко стали видны темные и светлые области на поверхности. Одна из таких светлых областей (сама крупная) имеет форму похожую на Австралию. Ученые предполагают что это континент названный Ксанаду (Xanadu). На западном краю отснятой области тёмные дюны уступают сложному ландшафту изрезанному ветвящимися речными сетями холмами и долинами. Эти узкие речные сети текут к более тёмным областям которые могут быть озёрами. Также здесь был найден кратер сформированный либо ударом астероида либо водным вулканизмом.

Извилистые каналы восточной части Ксанаду заканчиваются на тёмной равнине где дюны (встречающиеся в изобилии в других местах) как кажется отсутствуют.

Имеются и темные области схожих размеров опоясывающие спутник по экватору которые поначалу идентифицировались как метановые моря. Радарные исследования однако показали что темные экваториальные регионы повсеместно покрыты длинными параллельными рядами дюн вытянутых в направлении преобладающих ветров (с запада на восток) - т.н. "кошачьи царапины". Лишь в некоторых местах зафиксированы участки ровной (возможно жидкой) поверхности по площади соответствующие скорее озерам чем морям. Темный цвет низменностей объясняется скоплением частиц углеводородной "пыли" выпадающей из верхних слоев атмосферы и смываемой метановыми ливнями с возвышенностей.

Таким образом сегодня в результате исследований ученые не отрицают даже возможности наличия на Титане хотя бы каких-то органических процессов схожих с происходившими миллиарды лет назад на Земле еще до этапа зарождения на ней жизни. Звучит как фантастика но нередко бывает что реальность оказывается удивительнее любых вымыслов. Удалось уточнить и состав верхнего слоя атмосферы Титана: в ней обнаружены сложные органические молекулы бензола диацетилена и пропана. Определены были и необходимые для успешного десанта данные по скорости ветра в атмосфере Титана. Она составляет от 15 до 35 метров в секунду а это учитывая плотность (в 1 6 раза больше земной) газовой оболочки гигантского спутника Сатурна считается достаточно крепким ветром.

В июне 2005 "Кассини" обнаружил гораздо более тёмное образование с очень чёткими границами которое находится в регионе с очень мощными (возможно "ливневыми") облаками и которое может быть идентифицировано как действительно жидкое озеро. По размеру и форме оно схоже с озером Онтарио поэтому и было названо Lacus Ontario. Пока не ясно - жидкость там или тёмное высохшее дно покрытое осадочным слоем. По некоторым признакам активная "работа" углеводородных жидкостей на поверхности Титана (дожди или бьющие из-под поверхности ключи ручьи и реки) носит сезонный характер. Дальнейшее изучение озера должно раскрыть его загадку.

Уже в июле 2006 года "Кассини" обнаружил дюжину озёр размером до 110 километров. Некоторые из них объединены между собой каналами тогда как другие отдельные пополняются реками. Несколько из них оказались сухими (как и полагали учёные раньше) но некоторые - наполнены жидкостью по-видимому смесью метана и этана.

Некоторые озёра вероятно не всегда остаются сухими а периодически наполняются во время углеводородных дождей. Однако новые данные пока так и не смогли уверенно ответить на вопрос - каков источник этих веществ.

Гигантское облако размером в половину США было заснято аппаратом "Кассини" в декабре 2006 г. Облако может состоять из того же материала что и озера обнаруженные ранее.

Закрытое зимней тенью только сейчас облако стало видно для фотокамер. Тем самым мы можем видеть как на Титане зима сменяется весной. Облако простирается до 60 гр. с.ш. и составляет примерно 2400 километров в диаметре почти поглотившее весь северный полюс спутника.

Новое изображение было получено 29 декабря 2006 года при помощи VIMS (visual and infrared mapping spectrometer). Научные модели предсказывали такое облако но впервые оно было заснято с таким высоким разрешением.

Представление о Титане после полета аппарата "Кассини-Гюйгенс"

Титан выглядит как странное и не похожее на Землю место. Но что удивительно имеет такие знакомые геологам понятия как горы озера и свой собственный климатический цикл. Из всех объектов Солнечной системы только на Земля есть все это. Поэтому три группы ученых-геологов заинтересованы в изучении Титана: планетологи океанографы и климатологи.

Если вместо Луны поместить Титан (размышления) то ночь сменится на день. У Титана в 2 раза больше отражающая способность и диаметр больше на половину. Таким образом спутник Сатурна способен пролить в 5 раз больше света чем наша собственная Луна. Но мы бы не увидели привычный ландшафт Титан выглядел бы почти пустым как Венера из-за плотной собственной атмосферы.

Атмосфера состоит в основном из азота с большой примесью метана. Хотя сила тяжести и меньше чем на Луна давление на поверхности в 1.5 раза больше земного. По всей видимости Титан получает все эти газы из своих недр.

Строение Титана: каменистое ядро покрытое толстым слоем льда типично для холодных тел Солнечной системы. Лед как предполагают метановый (СН4) также с примесями аммиака (NH 3). Ультрафиолет разрушает молекулу аммиака высвобождая водород который испаряется в открытый космос а в атмосфере остается азот в газообразном состоянии(N2) основная часть нашего воздуха.

Описание: atm2.jpg

Но молекулы метана способны соединяться и образовывать такие сложные соединения как этан этилен ацетилен и другие тяжелые углеводороды. Ранее предполагалось что доминирующей составляющей Титана является этан и другие его соединения. До полета "Кассини" учеными была построена климатическая модель этого загадочного спутника. Образования этана медленно выпадают в виде дождя и вероятно формируют темное "смолянистое" побережье из углеводородного ила на Титанической суше. Этан остается жидким при очень низкой температуре -180 по Цельсию. Мы можем вообразить картину этанового дождя выпадающего на поверхность Титана в результате которого формируется множество потоков а далее озера и моря. А вот твердые химические соединения ацетилен и его полимеры могли бы плавать в этане как лед в воде. Некоторые смелые ученые выдвигали идею этанового океана на поверхности Титана. Это крайнее предположение было отброшено при первых радарных снимках которые показали что поверхность неоднородна.

Но до приземления "Гюйгенса" и анализа данных громографического газового масс-спектрометра (GCMS) казалось вероятным присутствие жидкого этана как главного компонента Титана. Теперь эта гипотеза кажется маловероятной обработанные данные показали что это не этан а метан. И действительно при приземлении "Гюйгенса" был зарегистрирован скачок обилия метана который означал выброс этого газа предположительно в результате испарения жидкого метана с поверхности или предповерхностных слоев при нагреве вблизи горячего впускного отверстия прибора GCMS. Это приблизительно 30-% увеличение метана наблюдалось около часа а затем несколько уменьшилось к концу сеанса. Содержание азота при этом осталось тем же.

К сожалению при приземлении "Гюйгенса" не было обнаружено никаких доказательств существования жидкости на Титане. Но на изображениях полученных в камеры лэндера были замечены формирования похожие на русла рек каналы и овраги. Ученые предполагают что "Гюйгенс" застал сухой период Титана. Вероятно каналы были прорезаны ранее жидким метаном.

Так же на поверхности были зарегистрированы следы присутствия HCN C2H2 и прочих углеводородных соединений из которых самым сложным оказался бензол - все они были обнаружены в стратосфере Титана где они образуются в результате фотохимических реакций. Пока не обнаружены более сложные соединения но это не означает что их нет. Анализ данных продолжается.

Чувствительные датчики показали что поверхность Титана по плотности похожа на земной морской песок. Вернее даже сказать "грязь" или "ил". Эта "грязь" должна состоять из уплотненных органических аэрозолей выпадающих в виде осадков из атмосферы на которых естественным образом конденсируются молекулы метана. Это модель согласуется с впрыском метана обнаруженным GCMS. Она также объясняет присутствие бензола и других химических соединений вблизи поверхности Титана которые видимо испарились из почвы при контакте с нагретым при посадке впускным клапаном спектрометра.

Радиоэхо сигнала от поверхности Титана по казало что существуют темные области в которых возможно и содержится жидкий метан. Уже при первом же облете Кассини обнаружил очень небольшие темные области недалеко от экватора которые могли быть озерами. На Ксанаду куда приземлился Гюйгенс были видны темные области между горными хребтами возможно образованные жидким метаном. Но ученые утверждают что образование у северного полюса "по своей форме и свойствам сильно отличаются от найденных ранее и наталкивают на мысль что они заполнены жидкостью. Возможно это первые свидетельства жидких метановых озер на Титане".

Гигантское облако размером в половину США было замечено аппаратом "Кассини" при очередном облете Титана. Облако может состоять из того же материала (предположительно метана) что и озера обнаруженные "Кассини" ранее. Наземные наблюдения показывают что облака на Титане появляются сезонно. Один сезон на Титане длится около семи лет на Земле. Основываясь на модели глобальной циркуляции похоже что активность таких облаков может длиться около 25 земных лет и почти исчезает за четыре - пять лет и так далее.

Страницы: 1 2