[Перевод] Береговые линии озёр на Титане формируются метановыми волнами
Карта северного региона Титана с углеводородными «морями» из метана и этана, созданная на основе радарных снимков «Кассини». Новые исследования показывают, что волны, вызванные ветром, размывают береговые линии спутника.
Далёкий Титан — диковинка в Солнечной системе. Самый большой спутник Сатурна — и вторая по величине во всей Солнечной системе — имеет атмосферу плотнее земной. Кроме того, на его поверхности есть стабильные озёра и моря из жидких углеводородов.
Новое исследование показывает, что волны в этих морях размывают береговые линии Титана.
Исследование под названием «Признаки волновой эрозии берегов Титана» опубликовано в журнале Science Advances. Ведущий автор — Роуз Палермо, выпускница Массачусетского технологического института и геолог-исследователь Геологической службы США.
В 2007 году космический аппарат «Кассини» обнаружил на спутнике Сатурна Титане озера и моря, состоящие из жидких углеводородов, в основном метана и этана. Титан и Земля — единственные два тела в Солнечной системе, на поверхности которых есть жидкие углеводороды. Учёные располагают лишь данными с Титана, полученными аппаратом «Кассини», и они тщательно изучают их, пытаясь понять этот странный мир.
Моря Титана — одна из самых интригующих особенностей всей Солнечной системы. Но их трудно наблюдать из-за плотной атмосферы. Исследователи задавались вопросом, формируют ли волны береговые линии. Проблема в том, что существуют противоречивые данные о природе морей. Они могут быть бурными, а могут быть гладкими. В работе 2014 года было высказано предположение, что переходные элементы в северном море Титана, море Лигеи, могут быть волнами.
Но уверенности в этом нет.
«Некоторые люди, пытавшиеся увидеть свидетельства наличия волн, не увидели их и сказали: «Эти моря зеркально гладкие», — говорит ведущий автор Палермо в пресс-релизе, сопровождающем исследование. «Другие говорили, что видят некоторую шероховатость на поверхности жидкости, но не были уверены, что она вызвана волнами».
Кажется вероятным, что на Титане могут быть волны. Чтобы изучить этот вопрос, учёные из Массачусетского технологического института сравнили береговые линии Титана с береговыми линиями на Земле, чтобы проверить, совпадают ли они.
Моря и озера на Титане очень похожи на земные. Они выглядят как затопленные долины и впадины. Но учёные не уверены, что эти водоёмы размывают береговую линию, как на Земле. «Наблюдения с космических аппаратов и теоретические модели позволяют предположить, что ветер может вызывать образование волн в морях Титана, что потенциально может привести к эрозии берегов, однако данные наблюдений за волнами косвенные, и процессы, влияющие на эволюцию береговой линии на Титане, остаются неизвестными, — пишут авторы в своей работе.
Проблема в том, что даже на Земле не существует надёжного способа напрямую связать морфологию береговой линии с механизмами, которые её формируют. Чтобы попытаться понять, как эрозия влияет на береговые линии Титана, исследователи начали с Земли. Они изучили, как различные механизмы береговой эрозии формируют береговые линии Земли, а затем применили эту схему к Титану.
В основном существует два типа береговой эрозии: волновая и равномерная. Каждый тип приводит к образованию различных береговых линий.
Волновая эрозия вызывается ветром и приводит к изменениям, пропорциональным силе волн. Волны обычно тем сильнее, чем дальше они проходят до того, как ударяются о берег. Волновая эрозия создаёт длинные, гладкие участки побережья, где берег полностью обнажён, и заливы в защищённых местах, где эрозия меньше. Расстояние, на котором ветер может генерировать волны на конкретном водоёме до удара о берег, называется «длина нагона волны».
«Эрозия волн зависит от высоты и угла наклона волны», — пояснил Палермо. «Мы использовали нагон волны для приблизительной оценки высоты волны, потому что чем больше нагон волны, тем больше расстояние, на котором может дуть ветер и расти волна».
Равномерная эрозия — это совсем другое. Она не зависит от механического воздействия волн. Разница в составе между Землёй и Титаном очевидна, когда речь идёт о равномерной эрозии. «Кора Титана состоит в основном из водяного льда, но твёрдые частицы на его поверхности могут также включать молекулы тяжёлых углеводородов, таких как бензол, которые растворимы в жидких метане и этане, так что жидкие озёра и моря могут медленно растворять твёрдые берега северополярного рельефа, — объясняют авторы в своём исследовании.
В течение достаточно длительного периода времени равномерная эрозия происходит с одинаковой скоростью во всех местах, создавая отчётливые морфологические особенности: береговые линии, как правило, гладкие, даже в бухтах с острыми мысами, которые их пронзают».
«Здесь мы проверяем гипотезу о том, что береговая эрозия сформировала моря Титана, исследуя, соответствуют ли формы береговой линии волновой эрозии, равномерной эрозии или отсутствию береговой эрозии», — пишут авторы.
Этот рисунок из исследования иллюстрирует, как два типа эрозии будут формировать береговые линии. Изображения основаны на смоделированных рельефах и береговых линиях Титана. A показывает начальное состояние водных объектов Титана, где реки вырезали русла, а поднявшиеся моря затопили их. В показывает морфологию, к которой привела бы волновая эрозия, где скорость эрозии зависит от силы ветра. С демонстрирует морфологию, которую создала бы эрозия, равномерная во всех местах. Тёмно-синий цвет указывает на большую глубину, а светло-жёлтый — на возвышенность.
Различия в морфологических особенностях, создаваемых волновой и равномерной эрозией, очевидны. Эрозия под действием волн имеет тенденцию сглаживать открытые участки береговой линии, где прибой велик, и сохранять береговую линию, где прибой мал, в пределах заливчиков.
Равномерная эрозия отличается от этого. Она расширяет уступы и сглаживает мелкие неровности береговой линии независимо от прибоя. Исключение составляют мысы, которые заостряются, превращаясь в толстошеие точки, торчащие в основную котловину.
«У нас были одинаковые начальные береговые линии, и мы увидели, что конечная форма при равномерной эрозии и волновой эрозии сильно отличается», — говорит соавтор исследования Тейлор Перрон, профессор факультета наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. «Все они похожи на Летающего Спагетти-монстра из-за затопленных речных долин, но два типа эрозии приводят к совершенно разным конечным точкам».
Море Лигеи — второе по величине жидкое тело на Титане. Исследователи говорят, что его береговая линия, по-видимому, изменена волновой эрозией.
«Мы обнаружили, что если береговая линия подверглась эрозии, то её форма больше соответствует эрозии под действием волн, чем равномерной эрозии или отсутствию эрозии вообще, — говорит Перрон.
Но это всего лишь моделирование, и оно должно быть тщательно проверено». Следующим шагом команды было количественное определение этих различий в реальном мире. Исследователи объясняют, что для понимания и количественной оценки различий они «разработали методику, ориентированную на локальные взаимосвязи между шероховатостью береговой линии и площадью заноса». В частности, они оценили то, что они называют «шероховатостью», чтобы отличить эрозию, вызванную волнами, от равномерной эрозии. «Проще говоря, меньшая шероховатость означает более гладкий участок береговой линии по сравнению с остальной частью озера, а большая шероховатость означает сравнительно неровный участок береговой линии», — пишут они.
На этом рисунке из исследования показаны шероховатость и площадь нагона волны для двух морей Титана: море Кракена и море Лигеи. В и D показана шероховатость для каждого моря. E и F показывают нормализованную площадь нагона волны. Ограниченный нагон волны означает, что волны продолжают расти до тех пор, пока увеличивается длина нагона волны. G и H показывают нормализованную площадь нагона волны, предполагая, что длина насыщенного нагона волны составляет 20 км. Это означает, что волны растут только до определённой длины нагона волны, а затем насыщаются. В этом случае система ограничена по насыщению, и «длина нагона волны во всех направлениях усекается до максимального значения».
Исследователи утверждают, что »…шероховатость береговой линии и нормализованная площадь нагона волны могут быть использованы для идентификации волновой и равномерной эрозии и отличия их от береговой линии, состоящей только из затопленных речных долин», как показано на первом изображении.
Итак, к чему всё это сводится?
«Наши результаты свидетельствуют о том, что береговые линии крупнейших водоёмов Титана в наибольшей степени соответствуют береговым линиям, которые были изменены волновой эрозией и разрезом рек», — пишут исследователи в своей работе. Они проанализировали четыре береговые линии и обнаружили, что вероятность равномерной эрозии в сценарии с ограничением по насыщенности составляет менее 5%, а в сценарии с ограничением по нагону волны — менее 20%. Таким образом, наиболее вероятной причиной эрозии остаётся ветровая эрозия, что, по-видимому, подтверждает, что в озёрах и морях Титана наблюдаются волны. «Таким образом, наши результаты свидетельствуют о том, что крупнейшие моря и озера не являются результатом эрозии в результате однородных процессов (т.е. растворения), как предполагалось ранее для некоторых ландшафтов Титана», — заключают авторы.
Это научный способ изложения результатов, и их статья — как часть долгого разговора с другими учёными. В пресс-релизе они излагают свои выводы более понятно для остальных.
«Основываясь на наших результатах, мы можем сказать, что если береговые линии морей Титана подверглись эрозии, то наиболее вероятным виновником этого являются волны», — говорит Перрон, профессор факультета наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. «Если бы мы могли стоять на краю одного из морей Титана, то увидели бы волны жидкого метана и этана, набегающие на берег и обрушивающиеся на побережье во время штормов. И они могли бы размывать материал, из которого состоит побережье».
«Волны повсеместно распространены в океанах Земли. Если на Титане есть волны, то они, скорее всего, доминируют на поверхности озёр, — говорит Хуан Фелипе Паниагуа-Аррояве, доцент Школы прикладных наук и инженерии Университета EAFIT в Колумбии, который не принимал участия в исследовании. — Было бы интересно увидеть, как ветры Титана создают волны, но не из воды, а из экзотических жидких углеводородов».
Следующий шаг — определить, насколько сильными должны быть ветры на Титане, чтобы вызвать эрозию берегов. Исследователи также надеются расшифровать, с каких направлений преимущественно дует ветер.
«Титан представляет собой пример совершенно нетронутой системы», — сказал Палермо. «Он может помочь нам узнать больше фундаментальных вещей о том, как происходит эрозия берегов без влияния людей, и, возможно, это поможет нам лучше управлять береговыми линиями на Земле в будущем».
