[Перевод] Экспериментальная радарная техника раскрыла состав морей Титана
На этой цветной мозаике, полученной с помощью космического аппарата НАСА «Кассини», представлен наиболее полный вид северной части Титана, покрытой озёрами и морями. Спутник Сатурна Титан — единственный мир в нашей Солнечной системе, кроме Земли, на поверхности которого есть стабильная жидкость. Жидкость в озёрах и морях Титана состоит в основном из метана и этана. Новые данные бистатического радара с «Кассини» раскрывают ещё больше деталей об углеводородных морях Титана.
Миссия «Кассини-Гюйгенс» к Сатурну собрала так много данных, что оценить их значимость невозможно. Достаточно сказать, что объём их огромен и что их генерировали многочисленные научные приборы. Одним из таких приборов был радар, предназначенный для того, чтобы видеть сквозь толстую атмосферу Титана и получить научный взгляд на необычную поверхность спутника.
Учёные до сих пор продолжают делать новые открытия, используя все эти данные.
Хотя у Сатурна почти 150 известных спутников, Титан привлекает почти всё внимание учёных. Это самый большой спутник Сатурна и второй по величине в Солнечной системе. Но именно поверхность Титана выделяет его среди других. Это единственный объект в Солнечной системе, помимо Земли, на поверхности которого есть жидкость.
Радарный прибор «Кассини» имеет два основных режима работы: активный и пассивный. В активном режиме он отражал радиоволны от поверхностей и измерял, что отражается обратно. В пассивном режиме он измерял волны, излучаемые Сатурном и его спутниками. Оба эти режима называются статическими.
Но у «Кассини» был и третий режим, называемый бистатическим, который использовался более ограниченно. Он был экспериментальным и использовал научную радиоподсистему (RSS) для отражения сигналов от поверхности Титана. Вместо того чтобы возвращаться к датчикам космического аппарата, сигналы отражались обратно на Землю, где их принимали на одной из станций Deep Space Network (DNS) НАСА. Важно, что после отражения от поверхности Титана сигнал разделялся на два, отсюда и название «бистатический».
Группа исследователей использовала бистатические данные «Кассини», чтобы узнать больше об углеводородных морях Титана. Их работа «Свойства поверхности морей Титана, выявленные в ходе бистатических радарных экспериментов миссии Cassini» опубликована в журнале Nature Communications. Валерио Поджиали, научный сотрудник Корнельского центра астрофизики и планетологии, является ведущим автором.
На этой схеме показано, как работает бистатический радарный эксперимент «Кассини». Орбитальный аппарат использовал свою радиотехническую подсистему для передачи сигналов на поверхность Титана. Затем сигналы отражались от Титана к Земле, где их принимал один из приёмников DNS в Канберре, Голдстоуне или Мадриде. Сигналы имеют правую циркулярную поляризацию (RCP) или левую циркулярную поляризацию (LCP).
Сигналы, которые достигают DNS, поляризованы, что позволяет получить больше информации об углеводородных морях на Титане. В то время как радарный прибор «Кассини» показывает глубину морей, данные бистатического радара рассказывают исследователям как об их составе, так и о текстуре поверхности.
Это хорошо известное изображение углеводородных морей на Титане было получено с помощью радара на «Кассини». Данные радара позволили определить глубину морей. Новые бистатические радарные данные позволяют узнать больше о составе и текстуре поверхности морей.
«Главное отличие, — говорит Поджиали, — заключается в том, что бистатическая информация является более полным набором данных и чувствительна как к составу отражающей поверхности, так и к её шероховатости».
Экспериментальный бистатический радар потребовал тщательной совместной работы учёных.
Филип Николсон, профессор кафедры астрономии в Корнелле, является одним из соавторов исследования. Успешное проведение эксперимента с бистатическим радаром требует тонкой хореографии между учёными, которые его разрабатывают, планировщиками и навигаторами миссии «Кассини», а также командой, которая собирает данные на приёмной станции», — говорит Николсон.
Эти результаты основаны на данных бистатического радара, полученных в ходе четырёх пролётов «Кассини» в период с 2014 по 2016 год. В этой работе исследователи сосредоточились на трёх крупных морях на поверхности полярных областей Титана: моря Кракена, моря Лигеи и моря Пунги.
Данные бистатического радара позволили получить новую информацию об этих трёх морях. Хотя все они являются углеводородными морями, их состав варьируется в зависимости от широты и близости к другим объектам, таким как эстуарии и реки. Бистатический радар измерил диэлектрическую проницаемость морей Титана. Диэлектрическая проницаемость — это способность материала накапливать электрическую энергию. В практическом смысле это показатель отражательной способности поверхности, что позволяет определить её состав. Диэлектрическая проницаемость земной воды составляет около 80. У метановых и этановых морей Титана диэлектрическая проницаемость составляет всего 1,7. Самая южная область моря Кракена имеет самую высокую диэлектрическую проницаемость.
На этом изображении из исследования показаны полярные области Титана с обозначением трёх крупных морей. Цветовой ключ справа и текст на изображении показывают диэлектрические константы различных регионов. Белые линии, обозначенные T101, T102, T106 и T124, — это четыре пролёта.
Данные бистатического радара также показали, что во время четырёх пролётов поверхность всех трёх морей была спокойной. Волны не превышали 3,3 мм, около 0,13 дюйма. Вблизи эстуариев, проливов и прибрежных зон волны были немного больше: 5,2 мм или 0,2 дюйма. Они настолько малы, что едва ли заслуживают названия «волна».
Это изображение из исследования похоже на предыдущее, но вместо диэлектрической проницаемости показывает высоту волны.
Данные бистатического радара также показали состав некоторых рек, впадающих в моря.
«У нас также есть признаки того, что реки, питающие моря, являются чистым метаном, — сказал Поджиали, — пока они не впадают в открытые жидкие моря, которые более богаты этаном. Это похоже на то, как на Земле пресноводные реки впадают в солёную воду океанов и смешиваются с ней».
Эти результаты согласуются с научными моделями углеводородных морей и плотной атмосферы Титана. Модели показывают, что метан выпадает дождём из атмосферы Титана, а затем стекает в его озера и моря. Они также показывают, что дождь содержит лишь незначительное количество этана и других углеводородов и почти полностью состоит из метана.
«Это хорошо согласуется с метеорологическими моделями Титана, — сказал Николсон, — которые предсказывают, что «дождь», падающий с его неба, скорее всего, представляет собой почти чистый метан, но со следами этана и других углеводородов».
Миссия «Кассини» очень поучительна для будущих миссий. Несмотря на то, что в 2017 году она завершила свою миссию, погрузившись в Сатурн, учёные продолжают делать новые открытия благодаря огромному массиву данных. То же самое будет происходить и с такими миссиями, как «Юнона», когда они завершатся.
Исследователи, создавшие эту работу, говорят, что из всех данных «Кассини» можно извлечь ещё много полезного.
«Существует целый кладезь данных, которые ещё предстоит полностью проанализировать, чтобы сделать ещё больше открытий», — говорит Поджиали. «Это только первый шаг».
