Титан — спутник Сатурна, который во многом очень похож на нашу планету. Это единственная луна в Солнечной системе с плотной атмосферой, которая обеспечивает ряд погодных явлений, таких как осадки, питающие реки и озера. Пейзажи на поверхности могут показаться нам знакомыми, но на Титане все состоит совсем из иных веществ. Реки и озера заполнены жидким метаном, а азотные ветры строят углеводородные дюны.
Титан — единственное тело в нашей Солнечной системе, которое, как известно, имеет сезонный цикл переноса жидкости, аналогичный земному. Новая модель, опубликованная в журнале Geophysical Research Letters (DOI: 10.1029/2021GL097605), показывает, как этот сезонный цикл способствует формированию дюн, равнин и других особенностей ландшафта Титана.
Присутствие таких материалов, как жидкий метан, чьи механические свойства сильно отличаются от свойств веществ на основе силикатов, из которых состоят другие известные тела в нашей Солнечной системе, делает формирование ландшафта Титана загадочным. Изучая процесс, с помощью которого вещества на основе углеводородов могут образовывать песчинки или камни в зависимости от силы ветра и течения, геолог Стэнфордского университета Матье Лапотр и его команда продемонстрировали, как могут формироваться отличительные песчаные дюны и равнины Титана.
«Наша модель создает единую структуру, которая позволяет нам понять, как все эти осадочные среды взаимодействуют друг с другом, — сказал Лапотр, доцент кафедры геолого-геофизических наук Стэнфордской школы наук о Земле, энергетике и окружающей среде. — Если мы поймем, как кусочки головоломки сочетаются друг с другом и какова их механика, мы сможем начать использовать формы рельефа, оставленные этими процессами осадконакопления, чтобы рассказать что-то о климате Титана или геологической истории и о том, как они могли повлиять на перспективы жизни на Титане», — добавляет ученый.
Пейзажи Титана
Чтобы построить модель, которая могла бы имитировать формирование различных ландшафтов Титана, Лапотр и его коллеги сначала должны были решить одну из самых больших загадок осадконакопления на Титане: как основные органические соединения, которые намного более хрупкие, чем неорганические силикатные зерна на Земле, могут превращаться в крупинки, образующие отдельные структуры, а не только развеиваться в виде пыли на ветру.
На Земле силикатные породы и минералы со временем превращаются в зерна отложений, переносимые ветром и водой. Затем они попадают в осадочные слои, которые в конечном итоге - под давлением, а иногда и при нагревании - превращают их обратно в горную породу. Затем горные породы продолжают разрушаться, а материалы перерабатываются, и процесс повторяется.
Ученые считают, что на Титане в результате подобных процессов образовались дюны, равнины и лабиринты, видимые из космоса. Однако, в отличие от Земли, Марса и Венеры, где силикатные породы являются преобладающим геологическим материалом, из которого образуются отложения, считается, что отложения Титана состоят из твердых органических соединений. Ученые до сих пор не смогли продемонстрировать, как эти органические соединения могут быть преобразованы в зерна ила.
«Когда ветер переносит зерна, они сталкиваются друг с другом и с разными поверхностями. Эти столкновения обычно уменьшают размер зерна. Нам не хватало механизма роста, чтобы сбалансировать это и позволить песчинкам оставаться стабильными с течением времени», — объясняет Лапотр.
Ооиды
Исследовательская группа нашла ответ, изучив отложения на Земле, называемые ооидами, которые представляют собой небольшие сферические зерна, чаще всего встречающиеся в мелководных тропических морях, например, вокруг Багамских островов. Ооиды образуются в результате химического осаждения карбоната кальция, который прилипает к зернам, таким как кварц, и образует концентрическую оболочку. Одновременный процесс эрозии замедляет их рост, поскольку зерна сталкиваются друг с другом волнами и штормами. Эти два конкурирующих механизма со временем уравновешивают друг друга, создавая зерна постоянного размера — около 2 миллиметров в диаметре. Исследователи предполагают, что этот процесс может иметь место и на Титане.
«Нам удалось разрешить парадокс, почему песчаные дюны на Титане могли существовать так долго, несмотря на то, что материалы, из которых они сделаны, очень непрочны, — говорит Лапотр. — Мы выдвинули гипотезу, что процесс соединения соседних зерен в единое целое может уравновесить истирание, когда ветер или жидкость разносят зерна» — поясняет он.
Лапотр и его команда, выдвинув гипотезу образования отложений, использовали существующие данные о климате Титана и направлении переноса ветра, чтобы объяснить существование различных параллельных геологических образований: песчаных дюн вблизи экватора, равнин средних широт и странных лабиринтов, образовавшихся вблизи полюса.
Моделирование атмосферы и данные миссии «Кассини» показывают, что ветер часто возникает вблизи экватора, что подтверждает мнение о том, что процесс слияния зерен может быть медленнее в этом регионе, что, в свою очередь, допускает любое образование мелких песчинок — ключевого компонента дюн. Авторы исследования предсказывают замедление переноса наносов в средних широтах по обе стороны от экватора, где процесс агрегации может преобладать и образовывать все более крупные зерна, которые в конечном итоге превратятся в горную породу, образующую равнины Титана.
Песчинки также необходимы для образования запутанных участков вблизи полюсов. Ученые считают, что эти отчетливые скалы могут напоминать известняковые карсты на Земле. Однако на Титане это воронки из растворенного органического песчаника. Грозы гораздо чаще случаются вблизи полюсов, поэтому дюны с большей вероятностью переносятся реками, чем ветром. Подобный процесс агрегации частиц и истирания при речном транспорте может обеспечить поступление более крупных зерен - источника песчаника, из которого построены эти участки.
«Мы показываем, что на Титане, а также на Земле и Марсе у нас есть активный цикл осадконакопления, который может объяснить широтное распределение ландшафтов посредством эпизодической абразии и слияния зерен, вызванных сезонами на Титане», — говорит Лапотр. Удивительно думать, что так далеко существует альтернативный мир, где все так отличается и в то же время так похоже», — добавляет он.
