» » Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов


Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Рис. 1. Слева — реконструкция внешнего вида озера на Титане с валами по краям. Справа — мозаичное фото северной приполярной области Титана, собранное из снимков «Кассини», сделанных в ближнем ИК-диапазоне. Хорошо видны блики Солнца в углеводородных морях спутника Сатурна. Изображения с сайта en.wikipedia.org


В 2006–2007 годах зонд «Кассини» обнаружил в приполярных областях Титана, крупнейшего спутника Сатурна, обширные моря и озера, заполненные жидким метаном. Среди них выделялись небольшие озера круглой и неправильной формы с валами по краям, формирование которых изначально объясняли карстовыми процессами. Однако более точные данные о рельефе Титана, собранные «Кассини» во время последнего близкого пролета 22 апреля 2017 года, показали, что рельеф этих озер больше напоминает земные кратеры, возникшие в результате фреатических взрывов, случающихся при резком переходе подземной воды из жидкого состояния в газообразное. Основываясь на этом, авторы статьи предложили новый механизм образования таких озер — за счет взрывов в подповерхностных залежах жидкого азота, которые могли существовать на Титане в прошлые, более холодные, эпохи. При локальных потеплениях азот совершал фазовый переход из жидкости в газ, сопровождающийся резким увеличением объема. Это приводило к взрывному образованию кратеров, которые позже заполнялись жидким метаном.

Титан — единственное известное космическое тело, за исключением Земли, на поверхности которого в настоящее время существуют моря и озера. Но, в отличие от земных, они заполнены не водой, а метаном (CH4) с некоторым количеством растворенного азота (N2) и этана (C2H6) (M. Mastrogiuseppe et al., 2019. Deep and methane-rich lakes on Titan). Благодаря очень низкой температуре на поверхности Титана (около –180°C) метан близок к своей тройной точке на фазовой диаграмме, то есть может одновременно существовать в жидком, твердом и газообразном состоянии. Благодаря этой особенности на Титане происходит сложный круговорот метана, включающий в себя осадки, испарение, а также поверхностные и подповерхностные резервуары.

При картировании Титана с помощью радаров «Кассини» в приполярных регионах было обнаружено более 650 «водоемов». В основном они расположены в северном полушарии — в южном полушарии много пересохших. Самые крупные метановые моря (рис. 2), окружающие северный полюс спутника, получили имена в честь мифических морских существ — море Кракена (Kraken Mare), море Лигеи (Ligeia Mare) и море Пунги (Punga Mare). Это достаточно крупные объекты: море Кракена, площадь которого 400 000 км2, по размерам близко к Каспийскому морю, а море Пунги, ширина которого доходит до 380 км, несколько больше чем озеро Виктория. Важная деталь: у всех крупных озер и морей в районе северного полюса Титана общая эквипотенциальная поверхность, аналог уровня моря Земли. Это означает, что они все сообщаются — на поверхности или под ней.


Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Рис. 2. Моря и озера в районе северного полюса Титана. Мозаика из снимков, полученных во время разных пролетов «Кассини». Ближе всего к полюсу море Пунги, ниже и правее — море Лигеи, слева — море Кракена. Фото с сайта en.wikipedia.org


По форме бассейна различают два основных типа метановых «водоемов»: с пологими и с отвесными берегами. Пологие берега характерны для морей и крупных озер, шириной в несколько сотен километров и более. Тогда как отвесные берега являются важной отличительной чертой более мелких озер (размеры которых измеряются десятками км) с круглой или неправильной формой, заполненных метаном на разном уровне. Как показали последние измерения Кассини, 75% таких небольших озер имеют хорошо различимые возвышения вдоль кромок (рис. 3).


Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Рис. 3. Озера в районе северного полюса Титана (а) и их рельеф по данным радара (b). Синим показаны более низкие области, красным — более высокие. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience


Ранее, основываясь на морфологическом сходстве, считалось, что эти озера образовались в результате карстовых процессов. Это должно было быть очень своеобразное пещерообразование: углеводороды растворяли слой органических веществ под поверхностью Титана, кровля пещеры обваливалась, а образовавшаяся впадина заполнялась жидким метаном (Т. Cornet et al., 2015. Dissolution on Titan and on Earth: toward the age of Titan’s karstic landscapes). Однако обнаруженные валы вдоль кромок не вписываются в карстовую модель. Это обстоятельство усилило старый аргумент против нее — водяной лед, главная горная порода поверхности Титана, не растворим в углеводородах, а наблюдаемые слои растворимой органики слишком тонкие для того, чтобы смогли образоваться озера глубиной в сотню метров (A. Hayes et al., 2017. Topographic constraints on the evolution and connectivity of Titan’s lacustrine basins). Поэтому, с учетом новых данных, требуется новое объяснение формирования маленьких озер Титана. Оно было предложено международной группой ученых во главе с Джузеппе Митри (Giuseppe Mitri).

В основе предлагаемого объяснения лежит идея о подземных взрывах, связанных с переходом жидкого азота в газообразный при нагреве. Основываясь на морфологическом сходстве озер с отвесными берегами на Титане и земных мааров (рис. 4), ученые предположили, что озера образовались из-за выброса материала из-под поверхности в ходе взрывов. Маарами называют кратеры, остающиеся после фреатических взрывов. Это тип извержений, происходящих при контакте магмы или сильно нагретых пород магматической камеры с грунтовыми водами. Вода при этом быстро переходит в газообразное состояние, расширяется и, если энергии расширения хватает, пар пробивает вышележащие породы и вырывается на поверхность. У получающихся при этом форм рельефа нет конуса, характерного для иных вулканических построек, есть лишь возвышения по краям, состоящие из выброшенных пород. Маары часто бывают неправильной формы или «слипшимися» из-за близкого расположения нескольких прорывов и разрушения водными потоками.


Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Рис. 4. Маар Килбурн Хоул (Kilbourne Hole) в Техасе, США. Хорошо видны валы выброшенного материала, окружающие центральный кратер. Фото с сайта en.wikipedia.org


Обычно молодые маары имеют плоское дно ниже окружающего рельефа, отвесные внутренние стенки кромок и пологие внешние. Это описание в точности совпадает с профилями маленьких озер, которые были получены с помощью радара «Кассини». На профиле озера Виннипег (рис. 5) видны характерные рампообразные края и относительно правильной формы вогнутое дно. На основании этого авторы делают вывод, что на Титане, возможно, также происходили подповерхностные взрывы, кратеры от которых позже стали озерами. А неровная форма объясняется разрушением временными потоками жидкого азота, который по плотности близок к водяному льду и обладает большей разрушительной силой, нежели жидкий метан.


Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Рис. 5. Положение озера Виннипег (a, b) и его профиль высот (c, пунктиром обозначено дно). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience


В настоящее время жидкого азота на поверхности Титана в больших количествах не наблюдается. При средней температуре поверхности –180°C, этот спутник Сатурна слишком теплый для того, чтобы на нем могла существовать чистая азотная жидкость. Однако, в прошлом, как показывают исследования, Титан был холоднее и доминирующей жидкостью на его поверхности был не метан, а как раз азот. Известно, что за счет фотохимического разрушения под действием космических лучей время жизни метана в атмосфере Титана составляет несколько десятков миллионов лет. И основываясь на соотношении изотопов углерода 12С/13С, ученые установили, что современный метан атмосферы Титана появился в ней в среднем 107–108 лет назад, а до этого была более прохладная безметановая эпоха (S. Horst, 2017. Titan’s atmosphere and climate).

По существующим представлениям, кора Титана состоит из водяного льда газогидратов, среди которых преобладают клатраты метана. Это такие соединения, в которых молекулы газа заключены в каркасы из молекул воды, внешне напоминающие странный лед, который — в случае метана и наличия окислительной атмосферы — можно поджечь.

Предполагается, что периодическое разрушение клатратов с выбросом метана и приводит к появлению этого газа в атмосфере Титана. Однако в перерывах между этими событиями метан разрушался, его количество в атмосфере снижалось, исчезал и создаваемый им «парниковый эффект». При этом поверхностные температуры падали даже ниже 81 К (–192°C), температуры конденсации азота (R. Lorenz et al., 1997. Photochemically-driven collapse of Titan’s atmosphere). При более низких температурах круговорот метана, таким образом, сменялся на круговорот азота, как в поверхностных, так и в подповерхностных резервуарах. При небольшом локальном изменении температуры азот резко переходил из жидкого в газообразное состояние, что сопровождалось взрывом, если это происходило в неглубоком подповерхностном резервуаре.

Подобные взрывы, скорее всего, наблюдал «Вояджер-2» при пролете мимо самого большого спутника Нептуна — Тритона. Несколько гейзероподобных извержений из содержащей жидкий азот ледяной коры Тритона были вызваны наступлением теплого времени года в южном полушарии или каким-то гидротермальным прогревом (L. Soderblom et al., 1990. Triton’s geyser-like plumes: discovery and basic characterization).

Чтобы оценить возможность подобного взрыва, авторы рассчитали кривые стабильности для различных смесей (рис. 6). Смесь CH4-C2H6-N2 соответствует составу жидкости озера Виннипег, а смесь CH4-N2 представляет собой теоретическую жидкость из холодного прошлого. Видно, что в периоды похолоданий было достаточно лишь малого изменения температуры для фазового перехода. Так, для того чтобы образовать кратер глубиной в 100 метров, по оценкам авторов статьи, достаточно от 80 до 1700 м3 жидкого азота на этой глубине (объем варьируется, исходя из предполагаемой различной прочности пород кровли).


Кратерообразные озера на Титане могли образоваться из-за фреатических взрывов

Рис. 6. Диаграмма, показывающая границы между жидкостью и газом для различных смесей соединений, присутствовавших или присутствующих на поверхности Титана. Красным отмечены расчеты для современных температур, синим — для древних более холодных (слева от линий стабильна жидкая фаза, а справа — газовая). Коричневой линией показана зона стабильности клатратов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience


Сам механизм, предлагаемый авторами для образования озер в обсуждаемой статье, не является принципиально новым: ранее с его помощью объясняли явление криовулканизма. Криовулканизм — взрывные выбросы материала при низких температурах, встречается не только в космосе, но и даже на Земле. Так, например, взрыв из-за разложения клатратов метана привел к образованию очень похожей на озера Титана структуры — Ямальской воронки (см.: Ямальская воронка образовалась в результате извержения криовулкана, «Элементы», 19.09.2018). Однако факт его корректного применения к внеземному процессу и связывания криовулканизма, палеоклимата Титана и «озер с каемками» в одну геологическую историю является крайне важным. Он позволяет в будущем интерпретировать подобные структуры на других холодных планетах как следы процессов, описанных в данной статье.

Источник: Giuseppe Mitri, Jonathan I. Lunine, Marco Mastrogiuseppe & Valerio Poggiali. Possible explosion crater origin of small lake basins with raised rims on Titan // Nature Geoscience. 2019. DOI: 10.1038/s41561-019-0429-0.

Кирилл Власов


28 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Что известно ученым о метановых озерах Титана?

Титан, пожалуй, одна из самых очаровательных лун, вращающихся вокруг Сатурна сегодня. И это несмотря на то, что газовый гигант обладает самым большим количеством спутников в Солнечной системе. ...

Значительная доля земного метана образуется в толще океанической коры

Американские геохимики предложили объяснение для механизма абиогенного синтеза метана в породах земной коры океанического типа. При охлаждении содержащие кристаллы оливина породы растрескиваются, в

Есть ли жизнь на Титане?

Спутник Сатурна давно будоражит умы любителей космоса. Еще в 1950 году гений прозы и научной фантастики Курт Воннегут в романе «Сирены Титана» размышлял о жизни на спутнике газового гиганта....

Пинго, или бугры пучения

Этот необычный холм — бугор пучения на полуострове Тактояктук на северо-западе Канады. Он и еще около 1350 его «собратьев» считаются национальной достопримечательностью Канады...

Загадки Медвежьих озер

Казалось бы, что может быть загадочным в Подмосковье? Однако отправляясь в путешествие в Московскую область, следует приготовиться к тому, что можно увидеть НЛО или услышать рычание из Медвежьего

В центре Сахары 250 тысяч лет назад было гигантское озеро

С помощью радара, установленного на шаттле, удалось узнать, что в центре Сахары некогда существовали несколько больших озер. Особо отмечается одно, получившее название озеро Тушка. По своим размерам
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Шугаринг: плюсы и минусыПреимущества матрасов MatroluxeОсобенности продвижения сайтаПульмонология, лечение в АвстрииКак рождаются самые мощные магниты во ВселеннойУпавший в Коста-Рике метеорит пахнет брюссельской капустойКак заменить реальный срок на ИТРРедчайший метеор: дневные Секстантиды