Планетарные ученые моделируют формирование ландшафта на Титане
Наряду с Землей и Марсом, Титан является третьим планетарным телом в Солнечной системе, демонстрирующим свидетельства широко распространенной и разнообразной осадочной среды, включая озера, реки, аллювиальные конусы выноса или дельты, размытые каньоны, расчлененные плато и песчаные дюны. На Титане рыхлые твердые частицы (или отложения), вероятно, состоят из зерен мягких углеводородов, склонных к быстрому распаду в пыль.
Тем не менее, экваториальные дюны Титана были активны на протяжении нескольких сотен тысяч лет, что позволяет предположить, что какой-то механизм должен производить частицы размером с песок на этих широтах. В новом исследовании планетологи из Стэнфордского университета и Лаборатории реактивного движения НАСА изучили гипотезу о том, что сочетание истирания, когда песчинки переносятся ветром или метановыми реками, и спекания, когда они находятся в состоянии покоя, может привести к образованию песчинок, сохраняющих равновесный размер. Модель группы демонстрирует, что сезонный перенос наносов может производить песок на Титане и может объяснить распределение ландшафтов Титана.
«Наша модель добавляет объединяющую структуру, которая позволяет нам понять, как все эти осадочные среды взаимодействуют друг с другом», — сказал Матье Лапотр, исследователь Департамента геологических наук Стэнфордского университета.
«Если мы поймем, как различные части головоломки сочетаются друг с другом и их механику, тогда мы сможем начать использовать формы рельефа, оставленные этими осадочными процессами, чтобы сказать что-то о климате или геологической истории Титана — и о том, как они могут повлиять на перспективу для жизни на Титане».
Чтобы построить модель, которая могла бы имитировать формирование различных ландшафтов Титана, ученые сначала должны были решить одну из самых больших загадок об отложениях на планетарном теле: как его основные органические соединения могут трансформироваться в зерна, которые образуют различные структуры, а не просто изнашиваться и сдуваться как пыль?
На Земле силикатные породы и минералы на поверхности со временем размываются, превращаясь в зерна отложений, перемещаясь под действием ветра и ручьев и откладываясь в слоях отложений, которые в конечном итоге снова превращаются в камни.
Эти породы затем продолжают процесс эрозии, и материалы перерабатываются через слои Земли в течение геологического времени.
Исследователи планет считают, что на Титане аналогичные процессы сформировали дюны, равнины и плато, видимые из космоса.
Но в отличие от Земли, Марса и Венеры, где силикатные породы являются доминирующим геологическим материалом, из которого образуются отложения, считается, что отложения Титана состоят из твердых органических соединений.
Ученые ранее не могли продемонстрировать, как эти органические соединения могут превращаться в зерна отложений, которые можно транспортировать по ландшафтам Титана в течение геологического времени.
«По мере того, как ветер переносит зерна, они сталкиваются друг с другом и с поверхностью», — говорят ученые. «Эти столкновения имеют тенденцию уменьшать размер зерна с течением времени. Чего нам не хватало, так это механизма роста, который мог бы уравновесить это и позволить песчинкам сохранять стабильный размер во времени».
Авторы нашли 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, когда карбонат кальция вытягивается из водной толщи и прикрепляется слоями вокруг зерна, такого как кварц.
Что делает ооиды уникальными, так это их образование в результате химического осаждения, которое позволяет ооидам расти, в то время как одновременный процесс эрозии замедляет рост, поскольку зерна разбиваются друг о друга волнами и штормами.
Эти два конкурирующих механизма уравновешивают друг друга с течением времени, чтобы сформировать постоянный размер зерен — процесс, который, как предполагают исследователи, может происходить и на Титане.
«Мы смогли решить парадокс, почему на Титане так долго могли существовать песчаные дюны, несмотря на то, что материалы очень слабые», — говорят ученые.
«Мы предположили, что спекание, при котором соседние зерна сливаются в одно целое, может уравновесить истирание, когда зерна переносятся ветром».
Вооружившись гипотезой о формировании отложений, ученые использовали существующие данные о климате Титана и направлении переноса отложений ветром, чтобы объяснить его отчетливые параллельные полосы геологических образований: дюны у экватора, равнины в средних широтах и лабиринтные ландшафты возле полюсов.
Моделирование атмосферы и данные миссии «Кассини» показывают, что ветры распространены вблизи экватора, что подтверждает идею о том, что там могут образовываться менее спекающиеся и, следовательно, мелкие песчинки — критический компонент дюн.
Ученые предсказывают затишье в переносе наносов в средних широтах по обе стороны от экватора, где спекание может преобладать и создавать более крупные зерна, в конечном итоге превращаясь в коренную породу, из которой состоят равнины Титана.
Песчинки также необходимы для формирования лабиринтных ландшафтов вблизи полюсов.
Исследователи считают, что эти отчетливые утесы могут быть похожи на карсты в известняке на Земле, но на Титане они будут обрушившимися образованиями, состоящими из растворенных органических песчаников.
Речной сток и ливни гораздо чаще случаются вблизи полюсов, поэтому наносы с большей вероятностью переносятся реками, чем ветром.
Подобный процесс спекания и истирания во время речного переноса мог обеспечить местный запас крупных зерен песка — источника песчаников, которые, как считается, составляют лабиринтные ландшафты.
«Мы показываем, что на Титане у нас есть активный цикл осадконакопления, который может объяснить широтное распределение ландшафтов посредством эпизодической абразии и спекания, обусловленных сезонами Титана», — сказал Матье Лапотр.
«Очень увлекательно думать о том, что этот альтернативный мир находится так далеко, где вещи такие разные, но при этом такие похожие».
Лучшее понимание поверхности Титана может помочь определить место посадки для будущей миссии. Она будет включать в себя «Стрекозу», летающий вездеход, который должен начать исследовать этот увлекательный мир в 2034 году, и потенциальную подводную лодку, которая сможет исследовать его океаны.
Результаты были опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.