Легкий ветер и гигантские волны: новая модель раскрыла тайну озер Титана и экзопланет

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) под руководством Уны Шнек и Эндрю Эштона обнаружили, что на крупнейшем спутнике Сатурна, Титане, даже легкий ветер способен поднимать волны высотой до трех метров, тогда как на экзопланете 55-Cancri e, покрытой океанами расплавленной лавы, для образования аналогичных волн требуются ураганные силы ветра. Исследование, опубликованное в журнале Journal of Geophysical Research: Planets, представляет новую волновую модель PlanetWaves, которая впервые описывает полную динамику волн в зависимости от гравитации, состава жидкости и атмосферного давления на других планетах.

В безветренный день на Земле легкий ветерок едва заметно рябит поверхность озера, но на Титане, крупнейшем спутнике Сатурна, подобный слабый ветер способен поднять волны высотой около трех метров. Это явление стало одним из ключевых предсказаний новой волновой модели PlanetWaves, разработанной учеными из Массачусетского технологического института.

Модель впервые описывает полную динамику волн и все необходимые условия для их возникновения в различных планетарных условиях. Исследование было опубликовано в журнале Journal of Geophysical Research: Planets. Команда из MIT, включающая аспирантку Уну Шнек, профессора Тейлора Перрона и научного сотрудника Эндрю Эштона (также связанного с Океанографическим институтом Вудс-Хоул), применила модель для прогнозирования поведения волн на Титане, древнем Марсе и трех экзопланетах.

Авторы подчеркивают, что на Земле люди привыкли к определенной динамике волн, но новая модель позволяет увидеть, как волны ведут себя на планетах с разными жидкостями, атмосферами и гравитацией, что бросает вызов интуиции.

Особый интерес исследователей вызывает Титан, поскольку это единственное кроме Земли тело в Солнечной системе, где в настоящее время существуют жидкие озера, заполненные легкими углеводородами, метаном и этаном. Отсутствие прямых наблюдений за поверхностью этих озер делает модель особенно ценной, так как она дает представление о том, какие волны могут там существовать. В будущем, если человечество отправит зонд для исследование озер Титана, PlanetWaves может послужить основой для проектирования волноустойчивых аппаратов, способных выдерживать энергию волн.

В основе разработки модели лежал вопрос о том, как ведут себя волны на мирах с иной гравитацией, атмосферными условиями и составом жидкостей. Предыдущие попытки предсказывать волны учитывали в основном гравитацию, но не брали в расчет такие факторы, как плотность, вязкость и поверхностное натяжение жидкости, а также атмосферное давление. Теперь ученые создали полную волновую модель, которая включает все эти параметры и позволяет предсказать, какой порыв ветра создаст едва заметную рябь, а какой и настоящие волны. Модель сначала протестировали на Земле, используя 20-летние данные измерений волн с буев на озере Верхнее, и она точно предсказала необходимую скорость ветра и высоту волн.

Применение модели к Титану дало поразительные результаты. Из-за низкой гравитации, относительно низкого атмосферного давления и легкой жидкости (жидкий метан и этан) даже легкий ветерок способен поднять огромные волны. По словам ученых, это похоже на высокие волны, движущиеся в замедленном темпе: человек на берегу почувствовал бы лишь легкий ветерок, но увидел бы большие волны, что совершенно неожиданно с точки зрения земного опыта. Для древнего Марса, где существовали водные бассейны, такие как кратер Езеро, модель показала, что по мере исчезновения атмосферы и снижения давления для образования тех же волн требовались все более сильные ветры.

При анализе экзопланет результаты также оказались разнообразными. На холодной суперземле LHS1140b, где есть жидкая вода, но более сильная гравитация, тот же ветер, что на Земле, создает гораздо меньшие волны.

На планете Kepler 1649b, похожей на Венеру, с озерами из серной кислоты (плотность которой вдвое выше плотности воды), для возникновения даже простой ряби нужны сильные ветры. Наиболее экстремальный случай — это лавовый мир 55-Cancri e, где океаны состоят из расплавленных горных пород с высокой плотностью и вязкостью. Модель предсказывает, что ураганные ветры скоростью примерно 130 км/ч создадут на этой планете лишь небольшие волны высотой в несколько сантиметров.

Разработанная модель PlanetWaves впервые позволяет комплексно предсказывать волновую активность на любом планетарном теле с жидкой поверхностью, учитывая гравитацию, свойства жидкости и атмосферное давление. Эта модель не только раскрывает неожиданные явления, такие как трехметровые волны на Титане при слабом ветре или почти полное отсутствие волн на лавовых экзопланетах, но и дает ключ к разгадке давних вопросов планетарной геологии, например, почему на Титане почти нет дельт, похожих на земные, несмотря на обилие рек и береговых линий.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях