Новое исследование объясняет, как образуются пузырьки в холодных углеводородных озерах на крупнейшем спутнике Сатурна Титане, потенциально создавая шипение, достаточно интенсивное, чтобы сформировать геологические особенности на нем.
Титан покрыт углеводородными озерами, состоящими из метана и этана. Ученые заметили яркие пятна в этих озерах, которые появились на некоторых снимках с космического корабля Cassini НАСА и таинственно исчезли на других. Позже они предположили, что эти «волшебные пятна» могут быть всплесками пузырьков азота.
В новом исследовании, опубликованном в журнале AGU Geophysical Research Letters, исследователи моделировали озера Титана в герметичной камере. Они обнаружили, что правильное сочетание метана, этана и азота имеет решающее значение для образования пузырьков.
В условиях, наиболее похожих на те, что на Титане, исследователи обнаружили, что этан должен стекать в бассейны, наполненные метаном, чтобы образовать энергичные пузырьки. Возможно, эти пузырьковые вспышки достаточно сильны, чтобы сформировать дельты рек на Титане, согласно новому исследованию.
Объяснение того, как пузырьки образуются в озерах Титана, позволяет ученым начать изучать фундаментальные вопросы о том, как жидкости ведут себя на Луне. Из всех тел в нашей Солнечной системе немногие более похожи на Землю, чем на Титан, и это одно из немногих мест, где, по мнению ученых, могут быть условия, необходимые для внеземной жизни.
Результаты также намекают на сценарии, с которыми исследовательская подводная лодка могла бы столкнуться в озерах Титана, если бы космический корабль испускал тепло и потенциально искрил взрыв пузырьков.
«Чем больше мы узнаем о Титане, тем больше мы понимаем, что мы не можем игнорировать его озера», - сказала Кендра Фарнсворт, планетолог из Университета Арканзаса в Фейетвилле и ведущий автор нового исследования. «И мы находим забавные вещи, такие как пузыри, за которыми интересно наблюдать".
Титан - единственная луна в нашей солнечной системе, которая имеет атмосферу. Его воздух состоит в основном из азота - элемента, который также формирует основную часть атмосферы Земли, - и углеводородов, которые образуют толстый мутный слой, скрывающий многие особенности его поверхности.
Облака Титана извергают углеводородные дожди в форме метана и этана. На Земле метан - это газ, используемый для отопления, приготовления пищи и электричества, также этан является предшественником полиэтиленового пластика.
Однако температура на Титане достаточно низкая, чтобы эти соединения были жидкостями. Там углеводороды циркулируют в атмосфере так же, как вода на Земле. Жидкие метановые и этановые озера покрывают поверхность Титана, что делает его единственным другим телом в нашей солнечной системе, кроме Земли, на поверхности которого могут стабильно находиться жидкости.
Предыдущая работа показала, что газообразный азот из атмосферы Титана может легко раствориться в холодных бассейнах с высокими концентрациями метана, также как и углекислый газ в соде. При нагревании жидкость выделяет газообразный азот в виде шипучих пузырьков.
Но эти эксперименты не полностью имитировали природную среду на Титане. Они также не объяснили, какие условия могут вызвать вспенивание озер, хотя исследователи подозревали, что это происходит во время проливных дождей или когда поток впадает в озеро.
«Озера Титана имеют очень интересную динамику», - сказал Фарнсворт. «Они не просто неподвижные жидкие тела».
Чтобы определить, как этан, метан и азот могут образовать пузырьки на Титане, Фарнсворт и ее коллеги провели эксперименты в герметичной камере высотой 1,8 метра, имитирующей условия на Луне. Внутри они установили атмосферное давление в 1,5 бар, что в 1,5 раза выше, чем у Земли на уровне моря, и температура колебалась от -190 по Цельсию (-310 по Фаренгейту) до -179 по Цельсию (-290 по Фаренгейту).
Исследователи позволили одной жидкости течь в чашу для образцов, содержащую бассейн другой. Затем исследователи охладили внутреннюю часть камеры до температуры выше или ниже -187 по Цельсию (-305 по Фаренгейту), чтобы позволить азоту раствориться. В одном из экспериментов этан попал в пруды с метаном. В другом метан попал в этан. Затем команда постепенно разогревала камеру и ждала появления пузырей.
Два сценария привели к пузырям. При температуре ниже -187 по Цельсию, этан наслаивали сверху на богатый азотом метан, независимо от того, в каком порядке их выливали в чашу Петри. Когда температура повышалась, метан под ним начал пениться, и когда слои растворялись, пузырьки достигали поверхности.
Если температура в камере была выше -187 по Цельсию, когда исследователи добавили жидкости, метан, поступающий в этан, не давал пены. Только этан, протекающий в пулы метана, создавал пузыри - и делал это принудительно.
«Самым удивительным было то, насколько сильными были взрывы», - сказал Фарнсворт. Во время одного эксперимента выброс пузырьков был настолько сильным, что повлиял на оборудование. «Как только я обернулся, взорвался большой пузырь и чуть не повредил мою камеру», - вспоминает он.
Новые результаты показывают, что изменения температуры и состава имеют решающее значение для образования пузырьков в озерах Титана.
Пузырьки вспыхивают, когда текучий этан смешивается с метаном, перенасыщенным азотом. Это означает, что метан содержит больше растворенного азота, чем позволяют нормальные условия. Когда метан нагревается, он может содержать меньше растворенного азота, который выделяется в виде газа. Согласно исследованию, смесь должна содержать от 40 до 95 процентов метана для образования пузырьков.
Это почти как делать леденцы. Когда кипящая вода пересыщена сахаром — или содержит больше сахара, чем обычно может быть растворено — кристаллы образуются на куске покрытой сахаром, когда жидкость остывает.
По словам Фарнсворта, эксперименты при более высоких температурах, скорее всего, имитируют то, что происходит на поверхности Титана, потому что самые низкие температуры Луны опускаются до -184 по Цельсию (-299 по Фаренгейту).
По информации https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20191204180439
Обозрение "Terra & Comp".
