مناخ تيتان

يُشابه مناخ تيتان، أكبر أقمار زحل، مناخ الأرض في كثير من النواحي ، على الرغم من انخفاض درجة حرارة سطحه بشكل كبير. فغلافه الجوي الكثيف ، وأمطاره الميثانية ، واحتمالية حدوث البراكين الجليدية ، تُشكل نظيراً، وإن كان بمواد مختلفة، للتغيرات المناخية التي شهدتها الأرض خلال عامها الأقصر بكثير.

يتلقى تيتان ما يقارب 1% فقط من كمية ضوء الشمس التي تتلقاها الأرض. ^{[ 1 ]} يبلغ متوسط ​​درجة حرارة سطحه حوالي 90.6  كلفن (-182.55  درجة مئوية، أو -296.59  درجة فهرنهايت). ^{[ 2 ]} عند هذه الدرجة، يكون ضغط بخار الماء في جليد الماء منخفضًا للغاية، لذا فإن غلافه الجوي يكاد يخلو من بخار الماء. مع ذلك، يتسبب غاز الميثان الموجود في الغلاف الجوي في تأثير دفيئة كبير، مما يُبقي سطح تيتان عند درجة حرارة أعلى بكثير من درجة حرارة التوازن الحراري الطبيعي. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

يُساهم الضباب في غلاف تيتان الجوي في ظاهرة مُضادة للاحتباس الحراري عن طريق عكس ضوء الشمس إلى الفضاء، مما يجعل سطحه أبرد بكثير من طبقاته العليا. ^{[ 3 ]} يُعوض هذا جزئيًا عن ارتفاع درجة حرارة الاحتباس الحراري، ويُبقي السطح أبرد قليلًا مما هو مُتوقع من تأثير الاحتباس الحراري وحده. ^{[ 6 ]} ووفقًا لما ذكره ماكاي وآخرون، "يُقلل تأثير مُضاد الاحتباس الحراري على تيتان درجة حرارة السطح بمقدار 9 كلفن، بينما يزيدها تأثير الاحتباس الحراري بمقدار 21 كلفن. والنتيجة النهائية هي أن درجة حرارة السطح (94 كلفن) أعلى بمقدار 12 كلفن من درجة الحرارة الفعلية (82 كلفن). [ أي ، درجة الحرارة التي كان من الممكن الوصول إليها في غياب أي غلاف جوي]" ^{[ 3 ].}

يميل مدار تيتان بالنسبة للشمس بزاوية قريبة جدًا من ميل محور زحل (حوالي 27 درجة)، بينما ميل محوره بالنسبة لمداره يساوي صفرًا. هذا يعني أن اتجاه ضوء الشمس الساقط عليه يتحدد بشكل شبه كامل بدورة الليل والنهار على تيتان ودورة السنة على زحل. تستغرق دورة النهار على تيتان 15.9 يومًا أرضيًا، وهي المدة التي يستغرقها تيتان للدوران حول زحل. تيتان مقيد مدّيًا ، لذا فإن نفس الجزء منه يواجه زحل دائمًا، ولا توجد دورة شهرية منفصلة.

يُعزى التغير الموسمي إلى دورة زحل حول الشمس، إذ يستغرق زحل حوالي 29.5 سنة أرضية للدوران حولها، مما يُعرّض نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي لتيتان لكميات متفاوتة من ضوء الشمس خلال فترات مختلفة من السنة الزحلية. تشمل التغيرات المناخية الموسمية زيادة حجم بحيرات الهيدروكربونات في نصف الكرة الشمالي خلال فصل الشتاء، وانخفاض الضباب حول الاعتدالين نتيجة لتغيرات في دوران الغلاف الجوي، وتكوّن السحب الجليدية المصاحبة في المناطق القطبية الجنوبية. ^{[ 7 ] [ 8 ]} حدث آخر اعتدال في 11 أغسطس/آب 2009، وكان هذا الاعتدال الربيعي لنصف الكرة الشمالي، مما يعني أن نصف الكرة الجنوبي يتلقى كمية أقل من ضوء الشمس ويتجه نحو فصل الشتاء. ^{[ 9 ]}

تكون الرياح السطحية عادةً خفيفة (أقل من متر واحد في الثانية). وتشير محاكاة حاسوبية حديثة إلى أن الكثبان الرملية الضخمة من مادة تشبه السخام ، المتساقطة من الغلاف الجوي في المناطق الاستوائية، قد تكون ناتجة عن رياح عاصفة نادرة تحدث مرة كل خمسة عشر عامًا فقط عندما يكون تيتان في حالة اعتدال . ^{[ 10 ]} تُنتج هذه العواصف تيارات هوائية هابطة قوية، تتدفق شرقًا بسرعة تصل إلى 10 أمتار في الثانية عند وصولها إلى السطح. في أواخر عام 2010، أي ما يعادل أوائل فصل الربيع في نصف الكرة الشمالي لتيتان، رُصدت سلسلة من عواصف الميثان في المناطق الصحراوية الاستوائية لتيتان. ^{[ 11 ]}

بسبب مدار زحل غير المنتظم، يكون تيتان أقرب إلى الشمس بنحو 12% خلال فصل الصيف في نصف الكرة الجنوبي، مما يجعل صيف نصف الكرة الجنوبي أقصر ولكنه أكثر دفئًا من صيف نصف الكرة الشمالي. قد يُسهم هذا التباين في الاختلافات الطوبولوجية بين نصفي الكرة الأرضية، حيث يحتوي نصف الكرة الشمالي على عدد أكبر بكثير من بحيرات الهيدروكربونات. ^{[ 12 ]} تتميز بحيرات تيتان بهدوئها في الغالب، مع قلة الأمواج والتموجات؛ ومع ذلك، فقد رصدت مركبة كاسيني أدلة على ازدياد الاضطراب خلال فصل الصيف في نصف الكرة الشمالي، مما يشير إلى أن الرياح السطحية قد تشتد خلال فترات معينة من السنة التيتانية. ^{[ 13 ]} كما رصدت كاسيني الأمواج والتموجات أيضًا . ^{[ 14 ]}

تشير نتائج مسبار هيغنز إلى أن غلاف تيتان الجوي يُسقط دوريًا غاز الميثان السائل ومركبات عضوية أخرى على سطح القمر. ^{[ 15 ]} في أكتوبر 2007، لاحظ المراقبون زيادة في العتامة الظاهرية للسحب فوق منطقة زانادو الاستوائية ، مما يوحي بـ"رذاذ الميثان"، على الرغم من أن هذا لم يكن دليلًا مباشرًا على هطول الأمطار. ^{[ 16 ]} ومع ذلك، تُظهر صور لاحقة للبحيرات في نصف الكرة الجنوبي لتيتان، والتي التُقطت على مدار عام، أنها متضخمة ومملوءة بهطول أمطار هيدروكربونية موسمية. ^{[ 5 ] [ 17 ]} من المحتمل أن تكون مناطق من سطح تيتان مغطاة بطبقة من الثولينات ، لكن هذا لم يتم تأكيده. ^{[ 18 ]} يشير وجود المطر إلى أن تيتان قد يكون الجسم الوحيد في النظام الشمسي، إلى جانب الأرض، الذي يمكن أن تتشكل عليه أقواس قزح . ومع ذلك، نظرًا للعتامة الشديدة للغلاف الجوي للضوء المرئي، فإن الغالبية العظمى من أي أقواس قزح ستكون مرئية فقط في نطاق الأشعة تحت الحمراء. ^{[ 19 ]}

عدد بحيرات الميثان المرئية قرب القطب الجنوبي لتيتان أقل بكثير من عددها قرب القطب الشمالي. وبما أن القطب الجنوبي يمر حاليًا بفصل الصيف، بينما يمر القطب الشمالي بفصل الشتاء، فإن إحدى الفرضيات الناشئة تشير إلى أن الميثان يهطل على القطبين في الشتاء ويتبخر في الصيف. ^{[ 20 ]} ووفقًا لدراسة أجراها تيتسويا توكانو من جامعة كولونيا، فمن المتوقع أن تتشكل أعاصير مدفوعة بهذا التبخر، مصحوبة بأمطار ورياح عاتية تصل سرعتها إلى 20  مترًا في الثانية (45  ميلًا في الساعة)، فوق البحار الشمالية الكبيرة (بحر كراكن، وبحر ليجيا، وبحر بونغا) فقط خلال فصل الصيف الشمالي، وتستمر لمدة تصل إلى عشرة أيام. ^{[ 21 ]} وتشير الحسابات إلى أنه مع دخول نصف الكرة الشمالي، حيث تقع معظم البحيرات، فصل الصيف الطويل لتيتان، قد تزداد سرعة الرياح إلى 3  كيلومترات في الساعة، وهي سرعة كافية لتكوين أمواج. ^{[ 22 ]} رُصدت الأمواج في عدة مناسبات بواسطة رادار كاسيني ومطياف رسم الخرائط المرئية والأشعة تحت الحمراء منذ عام 2014، والتي يُرجح أنها ناتجة عن رياح الصيف ^{[ 23 ] [ 24 ]} أو تيارات المد والجزر. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

أشارت محاكاة أنماط الرياح العالمية، استنادًا إلى بيانات سرعة الرياح التي جمعها مسبار هيغنز أثناء هبوطه، إلى أن غلاف تيتان الجوي يدور في خلية هادلي هائلة واحدة . يصعد الغاز الدافئ في نصف الكرة الجنوبي لتيتان - الذي كان يشهد فصل الصيف أثناء هبوط هيغنز - ويهبط في نصف الكرة الشمالي، مما ينتج عنه تدفق غازي على ارتفاعات عالية من الجنوب إلى الشمال، وتدفق غازي على ارتفاعات منخفضة من الشمال إلى الجنوب. لا يمكن أن تتشكل خلية هادلي بهذا الحجم إلا على كوكب بطيء الدوران مثل تيتان. ^{[ 27 ]} يبدو أن خلية دوران الرياح من القطب إلى القطب تتمركز في طبقة الستراتوسفير؛ وتشير المحاكاة إلى أنها تتغير كل 12 عامًا، مع فترة انتقالية مدتها ثلاث سنوات، على مدار السنة التيتانية (30 عامًا أرضيًا). ^{[ 28 ]} تُنشئ هذه الخلية نطاقًا عالميًا من الضغط المنخفض - وهو في الواقع شكل مختلف من منطقة التقارب المداري للأرض (ITCZ). على عكس الأرض، حيث تحصر المحيطات منطقة التقارب المداري في المناطق الاستوائية، فإن هذه المنطقة على تيتان تتنقل من قطب إلى آخر، حاملةً معها سحباً ممطرة من غاز الميثان. وهذا يعني أن تيتان، على الرغم من درجات حرارته المتجمدة، يمكن القول إن مناخه استوائي. ^{[ 29 ]}

في يونيو 2012، التقطت مركبة كاسيني صورًا لدوامة قطبية دوارة فوق القطب الجنوبي لتيتان، ويعتقد فريق التصوير أنها مرتبطة بـ"غطاء قطبي" - وهي منطقة من الضباب الكثيف على ارتفاعات عالية شوهدت فوق القطب الشمالي منذ وصول المركبة في عام 2004. ومع انتقال نصفي الكرة الأرضية بين الفصول منذ الاعتدال الربيعي عام 2009، حيث يدخل القطب الجنوبي فصل الشتاء والقطب الشمالي فصل الصيف، يُفترض أن هذه الدوامة قد تُشير إلى تشكل غطاء قطبي جنوبي جديد. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

تتكون سحب تيتان، التي من المحتمل أن تكون مكونة من الميثان أو الإيثان أو مواد عضوية بسيطة أخرى، من مواد متناثرة ومتغيرة، مما يضفي لمسة مميزة على الضباب العام. ^{[ 32 ]}

في سبتمبر/أيلول 2006، التقطت مركبة كاسيني صورًا لسحابة ضخمة على ارتفاع 40  كيلومترًا فوق القطب الشمالي لتيتان. ورغم أن غاز الميثان معروف بتكثفه في غلاف تيتان الجوي ، إلا أن السحابة كانت على الأرجح سحابة إيثان، نظرًا لأن حجم الجسيمات المرصودة كان يتراوح بين 1 و3 ميكرومترات فقط ، كما أن الإيثان قادر على التجمد عند هذه الارتفاعات. وفي ديسمبر/كانون الأول، رصدت كاسيني مجددًا غطاءً سحابيًا، واكتشفت وجود الميثان والإيثان ومواد عضوية أخرى. بلغ قطر السحابة أكثر من 2400  كيلومتر، وظلت مرئية خلال تحليق لاحق بعد شهر. إحدى الفرضيات المطرية هي أن الأمطار (أو الثلوج، إذا انخفضت درجة الحرارة بما يكفي) تهطل حاليًا على القطب الشمالي؛ إذ إن التيارات الهابطة في خطوط العرض الشمالية العليا قوية بما يكفي لدفع الجسيمات العضوية نحو السطح. كانت هذه أقوى الأدلة حتى الآن على وجود دورة "الميثانول" المفترضة منذ زمن طويل (المشابهة لدورة الماء على الأرض ) على تيتان. ^{[ 33 ]}

رُصدت السحب أيضًا فوق منطقة القطب الجنوبي. وبينما تُغطي عادةً 1% من قرص تيتان، لوحظت أحداث انفجارية تتوسع فيها نسبة غطاء السحب بسرعة لتصل إلى 8%. تفترض إحدى الفرضيات أن السحب الجنوبية تتشكل عندما تُولّد المستويات المرتفعة من ضوء الشمس خلال صيف تيتان ارتفاعًا في الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تيارات الحمل الحراري . ويتعقد هذا التفسير نظرًا لرصد تشكل السحب ليس فقط بعد الانقلاب الصيفي، بل أيضًا في منتصف الربيع. ويُحتمل أن تُساهم زيادة رطوبة الميثان عند القطب الجنوبي في الزيادة السريعة في حجم السحب. ^{[ 34 ]} كان الصيف سائدًا في نصف الكرة الجنوبي لتيتان حتى عام 2010، عندما أدى مدار زحل، الذي يُحدد حركة القمر، إلى إمالة نصف الكرة الشمالي نحو الشمس. ^{[ 27 ]} ومع تغير الفصول، يُتوقع أن يبدأ الإيثان بالتكثف فوق القطب الجنوبي. ^{[ 35 ]}

تشير نماذج بحثية تتوافق بشكل جيد مع الملاحظات إلى أن السحب على تيتان تتجمع عند إحداثيات مفضلة، وأن الغطاء السحابي يختلف باختلاف المسافة من السطح في أجزاء مختلفة من القمر. في المناطق القطبية (فوق خط عرض 60 درجة )، تظهر سحب الإيثان واسعة الانتشار ودائمة في طبقة التروبوسفير وفوقها؛ أما عند خطوط العرض المنخفضة، فتوجد سحب الميثان بشكل رئيسي بين 15 و18  كيلومترًا، وهي أكثر تفرقًا وتمركزًا. في نصف الكرة الصيفي، يبدو أن سحب الميثان الكثيفة والمتكررة، وإن كانت متفرقة، تتجمع حول خط عرض 40 درجة. ^{[ 28 ]}

تكشف الملاحظات الأرضية أيضًا عن تغيرات موسمية في الغطاء السحابي. فعلى مدار مدار زحل الذي يستغرق 30 عامًا، تظهر أنظمة السحب على تيتان لمدة 25 عامًا، ثم تتلاشى لمدة أربع إلى خمس سنوات قبل أن تعود للظهور مرة أخرى. ^{[ 33 ]}

رصدت مركبة كاسيني أيضاً سحباً بيضاء من نوع السحب الرقيقة على ارتفاعات عالية في الغلاف الجوي العلوي لتيتان، والتي من المحتمل أن تكون مكونة من غاز الميثان. ^{[ 37 ]}

على الرغم من عدم رصد أي دليل على نشاط البرق على تيتان حتى الآن، تشير النماذج الحاسوبية إلى أن السحب في الطبقة السفلى من التروبوسفير القمري قادرة على تجميع شحنات كافية لتوليد البرق من ارتفاع يقارب 20  كيلومترًا. ^{[ 38 ]} من شأن وجود البرق في غلاف تيتان الجوي أن يُسهّل إنتاج المواد العضوية. لم يرصد مسبار كاسيني أي برق في غلاف تيتان الجوي، ^{[ 39 ]} مع ذلك، قد يكون البرق موجودًا إذا كان ضعيفًا جدًا بحيث لا يمكن رصده. ^{[ 40 ]} أظهرت محاكاة حاسوبية حديثة أنه في ظل ظروف معينة ، قد تتشكل تفريغات شرارية ، وهي المراحل المبكرة لتفريغات البرق، على تيتان. ^{[ 41 ]}

• دراغون فلاي - مهمة مخططة إلى سطح تيتان تتضمن طائرة هليكوبتر آلية
• بحيرات تيتان
• الحياة على تيتان
• سداسي زحل