Tytan, największy księżyc Saturna, to jedyne inne ciało planetarne w Układzie Słonecznym, na którym obecnie znajdują się aktywne rzeki, jeziora i morza. Uważa się, że te nieziemskie systemy rzeczne są wypełnione ciekłym metanem i etanem, który wpływa do szerokich jezior i mórz, niektórych tak dużych jak Wielkie Jeziora na Ziemi.
Istnienie dużych mórz i mniejszych jezior na Tytanie zostało potwierdzone w 2007 roku zdjęciami wykonanymi przez należącą do NASA sondę Cassini. Od tego czasu naukowcy zagłębiają się w te i inne zdjęcia w poszukiwaniu wskazówek dotyczących tajemniczego płynnego środowiska Księżyca.
Teraz geolodzy z MIT zbadali linie brzegowe Tytana i za pomocą symulacji wykazali, że duże morza Księżyca zostały prawdopodobnie ukształtowane przez fale. Do tej pory naukowcy odkryli pośrednie i sprzeczne oznaki aktywności fal na podstawie zdalnych zdjęć powierzchni Tytana.
Zespół MIT przyjął inne podejście do badania obecności fal na Tytanie, najpierw modelując sposoby erozji jeziora na Ziemi. Następnie zastosowali swoje modelowanie do mórz Tytana, aby określić, jaka forma erozji mogła spowodować powstanie linii brzegowych na zdjęciach Cassini. Odkryli, że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem są fale.
Naukowcy podkreślają, że ich wyniki nie są ostateczne; potwierdzenie istnienia fal na Tytanie będzie wymagało bezpośrednich obserwacji aktywności fal na powierzchni Księżyca.
„Na podstawie naszych wyników możemy stwierdzić, że jeśli linie brzegowe mórz Tytana uległy erozji, najprawdopodobniej przyczyną są fale” – mówi Taylor Perron, profesor nauk o Ziemi, atmosferze i planetach Cecila i Idy Greenów w MIT. „Gdybyśmy mogli stanąć na brzegu jednego z mórz Tytana, moglibyśmy zobaczyć fale ciekłego metanu i etanu uderzające o brzeg i rozbijające się o wybrzeża podczas sztormów. Byłyby one w stanie zniszczyć materiał, z którego zbudowane jest wybrzeże. .”
Perron i jego współpracownicy, w tym pierwsza autorka Rose Palermo, była absolwentka wspólnego programu MIT-WHOI i geolog badawczy w US Geological Survey, opublikują swoje badania w nadchodzącym numerze Science Advances. Do ich współautorów należą naukowiec z MIT Jason Soderblom, były doktor habilitowany MIT Sam Birch, obecnie adiunkt na Uniwersytecie Browna, Andrew Ashton w Instytucie Oceanograficznym Woods Hole i Alexander Hayes z Cornell University.
„Przyjmij inną taktykę”
Obecność fal na Tytanie była tematem dość kontrowersyjnym, odkąd Cassini zauważyła ciała płynne na powierzchni Księżyca.
„Niektórzy ludzie, którzy próbowali zobaczyć dowody na istnienie fal, nie widzieli żadnych i twierdzili: «Te morza są gładkie jak lustro»” – mówi Palermo. „Inni twierdzili, że widzieli pewną szorstkość na powierzchni cieczy, ale nie byli pewni, czy spowodowały ją fale”.
Wiedza o tym, czy aktywność fal macierzystych na morzu Tytana może dostarczyć naukowcom informacji na temat klimatu Księżyca, na przykład siły wiatrów, które mogą wzniecać takie fale. Informacje o falach mogą również pomóc naukowcom przewidzieć ewolucję kształtu mórz Tytana w czasie.
Zamiast szukać bezpośrednich śladów cech przypominających fale na zdjęciach Tytana, Perron twierdzi, że zespół musiał „obrać inną taktykę i przekonać się, po prostu patrząc na kształt linii brzegowej, czy moglibyśmy stwierdzić, co powoduje erozję wybrzeży” .”
Uważa się, że morza Tytana powstały, gdy rosnący poziom cieczy zalał krajobraz poprzecinany dolinami rzek. Naukowcy skupili się na trzech scenariuszach tego, co mogło się wydarzyć dalej: brak erozji wybrzeża; erozja napędzana przez fale; oraz „jednolita erozja” napędzana albo przez „rozpuszczenie”, w którym ciecz biernie rozpuszcza materiał wybrzeża, albo przez mechanizm, w wyniku którego wybrzeże stopniowo odpada pod własnym ciężarem.
Naukowcy symulowali ewolucję różnych kształtów linii brzegowej w każdym z trzech scenariuszy. Aby zasymulować erozję pod wpływem fal, wzięli pod uwagę zmienną znaną jako „pobieranie”, która opisuje fizyczną odległość od jednego punktu na linii brzegowej do przeciwnej strony jeziora lub morza.
„Erozja fal wynika z wysokości i kąta fali” – wyjaśnia Palermo. „Użyliśmy pobierania do przybliżonej wysokości fali, ponieważ im większe pobieranie, tym większa odległość, na jaką może wiać wiatr i rosnąć fale”.
Aby sprawdzić, jak kształty linii brzegowej będą się różnić w trzech scenariuszach, badacze rozpoczęli od symulowanego morza z zalanymi dolinami rzecznymi na brzegach. W przypadku erozji powodowanej przez fale obliczyli odległość pobierania z każdego punktu wzdłuż linii brzegowej do każdego innego punktu i przeliczyli te odległości na wysokości fal. Następnie przeprowadzili symulację, aby zobaczyć, jak fale będą z czasem niszczyć początkową linię brzegową. Porównali to do ewolucji tej samej linii brzegowej w wyniku erozji spowodowanej równomierną erozją. Zespół powtórzył to modelowanie porównawcze dla setek różnych początkowych kształtów linii brzegowej.
Odkryli, że kształty końcowe były bardzo różne w zależności od mechanizmu leżącego u podstaw. Co najważniejsze, jednolita erozja spowodowała rozdęte linie brzegowe, które rozszerzały się równomiernie dookoła, nawet w zalanych dolinach rzek, podczas gdy erozja falowa wygładziła głównie części linii brzegowych narażonych na duże odległości, pozostawiając zalane doliny wąskie i nierówne.
„Mieliśmy te same początkowe linie brzegowe i zaobserwowaliśmy, że w przypadku jednolitej erozji w porównaniu z erozją falową uzyskujemy zupełnie inny kształt końcowy” – mówi Perron. „Wszystkie wyglądają jak latający potwór spaghetti z powodu zalanych dolin rzecznych, ale oba rodzaje erozji powodują bardzo różne punkty końcowe”.
Zespół sprawdził swoje wyniki, porównując symulacje z rzeczywistymi jeziorami na Ziemi. Odkryli tę samą różnicę w kształcie między ziemskimi jeziorami, o których wiadomo, że uległy erozji przez fale, a jeziorami dotkniętymi równomierną erozją, taką jak rozpuszczanie wapienia.
Kształt brzegu
Ich modelowanie ujawniło wyraźne, charakterystyczne kształty linii brzegowych, w zależności od mechanizmu, według którego ewoluowały. Następnie zespół zastanawiał się: gdzie w obrębie tych charakterystycznych kształtów zmieściłaby się linia brzegowa Tytana?
W szczególności skupili się na czterech największych i najlepiej odwzorowanych morzach Tytana: Kraken Mare, którego wielkość jest porównywalna z Morzem Kaspijskim; Ligeia Mare, które jest większe od jeziora Superior; Punga Mare, które jest dłuższe niż Jezioro Wiktorii; i Ontario Lacus, które jest około 20 procent wielkości swojego ziemskiego imiennika.
Zespół sporządził mapę linii brzegowych każdego morza Tytana za pomocą obrazów radarowych wykonanych przez sondę Cassini, a następnie zastosował swoje modelowanie do każdej linii brzegowej morza, aby sprawdzić, który mechanizm erozji najlepiej wyjaśnia ich kształt. Odkryli, że wszystkie cztery morza dobrze pasują do modelu erozji napędzanej falami, co oznacza, że fale utworzyły linie brzegowe najbardziej przypominające cztery morza Tytana.
„Odkryliśmy, że jeśli linie brzegowe uległy erozji, ich kształt bardziej przypomina erozję pod wpływem fal niż erozji jednolitej lub jej całkowitego braku” – mówi Perron.
Naukowcy pracują nad określeniem, jak silne muszą być wiatry na Tytanie, aby wzburzyć fale, które mogą wielokrotnie niszczyć wybrzeża. Mają także nadzieję rozszyfrować na podstawie kształtu linii brzegowych Tytana, z jakich kierunków wieje przeważnie wiatr.
„Titan przedstawia przypadek całkowicie nienaruszonego systemu” – mówi Palermo. „Mogłoby nam to pomóc dowiedzieć się bardziej fundamentalnych rzeczy na temat erozji wybrzeży bez wpływu ludzi, a być może pomoże nam to w lepszym zarządzaniu naszymi liniami brzegowymi na Ziemi w przyszłości”.
Prace te były częściowo wspierane przez NASA, National Science Foundation, USGS i Fundację Heising-Simons.