Ученые моделируют формирование ландшафта на Титане, открывая похожий на Землю инопланетный мир
AstroNews.ru - 26 Апреля 2022 14:39:40
Луна Сатурна Титан из космоса очень похожа на Землю: реки, озера и моря. Хотя эти пейзажи могут показаться знакомыми, они состоят из материалов, которые, несомненно, отличаются - потоки жидкого метана обтекают ледяную поверхность Титана, а азотные ветры создают углеводородные песчаные дюны.
Присутствие этих материалов, чьи механические свойства значительно отличаются от свойств силикатных веществ, из которых состоят другие известные осадочные тела в нашей Солнечной системе, делает формирование ландшафта Титана загадочным. Выявив процесс, позволяющий веществам на основе углеводородов формировать песчинки или коренные породы в зависимости от того, как часто дуют ветры и текут ручьи, геолог Стэнфордского университета Матье Лапотр и его коллеги показали, как на Титане могут формироваться дюны, равнины и лабиринты.
Титан, который является целью для космических исследований из-за его потенциальной пригодности для обитания, - единственное тело в нашей Солнечной системе, на котором сегодня существует сезонный цикл переноса жидкости, подобный земному. Новая модель, опубликованная 25 апреля в журнале Geophysical Research Letters, показывает, как этот сезонный цикл управляет движением зерен по поверхности луны.
"Наша модель добавляет объединяющую основу, которая позволяет нам понять, как все эти осадочные среды работают вместе", - сказал Лапотр, доцент геологических наук в Стэнфордской школе наук о Земле, энергии и окружающей среде. "Если мы поймем, как различные части головоломки сочетаются друг с другом и какова их механика, тогда мы сможем начать использовать формы рельефа, оставленные этими осадочными процессами, чтобы сказать что-то о климате или геологической истории Титана - и как они могут повлиять на перспективы жизни на Титане".
Недостающий механизм
Чтобы построить модель, способную имитировать формирование различных ландшафтов Титана, Лапотр и его коллеги сначала должны были решить одну из самых больших загадок, связанных с осадочными породами на планете: Как основные органические соединения, которые считаются гораздо более хрупкими, чем неорганические силикатные зерна на Земле, могут превратиться в зерна, которые образуют четкие структуры, а не просто разрушаются и разлетаются в пыль?
На Земле силикатные породы и минералы на поверхности со временем выветриваются и превращаются в зерна осадочных пород, перемещаются ветрами и потоками, откладываются в слои осадочных пород, которые в конечном итоге под воздействием давления, подземных вод, а иногда и тепла снова превращаются в породы. Затем эти породы продолжают процесс эрозии, и материалы перерабатываются в слои Земли в течение геологического времени.
На Титане, по мнению исследователей, аналогичные процессы сформировали дюны, равнины и лабиринты, видимые из космоса. Но в отличие от Земли, Марса и Венеры, где преобладающим геологическим материалом, из которого образуются осадки, являются силикатные породы, осадки Титана, как полагают исследователи, состоят из твердых органических соединений. Ученые пока не смогли показать, как эти органические соединения могут превратиться в зерна осадочных пород, которые могут переноситься по ландшафтам луны и в течение геологического времени.
"Когда ветры переносят зерна, они сталкиваются друг с другом и с поверхностью. Эти столкновения имеют тенденцию к уменьшению размера зерен с течением времени. Нам не хватало механизма роста, который мог бы уравновесить это и позволить песчинкам сохранять стабильный размер в течение времени", - сказал Лапотр.
Инопланетный аналог
Исследовательская группа нашла ответ, изучив земные отложения, называемые ооидами, которые представляют собой небольшие сферические зерна, чаще всего встречающиеся в мелких тропических морях, например, в районе Багамских островов. Ооиды образуются, когда карбонат кальция вытягивается из толщи воды и прикрепляется слоями вокруг зерен, например, кварца.
Уникальность ооидов заключается в том, что они образуются путем химического осаждения, что 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 со временем уравновешивают друг друга, образуя зерна постоянного размера - процесс, который, как предполагают исследователи, может происходить и на Титане.
Мы смогли разрешить парадокс, почему песчаные дюны на Титане могли существовать так долго, несмотря на то, что материалы очень слабые", - сказал Лапотр. "Мы предположили, что спекание, при котором соседние зерна сплавляются в один кусок, может уравновешивать абразивный износ, когда ветры переносят зерна".
Глобальные ландшафты
Вооружившись гипотезой об образовании осадочных пород, Лапотр и соавторы исследования использовали существующие данные о климате Титана и направлении переноса осадочных пород ветром для объяснения отдельных параллельных полос геологических образований: дюн вблизи экватора, равнин в средних широтах и лабиринтов вблизи полюсов.
Моделирование атмосферы и данные миссии "Кассини" показывают, что вблизи экватора часто дуют ветры, что подтверждает идею о том, что там меньше спекается и, следовательно, образуются мелкие песчинки - важнейший компонент дюн. Авторы исследования предсказывают затишье в переносе осадочных пород в средних широтах по обе стороны от экватора, где спекание может преобладать и создавать все более крупные зерна, которые в конечном итоге превратятся в коренные породы, из которых состоят равнины Титана.
Песчинки также необходимы для формирования лабиринтов лунных рельефов вблизи полюсов. Исследователи считают, что эти отчетливые скалы могут быть похожи на карсты в известняке на Земле, но на Титане они представляют собой обвалы из растворенных органических песчаников. Речные потоки и ливни гораздо чаще происходят вблизи полюсов, поэтому отложения чаще переносятся реками, чем ветрами. Аналогичный процесс спекания и истирания во время речного транспорта может обеспечить местное снабжение крупными песчинками - источником песчаников, из которых, как считается, состоят лабиринты.
"Мы показываем, что на Титане - как и на Земле, и как раньше было на Марсе - существует активный цикл осадконакопления, который может объяснить широтное распределение ландшафтов эпизодическим истиранием и спеканием, обусловленным сезонами на Титане", - сказал Лапотр. "Очень увлекательно думать о том, что существует альтернативный мир так далеко снаружи, где все так отличается, но в то же время так похоже".