Титан — планета в плену гиганта

Титан — крупнейший спутник Сатурна и второй, после Ганимеда, в Солнечной системе. Впрочем, если измерять Титан вместе с его атмосферой, то он оказывается больше Ганимеда. По всем своим параметрам Титан наиболее близок к нормальным планетам: размером он превосходит Меркурий, его плотная атмосфера толще, чем у Земли, а поверхность — в географическом смысле — почти такая же живая, как у нашей планеты.

Рис. 8.11. Межпланетный зонд «Кассини» во время испытаний в Космическом центре.

Наземные наблюдения еще до начала космической эры показали, что Титан имеет плотную атмосферу; по сути, это единственная планета-спутник с полноценной атмосферой. Пролетая в 1981 г. через систему Сатурна, «Вояджер-2» обнаружил, что основной компонент атмосферы Титана — азот (N₂); в ней присутствуют также метан (CH₄) и другие углеводороды. Данные космического телескопа «Хаббл» и наземных телескопов позволили в 1995 г. заподозрить существование на поверхности Титана значительных площадей, покрытых жидким метаном. Но подтвердилось существование этих углеводородных озер лишь после того, как к интенсивным исследованиям приступил первый искусственный спутник Сатурна — «Кассини», с борта которого 14 января 2005 г. на поверхность Титана опустился зонд «Гюйгенс». Экспедиция «Кассини — Гюйгенс», организованная NASA, ESA (Европейским космическим агентством) и ASI (Итальянским космическим агентством), началась 15 октября 1997 г., но лишь в середине 2004 г. аппарат прибыл в систему Сатурна и приступил к работе (см. с. 16 цветной вкладки).

Рис. 8.12. Сборка зонда «Гюйгенс» на предприятии Daimler-Benz Aerospace. Над зондом — тепловой экран, защищающий его при входе в атмосферу Титана.

Титан без малого вдвое массивнее Луны и наполовину больше нее. Поэтому на его поверхности сила тяжести почти лунная: она в 7 раз меньше земной (на Луне — в 6 раз). Вторая космическая скорость на поверхности Титана — 2,6 км/с, на Луне — 2,4 км/с, однако взлетать с Титана будет намного сложнее, чем с Луны: помешает плотная атмосфера. Состав атмосферы Титана известен теперь детально: у поверхности 95% азота и около 5% метана, а в стратосфере 98,4% азота и 1,4% метана. Давление у поверхности в 1,45 раза выше нормального атмосферного давления на Земле. Но если вспомнить, что сила тяжести там в 7 раз меньше, чем у нас, то ясно, что масса газового столба над единицей поверхности Титана в 10 раз больше, чем на Земле. Поскольку размер Титана в 2,5 раза меньше земного, площадь его поверхности меньше земной примерно в 6 раз, а значит, полная масса атмосферы Титана в 1,5 раза больше массы земной атмосферы! Вероятно, поэтому на поверхности Титана очень мало метеоритных кратеров: мелкие метеориты тормозятся и разрушаются в атмосфере, а следы падения крупных быстро уничтожаются дождями и ветром.

Рис. 8.13. Поверхность Титана, сфотографированная зондом «Кассини» 26 октября 2004 г. с расстояний от 300 тыс. до 650 тыс. км. Это мозаика из 9 лучших снимков, наиболее четко демонстрирующих детали поверхности, не закрытые в момент съемки облаками и туманом. Наилучшее разрешение в центре диска (координаты — 15° ю. ш. и 156° з. д.) — 2 км/пиксел. Внизу отчетливо видны яркие облака вблизи южного полюса. Правее центра — светлая область Ксанаду, левее и выше центра — темная область Шангрила.

Мощная и чрезвычайно протяженная атмосфера Титана облегчила посадку на него космического аппарата. Отделившись от «Кассини», зонд «Гюйгенс» три недели двигался в сторону Титана в дремлющем состоянии, а затем стал готовиться к спуску. Посадка «Гюйгенса» на Титан — уникальная операция; вот ее основные этапы (часы:минуты по среднеевропейскому времени):

06:51 — включается электропитание приборов.

11:13 — начало входа в атмосферу на высоте 1270 км со скоростью 6 км/с. Торможение осуществляется лобовым теплозащитным экраном.

11:17 — высота 180 км, скорость 400 м/с, раскрыт вытяжной парашют диаметром 3 м. Через 2,5 секунды он вытягивает основной парашют диаметром 8,3 м.

11:18 — высота 160 км. Сброшен лобовой экран. Начали исследовать атмосферу газовый хроматограф и масс-спектрометр. Производится сбор и испарение аэрозолей. Камера передает панораму облаков.

11:32 — высота 125 км. Сброшен основной парашют и раскрыт тормозной диаметром 3 м, чтобы ускорить падение и успеть приземлиться до полной разрядки батарей (заряд 1,8 кВт•ч). Расстояние до «Кассини» 60 тыс. км.

11:49 — высота 60 км. Включен радар-альтиметр; до этого работой управлял таймер. Камера начинает снимать панораму поверхности. Измеряется скорость ветра (по доплер-эффекту передатчика), температура и давление воздуха, электрическое поле (проверяется наличие молний). На высоте нескольких сотен метров от поверхности включена белая лампа для спектрального анализа поверхности. Сонар и радар измеряют неровности грунта. Спуск «Гюйгенса» в атмосфере Титана занял около 2,5 часа.

13:34 — касание грунта со скоростью 4,5 м/с. Работают камера, микрофон, акселерометры и сонар для измерения глубины жидкости, если бы посадка произошла в море. Но грунт под аппаратом оказался на дежным, по механическим свойствам похожим на мокрый песок или глину. Аппарат при ударе углубился в грунт примерно на 15 см. В течение 2 часов он передал данные с поверхности со скоростью 8 кбит/с.

15:44 — «Кассини» уходит за горизонт Конец передачи данных. «Кассини» разворачивается антенной к Земле и начинает трансляцию записанных с «Гюйгенса» данных.

Зонд опустился немного южнее экватора, на краю ледяных холмов в середине огромного песчаного моря. На фото окружающего ландшафта вдали видна пара длинных дюн, но само место посадки больше похоже на русло потока, заваленное булыжниками поверх песка. Температура у поверхности Титана очень низкая: -180°C. Эта температура близка к тройной точке метана, подобно тому, как температура земной поверхности близка к тройной точке воды. При такой температуре сосуществуют газовое, жидкое и твердое состояния вещества. Подобно тому, как в природе Земли происходит круговорот воды, на Титане должен происходить круговорот метана. Фактически метан (в смеси с этаном и другими углеводородами) там играет ту же роль, что вода на Земле: он испаряется из озер, образует облака, выпадает в виде осадков, прокладывает русла по долинам и вновь стекает в озера.

Рис. 8.14. Мозаика из фотографий поверхности Титана, полученных «Гюйгенсом» при спуске на парашюте. Вверху — светлая гористая местность, пронизанная руслом реки с притоками. В нижней части — более темная плоская низменность, куда впадает «река». В момент съемки русло было сухим. Вероятно, в периоды редких, но мощных дождей его заполняют потоки метана.

Изучение снимков показывает, что ландшафт Титана частично сформирован ливнями и быстрым течением жидкости по поверхности. Но, в отличие от Земли, этот гидрологический цикл на Титане доведен до экстремального состояния. На Земле солнечного тепла достаточно для испарения примерно одного метра воды в год. Но атмосфера может удержать только пару сантиметров осажденной влаги до конденсации облаков и выпадения дождя, поэтому для земной погоды характерны легкие дожди, выливающие по нескольку сантиметров воды с промежутком в неделю или две. На Титане недостаток солнечного тепла приводит к испарению всего лишь около 1 см жидкого метана в год, а его мощная атмосфера способна удержать в газообразном виде количество метана, соответствующее примерно 10 м осажденной жидкости. Поэтому для Титана должны быть характерны редкие проливные дожди, рождающие бурные потоки, а в промежутках между этими потопами — вековые периоды засухи. Вполне вероятно, что на месте посадки «Гюйгенса» некоторое время назад тоже было половодье. Специалисты по климату считают, что мощные погодные циклы Титана — это экстремальная версия того, что может случиться на Земле в результате глобального потепления. По мере нагрева земной тропосферы она сможет удерживать все больше влаги, поэтому ураганы и засухи у нас станут более интенсивными.

Итак, Титан — это замерзший вариант Земли, где метан вместо воды, вода вместо камня, а погодные циклы длятся столетиями. Весьма вероятно, что атмосфера Титана напоминает атмосферу юной Земли в период зарождения на ней жизни. Более того: средняя плотность Титана (1,88 г/см³) указывает, что он наполовину состоит из камня (ядро), наполовину из воды (мантия и кора) и покрыт углеводородами. Математические модели предсказывают, что толщина ледяной коры составляет около 50 км, а ниже лежит океан жидкой воды, возможно, с аммиаком. Глубина этого «нашатырного» океана должна достигать сотен километров. Некоторые ученые полагают, что там может быть жизнь.

Рис. 8.15. На изображении Титана (слева), переданном с борта «Кассини», черным прямоугольником показана область посадки аппарата «Гюйгенс». Справа — фото, переданное «Гюйгенсом» с поверхности Титана. Цифры указывают расстояние от фотокамеры. Судя по всему отдельные валуны — это куски водяного льда; при температуре — 180°C они тверды как камень.

Запланировано, что работа аппарата «Кассини» продолжится до 2017 г. С июля 2004 г. по сентябрь 2010 г. он совершил 72 пролета вблизи Титана, передавая радиолокационные изображения его поверхности и снимки в ИК-диапазоне. Когда исследователей заинтересовал источник смога в атмосфере Титана, «Кассини», пролетая сквозь верхние слои его атмосферы, на высоте около 1000 км, собрал и проанализировал образцы этого тумана. Ученые ожидали, что туман состоит из легких углеводородов, таких как этан с молекулярной массой 30. Но «Кассини» обнаружил неожиданное обилие тяжелых органических молекул, включая бензол, антрацен и макромолекулы с массой 2000 и более. Эти вещества формируются из атмосферного метана под действием солнечного света. Вероятно, они постепенно конденсируются в более крупные частицы и опускаются на поверхность, но детали этого процесса не ясны.

Как видим, замечательная маленькая планета Титан становится все интереснее. Принципиальных трудностей при исследовании Титана не предвидится. Для экспедиций к нему уже разрабатываются «титаноходы», а также плавающие и летающие зонды. Увлекательное занятие для космических инженеров!