Карл Саган - Мозг Брока. О науке, космосе и человеке

Мы могли бы узнать кое-что о природе Титана, изучив две главные планеты во внешней Солнечной системе – Юпитер и Сатурн. Обе в основном имеют красноватую или коричневатую окраску. Иными словами, верхний слой облаков, которые мы видим с Земли, имеет главным образом такой оттенок. Что-то в атмосфере и облаках этих планет поглощает голубой и ультрафиолетовый свет, так что свет, который отражается обратно, к нам, преимущественно красный. На самом деле во внешней Солнечной системе довольно много объектов красного цвета. Хотя мы не можем получить цветные фотографии Титана, поскольку он находится на расстоянии более миллиарда километров и его угловой размер меньше Галилеевых спутников Юпитера, фотоэлектрические исследования показывают, что он ярко-красный. Астрономы, которые размышляли об этой проблеме раньше, считали, что Титан красный по той же причине, что и Марс: вследствие рыжей поверхности. Но происхождение красного цвета у Титана одно, а у Юпитера и Сатурна совсем другое, потому что эти планеты не имеют твердой поверхности.

В 1944 г. Джеральд Койпер методом спектроскопии обнаружил вокруг Титана атмосферу, состоящую из метана, – впервые на спутнике была обнаружена атмосфера. Позднее эти наблюдения были подтверждены, и Лоуренс Трафтон из Техасского университета представил некоторые заставляющие задуматься доказательства присутствия в ней молекулярного водорода.

Поскольку мы знаем количество газа, необходимое для наблюдаемого спектра поглощения, и поверхностную гравитацию, выведенную из массы и радиуса Титана, мы можем вычислить минимальное атмосферное давление. Оно составляет приблизительно 10 мбар, около одного процента атмосферного давления Земли – это больше, чем давление на Марсе. Титан имеет атмосферное давление, самое близкое к земному в Солнечной системе.

Не только лучшие, но единственные визуальные наблюдения Титана в телескоп были сделаны Одуэном Дольфюсом в Мёдонской обсерватории во Франции. Это нарисованные от руки изображения Титана в момент стабильности атмосферы. Дольфюс заметил перемещение пятен и пришел к выводу, что то, что происходит на Титане, не соответствует периоду вращения спутника. (Считается, что Титан всегда обращен одной стороной к Сатурну, как наша Луна к Земле.) Дольфюс предположил, что на Титане могут быть облака, по крайней мере местами.

За последние годы мы много узнали о Титане. Астрономы успешно получили кривую поляризации малых объектов. Идея заключается в том, что изначально неполяризованный солнечный свет падает, скажем, на Титан и, отражаясь, поляризуется. Поляризация регистрируется устройством, которое действует по принципу «полароидных» солнцезащитных очков, но более сложным и чувствительным. Степень поляризации измеряется, когда Титан проходит через малый ряд фаз – между «полным» Титаном и приближающимся к серповидному. Полученная в результате кривая поляризации сравнивается с кривыми поляризации, построенными в лабораторных условиях, и таким образом мы узнаем о размере и составе вещества, ответственного за эффект поляризации.

Первые наблюдения поляризации Титана, сделанные Джозефом Веверкой, показали, что солнечный свет, отраженный от Титана, скорее всего, отражается от облаков, а не от твердой поверхности. Видимо, на Титане есть поверхность и более низкие слои атмосферы, которые мы не видим; густая пелена облаков и расположенная над ней атмосфера, которые мы видим, и над всем этим изредка появляются рваные облака. Поскольку Титан кажется красным и красный свет идет от пелены облаков, согласно этому аргументу, на Титане должны быть красные облака.

Дополнительным подтверждением этой теории является чрезвычайно малое количество ультрафиолета, который отражается от Титана, согласно измерениям Орбитальной астрономической обсерватории. Единственное объяснение слабой яркости отраженного ультрафиолета заключается в том, что ультрафиолет поглощается в высоких слоях атмосферы. Иначе благодаря рэлеевскому рассеянию на самих молекулах атмосферы Титан отражал бы яркий ультрафиолет. (Рэлеевское рассеяние – это преобладающее рассеяние голубого, а не красного цвета, который отвечает за голубые небеса на Земле.)

Но вещество, которое поглощает фиолетовые и ультрафиолетовые лучи, кажется красным в отраженном свете. Так что существует две отдельные цепочки доказательств (или три, если верить рисункам, сделанным от руки) в пользу обширного облачного покрова на Титане. Что мы имеем в виду под обширным? В соответствии с данными о поляризации более 90 % поверхности Титана закрыто облаками. Так что Титан, по всей видимости, покрыт плотными красными облаками.

Второе удивительное открытие было сделано в 1971 г., когда Д. Аллен из Кембриджского университета и Т. Мердок из Университета Миннесоты обнаружили, что наблюдаемое инфракрасное излучение Титана при длине волны от 10 до 14 мкм более чем вдвое интенсивнее излучения, ожидаемого от нагрева Солнцем. Титан слишком мал, чтобы иметь сильный источник внутренней энергии, как Юпитер или Сатурн. Это можно объяснить только тем, что при парниковом эффекте температура поверхности поднимается до тех пор, пока исходящее от планеты инфракрасное излучение не уравновешивает поглощаемое видимое излучение. Именно парниковый эффект поддерживает температуру поверхности Земли выше температуры замерзания и температуру Венеры на уровне 480 °С.

Но что может вызывать парниковый эффект на Титане? Вряд ли углекислый газ и водяной пар, как на Земле и Венере, потому что эти газы замерзли бы на Титане. Я подсчитал, что для такого парникового эффекта необходимо несколько сотен миллибар водорода (1000 мбар – это атмосферное давление на Земле на уровне моря). Поскольку это больше наблюдаемого количества водорода, облака должны быть плотными при определенной длине волн коротковолнового диапазона и почти прозрачными при определенной длине волн длинноволнового диапазона. Джеймс Поллак из Исследовательского центра Эймса НАСА подсчитал, что нескольких сотен миллибар метана также может быть достаточно, и, более того, они могли бы послужить объяснением некоторых особенностей инфракрасного излучения Титана. Такое большое количество метана также должно быть спрятано под облаками. В обеих моделях парникового эффекта фигурируют только газы, которые, как предполагается, существуют на Титане; конечно, могут играть роль и оба газа.

Альтернативная модель атмосферы Титана была предложена покойным Робертом Дэниелсоном и его коллегами из Принстонского университета. Они предположили, что простые углеводороды – такие как этан, этилен и ацетилен, – которые наблюдаются в верхних слоях атмосферы Титана, могут поглощать ультрафиолет, исходящий от Солнца, и нагревать верхние слои атмосферы. В таком случае мы видим в инфракрасном свете горячие верхние слои атмосферы, а не поверхность планеты. Эта модель не включает ни теплую поверхность непонятного происхождения, ни парниковый эффект, ни атмосферное давление в сотни миллибар.