Saturnus disiga måne Titan har en långlivad jordliknande vinterpolär virvel överladdad av månens säregna kemi, enligt ny forskning publicerad i AGU:s tidskrift Geofysiska forskningsbrev .

Titan är den näst största månen i solsystemet och den enda månen med en tjock atmosfär jämförbar med jordens. Den Saturniska månen kan vara den mest jordliknande platsen i solsystemet, med årstider, regn och ytsjöar, även om det är ungefär 10 gånger så långt från solen som jorden och väldigt kallt.

Titans stratosfär, som jordens, kännetecknas av kallare lager närmare ytan och varmare lager högre upp, och är den polära virvelns rike, en mössa av kall luft som sitter över stolparna på vintern. Detta är samma fenomen som kan orsaka kyliga temperaturer i Nordamerika under vintern.

På jorden, den polära virveln försvinner vanligtvis på våren. Den nya studien fann att Titans polära virvel på norra halvklotet sticker runt förbi månens sommarsolstånd, in i det som skulle bli slutet av juni på jorden, varar tre fjärdedelar av ett Titan-år, eller cirka 22 jordår.

Den nya studien använde mätningar från NASA:s rymdfarkoster Cassini och atmosfärisk vetenskap som utvecklats på jorden för att förstå säsongsförändringar som observerats på Titan.

Den nya studien utökade tidigare arbete av forskarna som indikerar närvaron av polarvirveln på Titan förklarade anrikningen av spårgaser i månens stratosfär och anrikningen av spårgaser förklarade den oväntat intensiva kylan som observerades i virveln på södra halvklotet i början av vintern.

Kombinationen av kylning orsakad av spårgaser och uppvärmning orsakad av sjunkande luft bryter Titans vinter i två faser, enligt den nya studien.

"Jorden svalnar på vintern på grund av brist på solljus över polerna, men du får inte denna extra effekt av extra gaser, medan du på Titan har dessa konstiga gaser där inne som gör processen ännu mer extrem än den skulle vara annars, sa Nick Teanby, en planetforskare vid University of Bristol i Storbritannien, och huvudförfattaren till den nya studien.

Tidigare arbete från Teanby och hans kollegor beskrev förhållandet mellan spårgaserna och den polära virveln, men den nya studien är den första heltäckande analysen av säsongsvariationer i temperaturen och sammansättningen av Titans stratosfär, baserat på infraröd kartläggningsdata från Cassinis hela 13-års rundtur i Saturnus system.

"Det här är första gången ett papper har gått in i hela Cassini-dataset, täcker nästan hälften av Titan-året, och tittade på hur norra och södra polarvirvelutvecklingen kan skilja sig åt, sa Claire Newman, en expert på planetariska atmosfärer vid Aeolis Research och en forskare som inte är knuten till den nya studien. "Jag arbetar på atmosfäriska modeller och vi litar på den här typen av observationer för att förstå hur korrekt våra modeller fångar vad som händer på Titan själv."

I framtiden, författarna till den nya studien hoppas ha tillräckligt med data för att tillämpa jordens atmosfäriska modeller på Titan och försöka förutsäga klimattrender på månen. Att testa modeller i en helt ny värld kan hjälpa forskare att göra modellerna mer robusta. En dag, Saturnus ovanliga måne kan hjälpa forskare att bättre förstå atmosfären på vår hemplanet, sa Teanby.

"Varför det är så intressant är att Titan är som en minijord med en riktigt exotisk och kall atmosfär som vi kan använda för att testa klimatmodeller och sådana saker, " sa Teanby. "Det är den stora bilden till varför vi brydde oss, men jag antar att den verkliga motivationen bara är att det är riktigt coolt att försöka komma på det här."

Vinter virvel

Titan snurrar på en axel som lutar i ungefär samma grad som jordens, som ger månen årstider som jordens, men utdragna under de 29 jordåren Titan och Saturnus tar för att kretsa runt solen. NASA:s rymdfarkost Cassini observerade hur Titans årstid vänder, från mitten av vintern till sommarsolståndet på månens norra halvklot.

När Cassini anlände till Saturnus 2004, Titans nordliga pol var omsluten av en polär virvel från polen till cirka 45 grader nordlig latitud, ungefär var Montanas södra gräns går på jorden.

En polarvirvel är ett stort lock av kall luft och lågtryck som sitter över polerna på vintern, vrider sig i riktning mot planetens, eller månens, snurra. Starka västliga jetströmmar omsluter polen och innehåller kylan, skapar en distinkt separation från varm luft från ekvatorn. Jetströmsbarriärer förhindrar blandning av luftmassor och håller kemikalier såväl som kyla inne i virveln.

På jorden, kanten av detta stora atmosfäriska system ligger på cirka 60 graders latitud, den södra gränsen till Kanadas Yukon och Northwest Territories på norra halvklotet. Lägre breddgrader möter virveln, som Nordamerika gjorde i januari förra året, när den cirkulerande jetströmmen försvagas eller slingrar sig.

Cassini fann att Titans nordliga polarvirvel höll i sig genom dagjämningen och bröts upp på sommaren, ungefär som på jorden, men varar senare under året. Under tiden, en ny virvel började bildas över sydpolen strax efter månens dagjämning. Den embryonala södra virveln var, förvånande, kallare än den norra virveln, som bara hade observerats i full vinterprakt.

Den nya forskningen tyder på att skillnaden kan vara en tidig vinter extra kall fas producerad av Titans kemi snarare än inneboende skillnader mellan polerna.

Konstig kemi

Den nya studien tyder på att Titans atmosfäriska kemi kan accentuera dess polära virvel. Som jordens atmosfär, Titans atmosfär består till största delen av kväve, och månens yttryck är ungefär 1,5 gånger jordens vid havsnivån. Men till skillnad från jorden, de återstående 2 procenten av atmosfären är mestadels metan, huvudkomponenten i naturgas. När det regnar på Titan, det regnar kolväten.

Högt uppe i månen är det relativt varmt, övre atmosfären, metan reagerar med energi från solen och från Saturnus magnetfält för att producera spårgaser som cyanid, eten, etan och större organiska molekyler. Vissa av dessa gaser är byggstenar i Titans karaktäristiska dis.

Cassini observerade anrikning av dessa spårgaser över vinterpolerna och den nya forskningen finner att denna anrikning är mest uttalad under tidig vinter, när stolpen också är kallare.

På Titan, som på jorden, skillnaden i temperatur mellan ekvatorn och den mörka vinterpolen driver slutligen bildandet av polarvirveln. På båda världarna, kall luft sjunker, drar den övre atmosfären nedåt vid polen på vintern. När spårgaserna blandas nedåt i de kallare mittskikten av Titans atmosfär, de kondenserar till flytande eller fasta moln. Kondenserade spårgaser fungerar som ett handfat, accelererar rörelsen av fler spårgaser ner från toppen av atmosfären där de skapas.

Spårgaser gör de kalla skikten i Titans stratosfär ännu kallare genom att sända ut infrarött ljus. Infrarött ljus är strax bortom det synliga ljusspektrumet och är märkbart för människor som värme. När spårgaser glöder, de tappar energi, som har effekten att kyla atmosfären genom att stråla ut energi ut i rymden. Den nya studien föreslår att den nu ännu kallare luften sjunker snabbare, i en kylig återkopplingscykel.

"Det är allt som händer i början av vintern, så början på vintern är verkligen, väldigt kallt, sa Teanby. Till slut, tryckökningen orsakad av all sjunkande luft skapar sin egen värme, som motverkar återkopplingscykeln. Författarna föreslår att detta skapar två distinkta faser i Titans vinter.

"När du går djupare in i vintern och cirkulationen är mer utvecklad, du får en motsatt effekt, där du börjar värma stratosfären på grund av denna komprimering av luften när den sjunker. Så det finns dessa två faser till vintern som är ganska konstiga. Vi är inte helt säkra på att det är vad som händer, men det är vår teori just nu, sa Teanby.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av AGU Blogs (http://blogs.agu.org), en gemenskap av jord- och rymdvetenskapsbloggar, värd av American Geophysical Union. Läs originalberättelsen här.