Огромный спутник Сатурна Титан прячется внутри толстой, малопрозрачной атмосферы. Это одна из самых сложных с точки зрения химического состава сред в Солнечной системе. Вся атмосфера Титана – сложная «фабрика» по переработке химических элементов, в которой углеводорода выпадают на поверхность в виде осадков, где они скрываются под слоем сажи или образуют озера из метана и этана в ледяных условиях – при температурах до минус 170 градусов Цельсия.

Основной компонент в этом процессе – метан, молекула, состоящая из одного атома углерода, окруженного четырьмя атомами водорода. Рано или поздно атмосфера-фабрика луны остановится, так как этот основной исходный материал закончится. Под действием солнечного света метан разрушается и образует более сложные соединения. Правда, пока что атмосфера работает, и оценка времени, когда этот процесс был запущен, является одной из важнейших работ в изучении атмосферы этого небесного тела.

Данному вопросу посвящена пара статей в Астрофизическом журнале. Они построены на основе анализа данных двух инструментов на борту аппарата Кассини и одного инструмента на борту спускаемого модуля Гюйгенс, севшего на поверхность Титана в январе 2005 года. Команда ученых под руководством Конора Никсона из Университета Мериленда использовала инфракрасные данные со спектрометра Кассини для оценки количества «тяжелого» метана, содержащего редкие изотопы, в атмосфере. В первую очередь, поиск был направлен на углерод-13, иногда замещающий наиболее распространенный изотоп углерод-12 в соединениях. Поскольку углерод-12 быстрее реагирует с образованием метана, процесс накопления метана с углеродом-13 в атмосфере происходит очень медленно. Моделируя скорость роста концентрации тяжелого метана и имея данные о его современной концентрации, можно оценить возраст атмосферы Титана.

«С учетом сделанных нами при построении модели предположений, возраст метановой атмосферы ограничивается 1.6 миллиарда лет, то есть около трети возраста самого Титана, – говорит Никсон. – Однако, если еще добавить возможность потери метана из верхних слоев атмосферы, как было сделано в некоторых работах до нас, можно получить намного меньшую оценку, всего до 10 миллионов лет». Наиболее важным предположением как в работе Никсона, так и в предшествовавших, является единовременное обогащение атмосферы Титана метаном. Это могло случить, например, при перестроении внутренней части луны, когда тяжелые элементы опускались к ядру, а легкие поднимались вверх. Хотя это происходило долго, но в модели это выглядит одинаково – в начальный момент времени было сколько-то метана, и потом его количество не восполнялось.

«Однако, если метан постоянно восстанавливался за счет какого-то источника, в атмосфере постоянно появлялись новые изотопы, в этом случае мы не можем определить ограничение возраста атмосферы по нашей модели», – говорит Никсон. Таким источником могут быть метановые клатраты, соединения, в которых молекула метана включена в кристаллическую решетку более крупного соединения. Такие клатраты существуют на больших глубинах в земных океанах, а по мнению некоторых специалистов, под поверхностью (состоящей из водяного льда) Титана может существовать жидкий океан, состоящий из смеси воды и аммиака, работающего как антифриз. В этом случае метан может высвобождать из клатратов при извержениях вулканов на дне, или просто освобождаться медленно и постепенно.

Во второй работе под руководством Катлин Мандт из Юго-западного исследовательского института проводилась аналогичная оценка. Ее команда использовала данные масс-спектрометра, определяющего в атмосфере небесного тела содержание молекул разных масс. Вместе с ними использовались показания масс-спектрометра спускаемого модуля Гюйгенс. Анализ этих данных позволил наложить ограничения на скорости потери тяжелого метана атмосферой Титана, при этом учитывалась и потеря метана, просто улетающего в космос.

«Мы рассчитали, что даже если метан постоянно пополнялся из внутреннего источника в количестве, достаточном для поддержания работы атмосферы все время, этот процесс не мог идти в течение более чем миллиарда лет, – говорит Мандт. – Если бы процесс начался ранее, мы бы заметили скопление метана в озерах на поверхности и в самой атмосфере, что не соответствует наблюдательным данным».

Вместе эти две статьи обеспечивают новый взгляд на историю метановой атмосферы Титана. Несмотря на принятые ограничения и расхождения в оценках ее возраста, можно точно утверждать, что атмосфера на Титане образовалась значительно позже самого спутника. В целом возраст, согласно обеим работам, составляет около 1 миллиарда лет. Это число неплохо согласуется с работами по оценке времени последнего крупного выброса метана в атмосферу – 0.35 – 1.35 миллиардов лет и возрастом поверхности, определенным по изучению кратеров – 0.2 – 1 миллиард лет. Получение похожих чисел при помощи совершенно другого источника информации – самой атмосферы Титана – вселяет уверенность в правдивости оценки около 1 миллиарда лет.