Investigation of Titan's meteorology in the light of the Cassini/Huygens mission by means of a general circulation model
Final Report Abstract
Der größte Saturn-Mond Titan besitzt eine dichte Atmosphäre, die ein ideales natürliches Laboratorium für die Untersuchung der Meteorologie im Rahmen der vergleichenden Planetologie darstellt. Ziel dieses Projektes im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Mars und die terrestrischen Planeten“ war es, das Verständnis der Meteorologie von Titan mithilfe eines Modells der allgemeinen Zirkulation (GCM) zu vertiefen, wie etwa das von Huygens beobachtete Windsystem, die Wechselwirkung zwischen der Atmosphäre und der Oberfläche durch die planetarische Grenzschicht, den Methankreislauf und den Zusammenhang zwischen den Sanddünencharakteristika und der Windstatistik. Der erste Teil des Projektes beschäftigte sich mit der Analyse und Interpretation der In-situ-Daten der atmosphärischen Struktur, die von der Huygens-Sonde im Januar 2005 gemessen wurde. Das vertikale Profil der Temperatur und des Drucks nahe der Oberfläche, das vom Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI) gemessen wurde, deutete auf eine schwach konvektive planetarische Grenzschicht an der Landestelle von Huygens hin. Dies war der erste sichere Nachweis der planetarischen Grenzschicht auf Titan. Ein weiteres wichtiges Ergebnis des Projektes war der erste Hinweis für die Existenz von flüssigem Niederschlag auf Titan. Das vertikale Profil der Temperatur und des Methanmischungsverhältnisses an derselben Stelle ermöglichte die Berechnung der relativen Feuchtigkeit in der Troposphäre. Die Daten zeigten, dass in der unteren Troposphäre bei Sättigung eine binäre flüssige Mischung von Methan und Stickstoff kondensiert, während in der mittleren Troposphäre oberhalb der Schneegrenze gefrorenes reines Methan kondensiert. Aus der unteren Wolkenschicht fiel leichter Regen (Nieselregen), der die Oberfläche von Titan erreichte. Die Studie über den Methannieselregen wurde in Nature veröffentlicht und weckte damit die Aufmerksamkeit mehrerer internationaler Presseagenturen. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Projektes war die Atmosphärendynamik in der Troposphäre von Titan. Das vertikale Profil des horizontalen und vertikalen Windes an der Huygens-Landestelle konnte mithilfe des Zirkulationsmodells sinnvoll interpretiert werden. Der Zonalwind kann mit dem thermischen Wind im Gleichgewicht mit einem äquator-überschreitenden Temperaturgradienten erklärt werden und der Meridionalwind stellt den unteren und oberen Ast der bodennahen äquatorüberschreitenden Hadleyzirkulation dar. Das bemerkenswerteste Ergebnis ist, dass die Insitu-Daten von Huygens zweifellos zeigen wie die Temperatur und der Wind nahe der Oberfläche jahreszeitlichen Schwankungen unterliegen, was seit der Voyager-Mission wegen der sehr langsamen Reaktionszeit der bodennahen Atmosphäre auf Strahlungsantrieb für unwahrscheinlich gehalten wurde. Nach dem Start des Projektes wurden ausgedehnte Sanddünenfelder vom Cassini-Radar entdeckt, die aufgrund von früheren theoretischen Arbeiten unerwartet waren. Angesichts der Tatsache, dass äolische Strukturen ein geologischer Fingerabdruck der langfristigen Bodenwindstatistik in der Vergangenheit oder der Gegenwart darstellen, haben diese überraschenden Funde eine einzigartige Möglichkeit gegeben, die troposphärische Zirkulation auf globalen Skalen zu untersuchen, und ergänzen somit die Punktmessung durch die Huygens-Sonde. Der zweite Teil des Projektes beschäftigte sich deshalb mit der Simulation der Bodenwinde, die für die Dünenbildung verantwortlich sind, mit dem Zirkulationsmodell. Die Simulationen zeigten, dass ein bimodales Windmuster, das für die Bildung von longitudinalen Dünen nötig ist, tatsächlich in niedrigen Breiten von Titan auftreten kann. Diese Bimodalität wird durch die jahreszeitliche Umkehr der globalskaligen Hadleyzirkulation verursacht, womit die gleichlautende Schlussfolgerung aus der Analyse des In-situ-Windprofils an der Huygens- Landestelle bestätigt wurde. Ebenfalls begünstigt die Windstärkenstatistik in niedrigen Breiten, die durch die äquator-überschreitende Hadleyzirkulation gekennzeichnet ist, die Saltation der Sandpartikel, während dies an hohen Breiten wegen des unstetigen Windes seltener ist. Die Beobachtungsdaten und Modellierung haben auch gezeigt, dass auf Titan anscheinend ungewöhnliche Westwinde an der äquatorialen Oberfläche wehen, die weder mit bisheriger Theorie noch mit Topographie erklärt werden können.
Publications
-
Electric properties and related physical characteristics of the atmosphere and surface of Titan. Planet. Space Sci., 54, 1124-1136, 2006
Grard, R., M. Hamelin, J. J. López-Moreno, K. Schwingenschuh, I. Jernej, G. J. Molina-Cuberos, F. Simões, R. Trautner, P. Falkner, F. Ferri, M. Fulchignoni, R. Rodrigo, H. Svedhem, C. Béghin, J.-J. Berthelier, V. J. G. Brown, M. Chabassière, J. M. Jeronimo, L. M. Lara, T. Tokano
-
Methane drizzle on Titan. Nature, 442, 432-435, 2006
Tokano, T., C. P. McKay, F. M. Neubauer, S. K. Atreya, F. Ferri, M. Fulchignoni, H. B. Niemann
-
Titan’s planetary boundary layer structure at the Huygens landing site. J. Geophys. Res. Planets, 111, E08007, 2006
Tokano, T., F. Ferri, G. Colombatti, T. Mäkinen, M. Fulchignoni
-
Vertical atmospheric flow on Titan as measured by the HASI instrument. Geophys. Res. Lett., 33, L21803, 2006
Mäkinen, J. T. T., A.-M. Harri, T. Tokano, H. Savijärvi, T. Siili, F. Ferri
-
A new numerical model for the simulation of ELF wave propagation and the computation of eigenmodes in the atmosphere of Titan: did Huygens observe any Schumann resonance? Planet. Space Sci., 55, 1978-1989, 2007
Simões, F., R. Grard, M. Hamelin, J. J. López-Moreno, K. Schwingenschuh, C. Béghin, J.-J. Berthelier, B. Besser, V. J. G. Brown, M. Chabassière, P. Falkner, F. Ferri, M. Fulchignoni, I. Jernej, J. M. Jeronimo, G. J. Molina-Cuberos, T. Tokano, R. Trautner
-
A Schumann-like resonance on Titan driven by Saturn’s magnetosphere possibly revealed by the Huygens probe. Icarus, 191, 251-266, 2007
Béghin, C., F. Simões, V. Krasnoselskikh, K. Schwingenschuh, J. J. Berthelier, B. Besser, C. Bettanini, R. Grard, M. Hamelin, J. J. López-Moreno, G. J. Molina-Cuberos, T. Tokano
-
Conductivity and electron density profiles of the atmosphere of Titan from the Huygens PWA-HASI instrument: Mutual Impedance probe measurements. Planet. Space Sci., 55, 1964-1977, 2007
Hamelin, M., C. Béghin, R. Grard, J. J. López-Moreno, K. Schwingenschuh, F. Simões, R. Trautner, J. J. Berthelier, V. J. G. Brown, M. Chabassière, P. Falkner, F. Ferri, M. Fulchignoni, I. Jernej, J. M. Jeronimo, G. J. Molina-Cuberos, R. Rodrigo, T. Tokano
-
Near-surface winds at the Huygens site on Titan: interpretation by means of a general circulation model. Planet. Space Sci., 55, 1990-2009, 2007
Tokano, T.
-
Dune-forming winds on Titan and the influence of topography. Icarus, 2008
Tokano, T.
-
The Schumann resonance: a tool for exploring the atmospheric environment and the subsurface of the planets and their surface. Icarus, 2008
Simões, F., R. Grard, M. Hamelin, J. J. López-Moreno, K. Schwingenschuh, C. Béghin, J.-J. Berthelier, J.-P. Lebreton, G. J. Molina-Cuberos, T. Tokano
