Astronomisch angetriebene Klimaveränderungen auf dem Saturnmond Titan

• Antragsteller: Dr. Tetsuya Tokano
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262022543

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Einfluss der astronomisch verursachten Variationen der Sonneneinstrahlung auf das Klima und die Landschaft des Saturnmondes Titan wurde untersucht. Dazu wurden Simulationen mit einem globalen Klimamodell unter den Orbitalparametern Saturns der verschiedenen Epochen aus den letzten 45 Tausend Jahren durchgeführt. Anschließend wurden zeitliche Variationen der Größe und Verteilung der Kohlenwasserstoffseen mit einem Seemassenbilanzmodell in Kombination mit Topographie-Bathymetrie-Karten individueller Becken simuliert. Große Exzentrizitäten gehen mit großen jahreszeitlichen Variationen der Temperatur und der Kondensation der kondensierbaren Gase in der Troposphäre einher. Sie verursachen die Kondensation von Stickstoff, dem Hauptbestandteil der Titan-Atmosphäre, in der Polregion in der auf Aphel folgenden Jahreszeit. Allerdings ist die jahreszeitliche Kondensation von Stickstoff zu wenig, um Mars-ähnliche jahreszeitliche Luftdruckschwankungen hervorzurufen. Die Kombination von Variationen von Exzentrizität und Länge des Perihels kann die Dünenorientierung um bis zu 70 Grad verändern, weil Bodenwinde empfindlich auf Orbitalparametervariationen reagieren. Die Präzession von Saturn verursacht eine stetige Veränderung der jahreszeitlichen Asymmetrie des Klimas, hauptsächlich durch den Einfluss auf Methankondensation in hohen Breiten. Allerdings prognostizieren Simulationen mit und ohne Topographie qualitativ unterschiedliche Muster der Methanniederschläge. Die globale Topographie deformiert die meridionale Zirkulation derart, dass der größte Jahresniederschlag unter allen Orbitalparametern am Nordpol zu finden ist, während ohne Topographie der polare Niederschlag wegen der Saturn-Präzession abwechselnd am Nordpol und Südpol am größten wird. Das Seemassenbilanzmodell für Ontario Lacus, dem größten See in der Nähe des Südpols, sagt Variationen der Seegröße um Faktor vier voraus. Jedoch ist es unwahrscheinlich, dass dieser See vollständig austrocknete oder so groß wie der beobachtete Paläosee wurde. Deshalb erscheint das bisherige Verständnis, dass sich die hemisphärische Asymmetrie der polaren Niederschläge durch Orbitalparametervariationen periodisch umkehrt, unrealistisch. Die Modellierung hat ebenfalls gezeigt, dass kleine isolierte Seen in geschlossenen tropischen Becken trotz des ariden Klimas stabil existieren können, jedoch könnten sie in der Vergangenheit gelegentlich ausgetrocknet sein. Variationen der Schiefe von Saturn haben generell einen kleinen Einfluss auf das Titan-Klima. Insgesamt ist der Einfluss der Orbitalparametervariation auf das Klima von Titan moderater als auf das Klima der Erde oder des Mars wegen fehlender Gletscherbildung und Entgletscherung. Dies trägt wesentlich dazu bei, die heutigen Eigenschaften des Titan-Klimas über die Zeitskala des Croll-Milankovitch-Zyklus hinaus aufrechtzuerhalten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2016. Eclipse-induced changes of Titan’s meteorology at equinox. Planet. Space Sci. 121, 94-102
  Tokano, T.
  
• 2016. Variations in Titan’s dune orientations as a result of orbital forcing. Icarus 270, 197-210
  McDonald, G., Hayes, A. G., Ewing, R. C., Lora, J. M., Newman, C. E., Tokano, T., Soto, A., Chen, G., Lucas, A.
  
• 2017. Nitrogen condensation in Titan’s atmosphere under contemporary atmospheric composition. Icarus 289, 120-133
  Tokano, T.
  
• 2019. A model intercomparison of Titan’s low-latitude climate. Icarus 333, 113-126
  Lora, J. M., Tokano, T., Vatant d’Ollone, J., Lebonnois, S., Lorenz, R. D.
  
• 2019. Modeling of seasonal lake level fluctuations of Titan’s seas and lakes. J. Geophys. Res. Planets 124, 617-635
  Tokano, T., Lorenz, R. D.
  
• 2019. Orbitally and geographically caused seasonal asymmetry in Titan’s tropospheric climate and its implication for the lake distribution. Icarus 317, 337-353
  Tokano, T.
  
• 2019. Titan surface temperatures during the Cassini mission. Astrophys. J. Lett. 877, L8
  Jennings, D. E., Tokano, T., Cottini, V., Nixon, C. A., Achterberg, R. K., Flasar, F. M., Kunde, V. G., Romani, P. N., Samuelson, R. E., Gorius, N. J. P., Guandique, E., Kaelberer, M. S., Coustenis, A.
  
• 2020. Stable existence of tropical endorheic lakes on Titan. Geophys. Res. Lett. 41, 32019GL086166
  Tokano, T.,
  
• 2021. Orbitally forced variation in the size of Ontario Lacus simulated by a lake balance model. Icarus 354, 114090
  Tokano, T.