Investigation of Titan's meteorology in the light of the Cassini/Huygens mission by means of a general circulation model
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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, insbesondere das von Huygens beobachtete Windsystem, 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 gemessen wurden. Das vertikale Profil der Temperatur und des Drucks nahe der Oberfläche 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 Feuchtigkeitsprofil zeigte, dass eine binäre flüssige Mischung von Methan und Stickstoff in der unteren Troposphäre und gefrorenes Methan in der mittleren Troposphäre existieren. Aus der unteren Wolkenschicht fiel leichter Regen (Nieselregen), der die Oberfläche von Titan erreichte. Die Studie über den Methannieselregen wurde in Nature veröffentlicht. 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 äquatorüberschreitenden Temperaturgradienten erklärt werden und der Meridionalwind stellt den unteren und oberen Ast der bodennahen äquator-überschreitenden Hadleyzirkulation dar. Das bemerkenswerteste Ergebnis ist, dass entgegen früherer Vermutungen die Temperatur und der Wind nahe der Oberfläche jahreszeitlichen Schwankungen unterliegen. Nach dem Beginn 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. 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 gleich lautende Schlussfolgerung aus der Analyse des In-situ-Windprofils an der Huygens-Landestelle bestätigt wurde. Ebenfalls begünstigt die Windstärkenstatistik in niedrigen Breiten, die durch die äquatorüberschreitende Hadleyzirkulation gekennzeichnet ist, die Saltation der Sandpartikel, während dies an hohen Breiten wegen des unstetigen Windes schwieriger ist. Der letzte Teil des Projektes beschäftigte sich mit den polaren Seen auf Titan und deren Einfluss auf den atmosphärischen hydrologischen Kreislauf aus Methan. Als erster Schritt wurde ein 1- dimensionales Modell der thermischen Schichtung der Seen entwickelt um die jahreszeitliche Variation der thermischen Struktur, Konvektion, Verdunstung und Gefrierung zu untersuchen. Das Schicksal der Seen ist stark abhängig von der angenommenen chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre und Seen, und reicht vom ganzjährig flüssigen See mit reger Zirkulation bis hin zum rasch gefrierenden und sublimierenden See. Schließlich wurde das Seemodell mit dem Zirkulationsmodell gekoppelt. Die Seen haben einen geringen Einfluss auf den globalen Methankreislauf, weil nur eine geringe Menge an Methan von den Seen verdunsten kann. Allerdings können sie das Klima der Polarregion beeinflussen, und zwar hauptsächlich durch ein Zirkulationssystem, das durch Temperaturunterschiede zwischen der Seeoberfläche und der Umgebung verursacht wird. Die Seen selber können als ein langfristiges Resultat des globalen Methankreislaufs, der Methan in die Polarregion transportiert, interpretiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 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. Ferr
- 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, 194, 243- 262, 2008
Tokano, T.
- Effect of internal gravitational coupling on Titan’s non-synchronous rotation. Geophys. Res. Lett., 35, L16202, 2008
Karatekin, Ö., T. Van Hoolst, T. Tokano.
- The Schumann resonance: a tool for exploring the atmospheric environment and the subsurface of the planets and their surface. Icarus, 194, 30-41, 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
- Limnological structure of Titan’s hydrocarbon lakes and its astrobiological implication. Astrobiology, 2009
Tokano, T.
- Polar seas/lakes and Titan’s methane hydrological cycle: simulation by a GCM coupled to a sea model. Icarus, 2008
Tokano, T.
- The dynamics of Titan’s troposphere. Phil. Trans. Roy. Soc. London A., 367, 633-648, 2009
Tokano, T.
