El clima de Titán

El clima de Titán , la luna más grande de Saturno , es similar en muchos aspectos al de la Tierra , a pesar de tener una temperatura superficial mucho menor. Su densa atmósfera , la lluvia de metano y el posible criovolcanismo crean un análogo, aunque con materiales diferentes, de los cambios climáticos que experimenta la Tierra durante el año terrestre, mucho más corto.

Titán recibe aproximadamente el 1 % de la cantidad de luz solar que recibe la Tierra. ^{[ 1 ]} La temperatura superficial promedio es de aproximadamente 90,6  K (-182,55  °C o -296,59  °F). ^{[ 2 ]} A esta temperatura, el hielo de agua tiene una presión de vapor extremadamente baja, por lo que la atmósfera está casi libre de vapor de agua. Sin embargo, el metano en la atmósfera provoca un efecto invernadero sustancial que mantiene la superficie de Titán a una temperatura mucho más alta de la que sería el equilibrio térmico en otras circunstancias. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

La bruma en la atmósfera de Titán contribuye a un efecto antiinvernadero al reflejar la luz solar de vuelta al espacio, lo que hace que su superficie sea significativamente más fría que su atmósfera superior. ^{[ 3 ]} Esto compensa parcialmente el calentamiento del efecto invernadero y mantiene la superficie algo más fría de lo que se esperaría solo por este efecto. ^{[ 6 ]} Según McKay et al., "el efecto antiinvernadero en Titán reduce la temperatura de la superficie en 9 K, mientras que el efecto invernadero la aumenta en 21 K. El efecto neto es que la temperatura de la superficie (94 K) es 12 K más cálida que la temperatura efectiva de 82 K. [ es decir , el equilibrio que se alcanzaría en ausencia de atmósfera]" ^{[ 3 ]}

La inclinación orbital de Titán con respecto al Sol es muy similar a la inclinación axial de Saturno (aproximadamente 27°), y su inclinación axial con respecto a su órbita es cero. Esto significa que la dirección de la luz solar incidente está determinada casi por completo por el ciclo día-noche de Titán y el ciclo anual de Saturno. El ciclo diurno en Titán dura 15,9 días terrestres, que es el tiempo que tarda Titán en orbitar Saturno. Titán está en rotación síncrona , por lo que la misma parte de Titán siempre mira hacia Saturno, y no existe un ciclo mensual independiente.

El cambio estacional está determinado por el año de Saturno: Saturno tarda aproximadamente 29,5 años terrestres en orbitar el Sol, exponiendo diferentes cantidades de luz solar a los hemisferios norte y sur de Titán durante distintas partes del año saturniano. Los cambios climáticos estacionales incluyen lagos de hidrocarburos más grandes en el hemisferio norte durante el invierno, menor bruma alrededor de los equinoccios debido a cambios en la circulación atmosférica y nubes de hielo asociadas en las regiones polares del sur. ^{[ 7 ] [ 8 ]} El último equinoccio ocurrió el 11 de agosto de 2009; este fue el equinoccio de primavera para el hemisferio norte, lo que significa que el hemisferio sur está recibiendo menos luz solar y entrando en el invierno. ^{[ 9 ]}

Los vientos superficiales suelen ser débiles (<1 metro por segundo). Simulaciones informáticas recientes indican que las enormes dunas de material similar al hollín que caen de la atmósfera en las regiones ecuatoriales podrían estar formadas por raros vientos de tormenta que ocurren solo cada quince años, cuando Titán está en equinoccio . [ ^{10 ] Estas} tormentas producen fuertes corrientes descendentes que fluyen hacia el este a velocidades de hasta 10 metros por segundo al llegar a la superficie. A finales de 2010, el equivalente a principios de la primavera en el hemisferio norte de Titán, se observó una serie de tormentas de metano en las regiones desérticas ecuatoriales de Titán. ^{[ 11 ]}

Debido a la excentricidad de la órbita de Saturno, Titán está aproximadamente un 12 % más cerca del Sol durante el verano del hemisferio sur, lo que hace que los veranos australes sean más cortos pero más cálidos que los veranos boreales. Esta asimetría puede contribuir a las diferencias topológicas entre los hemisferios: el hemisferio norte tiene muchos más lagos de hidrocarburos. ^{[ 12 ]} Los lagos de Titán son en gran medida plácidos, con pocas olas u ondulaciones; sin embargo, Cassini ha encontrado evidencia de una turbulencia creciente durante el verano del hemisferio norte, lo que sugiere que los vientos superficiales pueden intensificarse durante ciertas épocas del año titán. ^{[ 13 ]} Cassini también ha observado olas y ondulaciones . ^{[ 14 ]}

Los hallazgos de la sonda Huygens indican que la atmósfera de Titán periódicamente arroja metano líquido y otros compuestos orgánicos sobre la superficie de la luna. ^{[ 15 ]} En octubre de 2007, los observadores notaron un aumento en la opacidad aparente en las nubes sobre la región ecuatorial de Xanadú , lo que sugiere una "llovizna de metano", aunque esto no fue evidencia directa de lluvia. ^{[ 16 ]} Sin embargo, imágenes posteriores de lagos en el hemisferio sur de Titán tomadas durante un año muestran que se agrandan y se llenan por lluvias estacionales de hidrocarburos. ^{[ 5 ] [ 17 ]} Es posible que áreas de la superficie de Titán estén cubiertas por una capa de tolinas , pero esto no se ha confirmado. ^{[ 18 ]} La presencia de lluvia indica que Titán podría ser el único cuerpo del Sistema Solar además de la Tierra en el que podrían formarse arcoíris . Sin embargo, dada la extrema opacidad de la atmósfera a la luz visible, la gran mayoría de cualquier arcoíris solo sería visible en el infrarrojo. ^{[ 19 ]}

El número de lagos de metano visibles cerca del polo sur de Titán es decididamente menor que el número observado cerca del polo norte. Dado que el polo sur se encuentra actualmente en verano y el polo norte en invierno, una hipótesis emergente es que el metano llueve sobre los polos en invierno y se evapora en verano. ^{[ 20 ]} Según un artículo de Tetsuya Tokano de la Universidad de Colonia, se espera que los ciclones impulsados ​​por esta evaporación e involucrados en lluvia así como vientos huracanados de hasta 20  m/s (45  mph) se formen sobre los grandes mares del norte (Kraken Mare, Ligeia Mare, Punga Mare) solo en el verano del norte, durando hasta diez días. ^{[ 21 ]} Los cálculos sugieren que, a medida que el hemisferio norte, donde se encuentran la mayoría de los lagos, entra en el largo verano titaniano, las velocidades del viento podrían aumentar a 3  km/h, niveles suficientes para producir olas. ^{[ 22 ]} Desde 2014, el radar Cassini y el espectrómetro de mapeo visual e infrarrojo han observado en varias ocasiones olas que probablemente fueron generadas por vientos de verano ^{[ 23 ] [ 24 ]} o corrientes de marea. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Las simulaciones de patrones de viento globales basadas en datos de velocidad del viento tomados por Huygens durante su descenso han sugerido que la atmósfera de Titán circula en una única y enorme celda de Hadley . El gas caliente asciende en el hemisferio sur de Titán —que estaba experimentando verano durante el descenso de Huygens— y desciende en el hemisferio norte, lo que resulta en un flujo de gas de gran altitud de sur a norte y un flujo de gas de baja altitud de norte a sur. Una celda de Hadley tan grande solo es posible en un mundo de rotación lenta como Titán. ^{[ 27 ]} La celda de circulación del viento de polo a polo parece estar centrada en la estratosfera; las simulaciones sugieren que debería cambiar cada doce años, con un período de transición de tres años, a lo largo del año de Titán (30 años terrestres). ^{[ 28 ]} Esta celda crea una banda global de baja presión, lo que es en efecto una variación de la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT) de la Tierra. Sin embargo, a diferencia de la Tierra, donde los océanos confinan la ZCIT a los trópicos, en Titán, la zona se extiende de un polo a otro, llevando consigo nubes de lluvia de metano. Esto significa que Titán, a pesar de sus temperaturas gélidas, puede considerarse que tiene un clima tropical. ^{[ 29 ]}

En junio de 2012, Cassini fotografió un vórtice polar giratorio en el polo sur de Titán, que el equipo de imágenes cree que está relacionado con una "capucha polar" —un área de densa neblina a gran altitud observada sobre el polo norte desde la llegada de la sonda en 2004—. Dado que los hemisferios están cambiando de estación desde el equinoccio de 2009, con el polo sur entrando en invierno y el norte en verano, se plantea la hipótesis de que este vórtice podría marcar la formación de una nueva capucha polar austral. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

Las nubes de Titán, probablemente compuestas de metano , etano u otros compuestos orgánicos simples, están dispersas y son variables, puntuando la bruma general. ^{[ 32 ]}

En septiembre de 2006, Cassini fotografió una gran nube a una altura de 40  km sobre el polo norte de Titán. Aunque se sabe que el metano se condensa en la atmósfera de Titán , era más probable que la nube fuera etano, ya que el tamaño detectado de las partículas era de solo 1 a 3 micrómetros y el etano también puede congelarse a estas altitudes. En diciembre, Cassini volvió a observar la capa de nubes y detectó metano, etano y otros compuestos orgánicos. La nube tenía más de 2400  km de diámetro y aún era visible durante un sobrevuelo posterior un mes después. Una hipótesis es que actualmente está lloviendo (o, si hace suficiente frío, nevando) en el polo norte; las corrientes descendentes en las altas latitudes del norte son lo suficientemente fuertes como para impulsar partículas orgánicas hacia la superficie. Estas fueron las pruebas más sólidas hasta el momento del ciclo "metanológico" largamente hipotetizado (análogo al ciclo hidrológico de la Tierra ) en Titán. ^{[ 33 ]}

También se han encontrado nubes sobre la región polar sur. Si bien normalmente cubren el 1% del disco de Titán, se han observado eventos de erupción en los que la capa de nubes se expande rápidamente hasta un 8%. Una hipótesis afirma que las nubes del sur se forman cuando los niveles elevados de luz solar durante el verano titaniano generan elevación en la atmósfera, lo que resulta en convección . Esta explicación se complica por el hecho de que la formación de nubes se ha observado no solo después del solsticio de verano, sino también a mediados de la primavera. El aumento de la humedad del metano en el polo sur posiblemente contribuye al rápido aumento del tamaño de las nubes. ^{[ 34 ]} Hubo verano en el hemisferio sur de Titán hasta 2010, cuando la órbita de Saturno, que gobierna el movimiento de la luna, inclinó el hemisferio norte hacia el Sol. ^{[ 27 ]} Cuando cambian las estaciones, se espera que el etano comience a condensarse sobre el polo sur. ^{[ 35 ]}

Los modelos de investigación que coinciden con las observaciones sugieren que las nubes en Titán se agrupan en coordenadas preferidas y que la cobertura nubosa varía según la distancia a la superficie en diferentes partes del satélite. En las regiones polares (por encima de los 60 grados de latitud ), aparecen nubes de etano extensas y permanentes en la troposfera y por encima de ella; en latitudes más bajas, se encuentran principalmente nubes de metano entre los 15 y 18  km, que son más esporádicas y localizadas. En el hemisferio de verano, las nubes de metano frecuentes, densas pero esporádicas parecen agruparse alrededor de los 40°. ^{[ 28 ]}

Las observaciones terrestres también revelan variaciones estacionales en la cobertura nubosa. A lo largo de la órbita de Saturno, que dura 30 años, los sistemas nubosos de Titán parecen manifestarse durante 25 años y luego desvanecerse durante cuatro o cinco años antes de reaparecer. ^{[ 33 ]}

Cassini también ha detectado nubes blancas de tipo cirro a gran altitud en la atmósfera superior de Titán, probablemente formadas de metano. ^{[ 37 ]}

Aunque aún no se ha observado evidencia de actividad eléctrica en Titán, los modelos informáticos sugieren que las nubes en la troposfera inferior de la luna pueden acumular suficiente carga para generar rayos desde una altitud de aproximadamente 20  km. ^{[ 38 ]} La presencia de rayos en la atmósfera de Titán favorecería la producción de materiales orgánicos. Cassini no detectó ningún rayo en la atmósfera de Titán, ^{[ 39 ]} aunque podría haber rayos si fueran demasiado débiles para ser detectados. ^{[ 40 ]} Simulaciones informáticas recientes han demostrado que, bajo ciertas circunstancias , las descargas de serpentina , las etapas iniciales de las descargas eléctricas, podrían formarse en Titán. ^{[ 41 ]}

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