Гигантский спутник Сатурна Титан окутан густой, плотной атмосферой, которая, как ныне известно, является одной из самых сложных химических сред в Солнечной системе. На этом «заводе» производятся углеводороды, которые затем осыпаются на ледяную поверхность Титана, покрывая его сажей и — в условиях жестокого холода — образуя озёра жидкого метана и этана.

Наиболее важный сырьевой компонент этого химического завода метан (один атом углерода и четыре — водорода) живёт очень мало, ибо постоянно разрушается солнечным светом и превращается в более сложные молекулы. Возникает возможность понять, как долго работает это предприятие. Результаты новых исследований опубликованы в виде двух статей в издании Astrophysical Journal.

Специалисты воспользовались показателями двух бортовых инструментов космического аппарата «Кассини», находящегося на орбите Сатурна, и одного прибора зонда «Гюйгенс», который опустился на поверхность Титана в январе 2005 года.

Группа исследователей, которую возглавлял Конор Никсон из Мэрилендского университета (США), проанализировала инфракрасные спектры метана, полученные композитным инфракрасным спектрометром «Кассини». Учёных интересовал метан с более тяжёлым и менее распространённым изотопом углерода ¹³C. Поскольку метан с ¹²C чуть легче, химические реакции, в результате которых он превращается в более сложные углеводороды, происходят чуть быстрее. Это означает, что такой метан расходуется несколько быстрее, поэтому концентрация тяжёлого метана в атмосфере Титана медленно возрастает. Это позволяет оценить, как давно был запущен химический завод Титана.

«По нашим подсчётам, метановая атмосфера существует не более 1,6 млрд лет, то есть треть жизни Титана, — отмечает г-н Никсон. — Однако если метану позволительно покидать верхние слои атмосферы, как предположили некоторые предыдущие работы, возраст метановой атмосферы должен быть намного меньше — примерно 10 млн лет». Оба сценария предполагают, что метан вошёл в атмосферу в результате дегазации Титана — когда более тяжёлый материал погрузился в глубины спутника, а лёгкие поднялись на поверхность.

«Но возможен и такой вариант, что атмосферные запасы метана непрерывно пополняются, и тогда возраст химпроизводства этим методом определить невозможно», — добавляет г-н Никсон. Среди таких источников клатраты, то есть молекулы метана, заключённые в ледяную «клетку». Они встречаются в холодных глубинах земных океанов, и некоторые учёные полагают, что под ледяной коркой Титана может быть океан жидкой воды, смешанной с аммиаком (действующим как антифриз). Если это так, метан освобождается из клатратов во время извержений гипотетических «криовулканов», выбрасывающих на поверхность водно-аммиачную суспензию, или же просто медленно просачивается через трещины в коре.

Вторая статья, авторами которой стали Кэтлин Мандт из Юго-Западного исследовательского института (США) и её коллеги, тоже посвящена моделированию возраста метана. В этой работе концентрация тяжёлого метана определялась по данным ионного и нейтрального масс-спектрометра «Кассини» и газового хроматографического масс-спектрометра «Гюйгенса». Оба инструмента измеряют количество молекул определённой массы.

«Мы пришли к выводу, что, даже если метан пополняется из недр в течение долгого времени, этому процессу не более миллиарда лет, — говорит г-жа Мандт. — Если процесс начался раньше, то должно происходить более активное накопление метана в озёрах и атмосфере по сравнению с тем, что мы наблюдаем».

В целом обе работы говорят о том, что метановая атмосфера сформировалась через продолжительное время после образования Титана. Кстати, одно из предыдущих исследований показало, что последнее крупное метановое извержение имело место от 350 млн до 1,35 млрд лет назад, тогда как возраст поверхности спутника оценивается в 0,2–1 млрд лет.