Spatial and temporal variability in the atmosphere and surface of Titan's atmosphere: simulation and interpretation through space and ground-based observations

Abstract

A new 1D coupled Radiative / Convective - Photochemical – Microphysical model for a planetary atmosphere was developed and applied to the investigation of the spatial and temporal variability of Titan's atmosphere, and in particular to photochemical haze production. The spatial variability corresponds to the vertical structure of the atmosphere and the way this is determined by the different physical, chemical and radiative processes that take place. The temporal variability, addresses the impact of the 11-year solar cycle on the vertical structure of the atmosphere. The model incorporates detailed radiation transfer calculations for the description of the shortwave and longwave fluxes which provide the vertical structure of the radiation field and determine the temperature profile. These are used for the generation of the photochemical and haze structure in the atmosphere, initiated by the photolysis of Titan's main constituents, nitrogen (N₂) and methane (CH₄). The resulting hydrocarbons and nitriles are used for the production of the haze precursors, whose evolution is described by the microphysical part of the model. The calculated aerosol and gas opacities are iteratively included in the radiation transfer calculations in order to investigate their effect on the resulting temperature profile and geometric albedo. The main purpose of this model is to help in the understanding of the missing link between the production of gaseous species and their transformation to haze particles in Titan's atmosphere. The model generates the haze structure from the gaseous species photochemistry. Model results are presented for the species vertical concentration profiles, haze formation and its radiative properties, vertical temperature/density profiles and geometric albedo. These are validated against the very recent Cassini/Huygens observations and also against other ground-based and space-borne measurements. The model reproduces well most of the latest measurements from the Cassini/Huygens instruments for the chemical composition of Titan's atmosphere and the vertical profiles of the observed species. For the haze production, we have included pathways that are based on pure hydrocarbons, pure nitriles and hydrocarbon/nitrile copolymers. From these, the nitrile and copolymer pathways provide the stronger contribution, in agreement with the results from the ACP instrument, which support the incorporation of nitrogen in the pyrolised haze structures. The haze model reveals a new second major peak in the vertical profile of haze production rate between 500 and 900 km. This peak is produced by the copolymer family used and has important ramifications for the vertical atmospheric temperature profile and geometric albedo. In particular, the existence of this second peak determines the vertical profile of haze extinction. The solar cycle variability affects the species vertical profiles and eventually results in increase in the haze production of about 60% from solar minimum to solar maximum. This has further effects on the geometric albedo and the vertical temperature structure. The model results have been compared with the DISR retrieved haze extinction profiles and are found to be in very good agreement. Furthermore, heterogeneous chemistry on the haze particles that converts atomic hydrogen to molecular hydrogen has been incorporated in the model. The resultant H₂ profile is closer to the INMS measurements, while the vertical profile of the diacetylene formed is found to be closer to that of the CIRS profile when this heterogeneous chemistry is included.

Ένα νέο μονοδιάστατο υπολογιστικό μοντέλο το οποίο συνδέει τη διάδοση της ακτινοβολίας, τη φωτοχημεία και τη μικροφυσική σε μια πλανητική ατμόσφαιρα, κατασκευάστηκε και εφαρμόστηκε για τη μελέτη των χωρικών και χρονικών μεταβολών της ατμόσφαιρας του Τιτάνα, και ειδικότερα τη φωτοχημική παραγωγή των αερολυμάτων της ατμοσφαιράς του. Οι χωρικές μεταβολές αφορούν την καθ' ύψος δομή της ατμόσφαιρας όπως αυτή καθορίζεται από τις διαφορετικές φυσικές και χημικές διεργασίες καθώς και τη διάδοση της ακτινοβολίας που λαμβάνουν χώρα. Οι χρονικές μεταβολές αφορούν την επίδραση του 11-ετoύς ηλιακού κύκλου στη καθ' ύψος δομή της ατμόσφαιρας. Το μοντέλο περιλαμβάνει λεπτομερείς υπολογισμούς για τη ροή της ακτινοβολίας για τα μικρά (υπεριώδες, ορατό και κοντινό υπέρυθρο) και μεγάλα (υπέρυθρο) μήκη κύματος, που παρέχουν τη καθ' ύψος δομή του πεδίου της ακτινοβολίας και καθορίζουν τη δομή της θερμοκρασίας. Αυτές χρησιμοποιούνται για τη περιγραφή της δημιουργίας της φωτοχημικής σύστασης και της δομής των αερολυμάτων οι οποίες ξεκινούν με τη φωτόλυση των κυρίων συστατικών της ατμόσφαιρας του Τιτάνα, του αζώτου και του μεθανίου. Τα χημικά στοιχεία που δημιουργούνται χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των δομικών δομών των αερολυμάτων, η εξέλιξη των οποίων περιγράφεται από το μικροφυσικό τμήμα του μοντέλου. Οι υπολογισμένες δομές της χημικής σύστασης και αυτή των αερολυμάτων στη συνέχεια εισέρχονται στους υπολογισμούς της διάδοσης της ακτινοβολίας και στη γεωμετρική ανάκλαση της ατμόσφαιρας. Ο βασικός στόχος αυτού του υπολογιστικού μοντέλου είναι η κατανόηση του άγνωστου μέχρι στιγμής κρίκου μεταξύ της παραγωγής των αερίων στοιχείων στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα και της μετατροπής τους στα παρατηρούμενα αερολύματα. Το μοντέλο δημιουργεί τη δομή των αερολυμάτων από την αέρια φωτοχημεία. Τα αποτελέσματα του μοντέλου για τη καθ' ύψος συγκέντρωση του κάθε στοιχείου, τη δημιουργία των αερολυμάτων και τις οπτικές τους ιδιότητες, τη καθ' ύψος δομή της θερμοκρασίας και της ατμοσφαιρικής πυκνότητας και τη γεωμετρική ανάκλαση παρουσιάζονται και συγκρίνονται με τα τελευταία αποτελέσματα από τη διαστημική αποστολή Cassini/Huygens καθώς και με προηγούμενες επίγειες και διαστημικές παρατηρήσεις. Το μοντέλο καταφέρνει να αναπαράγει σωστά τις περισσότερες από τις τελευταίες μετρήσεις για τη συγκέντρωση και καθ' ύψος δομή των χημικών στοιχείων της ατμόσφαιρας του Τιτάνα. Για την παραγωγή των αερολυμάτων χρησιμοποιήθηκαν διαδικασίες οι οποίες περιλαμβάνουν καθαρούς υδρογονάνθρακες, αζωτούχους υδρογονάνθρακες καθώς και συνδυασμούς των δύο (συν-πολυμερή). Από αυτούς, οι αζωτούχοι υδρογονάνθρακες και τα συν-πολυμερή, βρέθηκαν να έχουν τη σημαντικότερη συνεισφορά στη παραγωγή των αερολυμάτων. Αυτό το αποτέλεσμα είναι σε συμφωνία με τις μετρήσεις από το όργανο ACP της ακάτου Huygens, το οποίο έδωσε ενδείξεις για την ύπαρξη αζώτου στη δομή των αερολυμάτων. Το μοντέλο αποκαλύπτει την ύπαρξη μιας νέας σημαντικής ζώνης παραγωγής αερολυμάτων μεταξύ 500 και 900 χλμ. η οποία προέρχεται από τα συν-πολυμερή και η οποία έχει σημαντικές επιδράσεις για τη δομή της θερμοκρασίας και τη γεωμετρική ανάκλαση. Πιο συγκεκριμένα, η ύπαρξη αυτής της δεύτερης κορυφής καθορίζει την καθ’ ύψος παραγωγή των αερολυμάτων. Ο 11-ετής ηλιακός κύκλος επηρεάζει τη δομή των χημικών στοιχείων και τελικά έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγής αερολυμάτων κατά 60% μεταξύ ηλιακού ελαχίστου και μεγίστου. Αυτό έχει περαιτέρω επιδράσεις στη δομή της θερμοκρασίας και στη γεωμετρική ανάκλαση. Τα αποτελέσματα του μοντέλου συγκρίθηκαν και με τη καθ' ύψος δομή των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων, όπως αυτή μετρήθηκε από το όργανο DISR, με την οποία βρέθηκε να είναι σε καλή συμφωνία. Επίσης, ετερογενής χημικές διαδικασίες στην επιφάνεια των αερολυμάτων, οι οποίες μετατρέπουν ατομικό υδρογόνο σε μοριακό, συμπεριλήφθηκαν στο μοντέλο. Αυτές είχαν σαν αποτέλεσμα τη βελτίωση των αποτελεσμάτων για το μοριακό υδρογόνο σε σχέση με τις μετρήσεις από το όργανο INMS και για τη δι-ασετιλίνη με βάση τις μετρήσεις από το όργανο CIRS.