タイタンの湖

土星最大の衛星タイタンの表面には、液体のエタンとメタンの湖が存在する。これは1980年代から疑われていたが、カッシーニ・ホイヘンス^{宇宙探査機によって確認された。 [2]}大きな液体はmaria（海）、小さな液体はlacūs（湖）と呼ばれている。^[3]

歴史と発見

タイタンに海がある可能性は、1980年にタイタンを通過したボイジャー1号と2号の宇宙探査機のデータに基づいて初めて示唆されました。データによると、タイタンには液体炭化水素を支えるのにほぼ適切な温度と組成の厚い大気があることが示されました。1995年にハッブル宇宙望遠鏡のデータと他の観測から、地球の水と同様に、タイタンに液体メタンが孤立したポケット状または衛星全体の海規模で存在することを示唆し、直接的な証拠が得られました。^[5]

カッシーニ計画は、前者の仮説をすぐには確認しなかったものの、裏付けた。2004年に探査機が土星系に到着したとき、液体の表面からの太陽光の反射によって炭化水素の湖や海が検出できるのではないかと期待されたが、当初は鏡面反射は観測されなかった。^[6]

タイタンの極地では、液体のエタンとメタンが豊富に安定して存在すると予想されており、その可能性は残っていた。^[7]タイタンの南極地域では、オンタリオ湖と呼ばれる謎めいた暗い地形が、おそらくその地域に集まる雲によって形成されたと思われる湖であると最初に特定された。^[8]レーダー画像によって、極付近の海岸線の可能性も特定された。^[9] 2006年7月22日のフライバイの後、カッシーニ宇宙船のレーダーは、当時冬だった北半球の緯度を撮影した。極付近の表面に、大きく滑らかな（したがってレーダーでは暗い）斑点が多数点在しているのが見られた。^[10]観測に基づき、科学者らは2007年1月に「土星の衛星タイタンにメタンで満たされた湖があるという決定的な証拠」を発表した。^[7]^[11]カッシーニ・ホイヘンスチームは、撮影された地形はほぼ間違いなく長年探し求められていた炭化水素湖であり、地球外で初めて発見された表面液体の安定した塊であると結論付けた。いくつかは液体に関連する水路を持ち、地形の窪地にあるようだ。^[7]一部の地域の水路は驚くほど侵食をほとんど引き起こしていないことから、タイタンの侵食は非常に遅いか、他の最近の現象が古い河床や地形を一掃した可能性があることが示唆される。^[12]全体として、カッシーニのレーダー観測は、湖が表面の数パーセントしか覆っておらず、極地に集中していることを示しており、タイタンは地球よりもはるかに乾燥している。^[13]タイタンの下層大気のメタンの高い相対湿度は、表面全体のわずか0.002～0.02パーセントを覆う湖からの蒸発によって維持されている可能性がある。^[14]

2007年2月下旬のカッシーニのフライバイでは、レーダーとカメラの観測により、北極地域に液体メタンおよび/またはエタンの広大な領域と解釈されるいくつかの大きな地形が明らかになった。その中には、地球最大の淡水湖であるミシガン・ヒューロン湖よりわずかに大きい、面積126,000 km ² (49,000平方マイル)のリゲイア海や、後にその3倍の大きさであることが判明したクラーケン海などがある。2007年10月にタイタンの南極地域をフライバイした際にも、はるかに小さいながらも同様の湖のような地形が明らかになった。^[15]

2007年12月のカッシーニの接近飛行中に、視覚および地図作成装置がタイタンの南極地域にある湖、オンタリオ湖を観測した。この装置は、赤外線の吸収と反射の方法に基づいて化学的に異なる物質を識別する。2009年7月と2010年1月に行われたレーダー測定によると、オンタリオ湖は平均水深が0.4～3.2メートル（1フィート4インチ～10フィート6インチ）、最大水深が2.9～7.4メートル（9フィート6インチ～24フィート3インチ）と非常に浅いことがわかった。^[16]そのため、陸上の干潟に似ている可能性がある。対照的に、北半球のリゲイア海の水深は170メートル（560フィート）である。^[17]

湖の化学組成と表面粗さ

カッシーニのデータによると、科学者たちは2008年2月13日に、タイタンの極地の湖には「地球上の既知の石油と天然ガスの埋蔵量の数百倍もの天然ガスとその他の液体炭化水素」が存在すると発表した。赤道に沿った砂漠の砂丘には液体はないが、それでも地球上の石炭埋蔵量よりも多くの有機物が含まれている。^[18]タイタンの目に見える湖と海には、地球で確認されている石油埋蔵量の約300倍の量があると推定されている。 ^[19] 2008年6月、カッシーニの可視赤外線マッピング分光計は、タイタンの南半球にある湖に液体エタンが間違いなく存在することを確認した。^[20]湖に含まれる炭化水素の正確な混合比は不明である。コンピュータモデルによると、平均的な極地の湖の4分の3はエタンで、10パーセントがメタン、7パーセントがプロパン、そして少量のシアン化水素、ブタン、窒素、アルゴンです。^[21] ベンゼンは雪のように降り注ぎ、すぐに湖に溶け込むと予想されますが、地球の死海が塩で満たされているのと同じように、湖は飽和状態になる可能性があります。余分なベンゼンはその後、湖岸や湖底に泥のようなヘドロとなって蓄積し、最終的にエタンの雨によって浸食され、複雑な洞窟状の地形を形成します。^[22]アンモニアとアセチレンからなる塩のような化合物も形成されると予測されています。^[23] しかし、湖の化学組成と物理的性質はおそらく湖ごとに異なる（2013年のカッシーニの観測によると、リゲイア海はメタン、エタン、窒素の三成分混合物で満たされており、その結果、探査機のレーダー信号は水面下170メートル[560フィート]の海底を検出することができた）。^[24]

北部の湖が冬の暗闇から抜け出したとき、カッシーニは当初波を検出しなかった（計算によると、風速が毎秒1メートル[2.2マイル]未満であれば、タイタンのエタン湖で検出可能な波をかき立てるはずだが、観測されなかった）。これは、季節風が弱いか、炭化水素が固化したためである可能性がある。タイタンの北極近くには大きさの異なる湖がいくつかあるが、これらの湖が覆う面積と風速が低いことも、表面波が検出されなかった理由を説明するかもしれない。風が吹き抜ける液体上の領域はフェッチとして知られている。^[25]この領域が大きいほど、風が吹き抜けてエネルギーを伝達する面積が増えるため、波は大きくなる。フェッチ領域が小さいほど、波は小さくなる。固体メタン表面（融点に近い）の光学特性は、液体表面の特性に非常に近いが、固体メタンの粘性は、融点近くであっても桁違いに高く、これが表面の並外れた滑らかさを説明できるかもしれない。^[26]固体メタンは液体メタンよりも密度が高いため、最終的には沈んでしまう。メタンの氷はタイタンの大気中の窒素ガスの泡を含んでいる可能性が高いため、しばらくは浮く可能性がある。^[27]メタンの凝固点（90.4 K; -182.8 °C; -296.9 °F）に近い温度では、浮氷と沈氷の両方が発生する可能性があります。つまり、液体の上に炭化水素氷の地殻があり、湖底には炭化水素氷の塊があるということです。氷は春の初めに再び表面に浮上し、その後溶けると予測されています。

2014年以来、カッシーニはクラーケン海、リゲイア海、プンガ海の散在する斑点に一時的な特徴を検出しています。実験室での実験では、これらの特徴（例：レーダーで明るく見える「魔法の島」）^[28]は、湖に溶解した窒素の急速な放出によって引き起こされた広大な泡の斑点である可能性があることが示唆されています。泡の爆発は、湖が冷えてその後温かくなるとき、または大雨によりメタンを多く含む流体がエタンを多く含む流体と混ざるときはいつでも発生すると予測されています。 ^[29]^[30]泡の爆発は、タイタンの河川デルタの形成にも影響を与える可能性があります。^[30]別の説明では、カッシーニVIMS 近赤外線データの一時的な特徴は、約0.7 m/s（1.6 mph）で移動し、高さ約1.5センチメートル（0.59インチ）の浅い風による毛細管波（さざ波）である可能性があります。^[31]^[32]^{[33]カッシーニ後のVIMSデータの分析では、クラーケン海の狭い水路（}フレタ）における持続波の発生には潮流も関与している可能性があることが示唆されている。^[33]

2017年の北半球の夏には、蒸発によって発生し、雨と最大20メートル/秒（時速72キロメートル、時速45マイル）の強風を伴うサイクロンが、北半球の大きな海（クラーケン海、リゲイア海、プンガ海）でのみ発生し、最長10日間続くと予想されている。[ ^34]しかし、2007年から2015年までのカッシーニのデータの2017年の分析によると、これら3つの海の波は小さく、高さ約1センチメートル（0.39インチ）、長さ20センチメートル（7.9インチ）にしか達しなかった。この結果は、強風によりおそらくより大きな波が生じたため、初夏をタイタンの風の強い季節の始まりと分類することに疑問を投げかけている。^[35] 2019年の理論的研究では、タイタンの湖に降り注ぐ比較的密度の高いエアロゾルは液体をはじく性質があり、湖の表面に永続的な膜を形成し、波長が数センチメートルを超える波の形成を阻害する可能性があると結論付けられました。^[36]

鏡面反射の観察

2008年12月21日、カッシーニは高度1,900 km (1,200 mi) でオンタリオ湖の真上を通過し、レーダー観測で鏡面反射を観測することができた。信号は予想よりもはるかに強く、探査機の受信機を飽和させた。反射の強さから導かれた結論は、幅わずか100 m (330 ft) の第一フレネルゾーン反射領域 (地球上のどの自然乾燥面よりも滑らか) で湖面の水位が3 mm (0.12 in) 以上変化しなかったということである。このことから、その季節にはその地域の地表風が最小限であり、湖水が予想よりも粘性が高いと推測された。^[37]^[38]

2009年7月8日、カッシーニの可視赤外線マッピング分光計（VIMS）は、北緯71度、西経337度にある北半球の液体の物体から5μmの赤外線で鏡面反射を観測した。これはクラーケン海の南岸にあると説明されているが^{[39] 、}レーダーとVIMSを組み合わせた画像では、その場所は別の湖（後にジンポー湖と名付けられた）として示されている。この観測は、北極地域が15年間の冬の暗闇から抜け出して間もなく行われた。反射する液体の物体が極地に位置していたため、観測には180度に近い位相角が必要だった。 ^[40]

ホイヘンス探査機による赤道直下の観測

極地での発見は、2005年1月14日にタイタンの赤道近くに着陸したホイヘンス探査機の発見とは対照的である。探査機が降下中に撮影した画像には液体の開いた部分は見られなかったが、最近まで液体が存在したことを強く示唆するもので、広く平坦な暗い領域に通じる暗い排水溝が縦横に走る淡い丘が映っていた。当初、暗い領域は液体か少なくともタールのような物質の湖であると考えられていたが、現在ではホイヘンスが暗い領域に着陸したこと、そしてそこは液体の兆候がなく固体であることが明らかになっている。探査機が衝突した際の表面の組成を貫入計で調べたところ、表面は湿った粘土、あるいはクレームブリュレ（つまり、粘着性のある物質を覆う硬い地殻）に似ていると当初報告された。その後のデータの分析から、この数値はホイヘンスが着陸時に大きな小石を押しのけたことによる可能性が高く、表面は氷粒でできた「砂」と表現した方が適切であることが示唆されている。^[41]探査機の着陸後に撮影された画像には、小石で覆われた平原が写っている。小石は水の氷でできている可能性があり、やや丸みを帯びており、流体の作用を示している可能性がある。^[42]温度計は、熱がホイヘンスから非常に速く奪われたため、地面は湿っていたに違いないことを示しており、ある画像には、カメラの視野を横切って落ちる露滴が反射した光が写っている。タイタンでは、弱い太陽光のため、年間約 1 センチメートルしか蒸発しない (地球では水 1 メートル) が、大気は雨になる前に約 10 メートル (33 フィート) の液体を保持できる (地球では約 2 センチメートル [0.79 インチ])。そのため、タイタンの天候は、数十年から数世紀にわたる干ばつを挟んで、数メートル（15〜20フィート）の豪雨による洪水を引き起こすことが予想されています（地球の典型的な天候では、ほとんどの週に少し雨が降ります）。^[43]カッシーニは、2004年以降、赤道直下の暴風雨を一度しか観測していません。それにもかかわらず、2012年には、長年存在する熱帯炭化水素湖がいくつか予期せず発見されました^[44]（ユタ州のグレートソルトレイクの約半分の大きさで、深さが少なくとも1メートル[3フィート4インチ]のシャングリラ地域のホイヘンス着陸地点近くの湖を含む）。地球と同様に、おそらく地下の帯水層が供給源であり、言い換えれば、タイタンの乾燥した赤道地域には「オアシス」があると考えられます。^[45]

タイタンのメタン循環と地質が湖の形成に与える影響

リゲイア・マーレの進化する特徴

タイタンの大気循環の振動モデルは、土星の1年間で液体が赤道地域から極に運ばれ、そこで雨として降ることを示唆している。これが赤道地域の相対的な乾燥を説明できるかもしれない。^[46] コンピュータモデルによると、タイタンの春分と秋分の日には、通常は雨が降らない赤道地域でも激しい暴風雨が発生するはずで、その量はホイヘンスが発見したタイプの水路を切り開くのに十分な量になる。^[47]このモデルはまた、太陽のエネルギーがタイタンの表面から液体メタンを蒸発させると予測しているが、極では太陽光が相対的に少ないため、液体メタンが永久湖に蓄積しやすくなる。このモデルは、北半球に湖が多い理由も明らかに説明している。土星の軌道の偏心により、北半球の夏は南半球の夏よりも長く、その結果、北半球の雨季が長くなる。

しかし、最近のカッシーニの観測（2013年）によると、地質学によって湖やその他の表面の特徴の地理的分布も説明できる可能性がある。タイタンの不可解な特徴の1つは、極と中緯度、特に低地での衝突クレーターの少なさである。これらの地域は、地下のエタンとメタンの泉によって養われた湿地である可能性がある。^[48]隕石によって作られたクレーターは、したがって、湿った堆積物にすぐに飲み込まれる。地下の帯水層の存在は、別の謎を説明できるかもしれない。タイタンの大気はメタンで満たされており、計算によると、太陽からの紫外線と反応して液体エタンを生成するはずである。時間の経過とともに、この月は、極地の湖がほんの一握りであるのではなく、数百メートル（1,500〜2,500フィート）の深さのエタンの海を築いたはずである。湿地の存在は、エタンが地中に浸透し、地球の地下水に似た地下の液体層を形成していることを示唆している。可能性としては、クラスレートと呼ばれる物質の形成が、地下の炭化水素「帯水層」に流れ込む雨水の化学組成を変化させるということがある。このプロセスにより、プロパンとエタンの貯留層が形成され、いくつかの川や湖に流れ込む可能性がある。地下で起こる化学変化は、タイタンの表面に影響を与えるだろう。プロパンやエタンの地下貯留層からの湧水によって供給される湖や川は、同様の組成を示すが、雨水によって供給される湖や川は異なり、かなりの量のメタンを含むだろう。^[49]

タイタンの湖の97%は、北極近くの約900×1,800キロメートル（560×1,120マイル）の明るい地形の範囲内で発見されている。ここで発見された湖は、丸みを帯びた複雑なシルエットと急峻な側面など、非常に特徴的な形をしており、地殻の変形によって亀裂が生じ、そこに液体が満たされたことを示唆している。さまざまな形成メカニズムが提案されている。説明としては、氷火山の噴火後の陸地の陥没から、液体が可溶性氷を溶かすカルスト地形まで多岐にわたる。^[50]急峻な縁（高さ数百フィートまで）を持つ小さな湖（直径数十マイルまで）は、爆発クレーターがその後液体で満たされたマール湖に似ているかもしれない。この爆発は気候の変動によって起こると考えられており、寒冷期には地殻内に液体窒素が溜まり、温暖化によって窒素が急速に膨張して気体状態になったときに爆発すると考えられています。^[51]^[52]^[53]

タイタン海探検家

タイタン海探査機（TiME）は、NASAとESAが共同で提案した着陸機で、リジーア海に着陸し、その表面、海岸線、タイタンの大気を分析する予定だった。^{[54]しかし、2012年8月にNASAが代わりに火星への}インサイト計画を選択したため、この計画は却下された。^[55]

名前のついた湖と海

lacusとラベルの付いた地形はエタン/メタン湖であると考えられており、lacunaとラベルの付いた地形は乾燥した湖底であると考えられています。どちらも地球上の湖にちなんで名付けられています。 ^[3]sinusとラベルの付いた地形は、湖や海の中にある湾です。これらは地球上の湾やフィヨルドにちなんで名付けられています。insulaとラベルの付いた地形は、液体の中にある島です。これらは神話上の島にちなんで名付けられています。Titalean maria（大きな炭化水素の海）は、世界の神話に登場する海の怪物にちなんで名付けられています。^[3]表は2023年現在のものです。^[56]

タイタンの海の名前