カッシーニのレーダー観測で明るく見える湖は浮いてる有機物説です。以下、機械翻訳。
タイタン表面の単純な有機物の運命: 理論的観点
キーポイント：
• すべてのニトリル、三重結合炭化水素、ベンゼンなど、ほとんどの単純な有機物は固体としてタイタンの表面に付着します。
• 有機物は多孔性や毛細管力による浮遊作用によってタイタンの湖に浮いている可能性があり、後者はエタンが豊富な湖上の HCN 氷に特有のものである。
• ミリメートルサイズ以上の粒子の空隙による浮遊が説明できる可能性があります。
タイタンの湖にある一時的なレーダーで明るい魔法の島々。
要約
タイタンの大気光化学によりメタンと窒素が継続的に変化する
ガスをさまざまな有機化合物に変換します。 この研究はこれらの分子の運命を探ります
彼らがタイタンの表面に着陸したとき。 私たちの分析調査により、最も単純なことが明らかになりました。
すべてのニトリル、三重結合炭化水素、
ベンゼンは固体として着地します。 液相にある化合物はごくわずかですが、
エチレンは気体のままです。 固体として着地する単純な有機物については、タイタンの湖の液体との相互作用をさらに調べます。 浮力の原理を利用して、私たちは次のことを発見しました。
浮選は、エタンが豊富な湖上のHCN氷の空隙率（空隙率25～60％）または毛細管力によって引き起こされる浮力を介して達成できるということです。 そうでなければ、これらの氷は沈んでしまうでしょう
そして湖底の堆積物になります。 浮選の時間スケールを評価することにより、我々の調査結果は、ミリメートルサイズ以上の堆積物の間隙に起因する浮選が唯一の浮遊であることを示唆しています。
タイタンの湖における一時的な「魔法の島」現象を説明する、浮遊固体のもっともらしいメカニズム。
平易な言葉での要約
土星最大の衛星であるタイタンには、単純なガスを変化させる独特の大気がある
メタンや窒素などをより複雑な有機化合物に変換します。 この研究では、これらの有機化合物がタイタンの表面に到達したときに何が起こるかを調査しました。 私たちは
ほとんどの分子は固体として着地することがわかりました。 また、次の場合に何が起こるかについても調べました。
これらの固体はタイタンの炭化水素湖に着陸します。 穴だらけのスポンジを想像してみてください。 固体の場合
このように、体積の 25 ～ 60% が空の空間であるため、浮遊することができます。 いくつかの固体、
シアン化水素の氷と同様、表面張力の影響で浮くこともあります。 これらの条件があれば
満たされない場合、それらは湖の液体に沈み、湖底の堆積物を増加させます。 私たちは、浮遊筏がタイタンの湖の神秘的な特徴を説明できるかどうかを検討します。
「魔法の島々」。 これらはレーダーで見られる一時的な明るい点です。 どのくらいの長さか見てみると
マテリアルはシナリオごとに浮遊しますが、私たちの研究では、魔法の島々が存在する可能性があることが示唆されています。
多孔質有機固体の大きな塊でできているもの。
1 はじめに
タイタンの厚いメタン (CH4) と窒素 (N2) 雰囲気により、上層大気で豊富な光化学が起こることが可能になりました。 光化学は次のようなものを生み出します。
少なくとも 17 種類の気相単純有機種を含む無数の有機分子
タイタンの大気中で確認された（Yu et al., 2023a）。 光化学反応の複雑さが増すと、最終的には複雑な耐火性有機粒子が形成され、それがタイタンの特徴的なヘイズ層を構成します (Tomasko et al., 2005)。 これらの有機分子は、形成後、背景の N2-CH4 よりも重くなります。
タイタンの大気圏を通って降下することになる。 急激な気温の低下
タイタンの成層圏では、これらの分子が凝縮して液体や氷になり、
成層圏の雲 (Sagan & Thompson、1984; Anderson et al.、2018)。 結局のところ、これらは、
有機物はタイタンの表面、乾燥地帯またはタイタンの湖や海に堆積します。
タイタンの表面の単純な有機物の運命を理解することの重要性は、
それは、2034 年にタイタンに到着予定の NASA の次期ドラゴンフライ計画によって強調されています。
このミッションは主に赤道地域でタイタンの表面物質を調査します。
乾燥した表面が優勢です。 したがって、汚染される可能性のある物質の範囲を特定することが重要です。
そこで見られるものとそれに関連するフェーズ。 表面に堆積する種
固体または液体として存在するタイタンは、さらに相互作用して次のような「極低温鉱物」を形成する可能性があります。
共結晶として、進行中の研究のトピックです (Cable et al., 2021)。 将来の共結晶では、固体/液体として残る可能性のある分子の組み合わせが研究される可能性があります。
タイタンが実験候補として浮上。
カッシーニのミッションの全過程を通じて、次の 2 つの最も興味深いパズルがありました。
タイタンの湖と海は次のとおりです。 1) 波の高さと湖の液体の驚くほど滑らかさ
通常は数ミリメートル未満です (Wye et al., 2009; Zebker et al., 2014; Grima et al.,2017年; Mastrogiuseppe et al., 2019)、活動 (おそらく波) は、
いくつかの状況（Barnes et al., 2014; Hofgartner et al., 2014, 2016）、および 2) タイタンの 2 つの最大の島でレーダーで明るい特徴として観測された、一時的な「魔法の島々」の特徴
海、Ligeia Mare (Hofgartner et al.、2014、2016) および Kraken Mare (A.G. Hayes et al.、2018）。 表面粗さの欠如は、風の不足のいずれかに起因すると考えられています。
タイタンの極地（Lorenz et al., 2010）、またはタイタンの湖の液体上の堆積物質の浮遊層（Cordier & Carrasco, 2019）。 いくつかのもっともらしい仮説があり、
風によって発生する波、浮遊固体、浮遊固体、または窒素ガスの泡立ちを含む「魔法の島」現象について提案されています (Hofgartner et al., 2014; Cordier
他、2017年。 Malaska et al.、2017; コルディエ＆リジェ・ベレア、2018年。 ファーンズワースら、2019)。
これらの現象を調査するには、堆積した固体材料と固体物質の間の相互作用を調べます。
タイタンの湖の液体についてはさらなる調査が必要だ。 これらの固体、おそらく単純な有機物
氷や複雑な有機物の霧は、降水、河川/風流によってタイタンの湖に到達する可能性があります。
配達と近くの島からの流出。 ヘイズ粒子間の相互作用
そして湖の液体はYuらによって研究されている。 （2020）およびLi et al。 （2022年）。 の
固相中の単純な有機物も、タイタンの湖の液体で観察される浮遊物質を構成する可能性があります。 したがって、タイタンの湖の液体上のさまざまな単純な有機物の浮遊性の詳細な研究が必要です。 この作業では、
Titan 上のさまざまな物質の固液相互作用と浮遊性。 これらの有機物とタイタンの湖の液体との相互作用を評価することで、
湖の全体的な滑らかさと、一時的な「魔法の島」現象の性質。
図 1. タイタン表面の単純な有機物と複雑な有機物の運命の概要 (Midjourney を使用して X. Yu によって生成された背景画像 AI)。
図 2. 左上: タイタンの 12 個の単純な有機氷と水の氷の固有密度
表面温度 (青い四角) とメタン、エタン、窒素の液体密度の値
(青、オレンジ、赤の線)。 右上: これらの種が浮くために必要な最小空隙率
純粋な液体のメタン、エタン、または窒素 (色付きの四角形)。 90 ～ 95 K の間の密度変化と気孔率のしきい値は、シンボル サイズよりも小さくなります。 中央と下部のパネル:
選択された氷が三元構造上に浮かぶために必要な空隙率レベルを示す三元図
混合。 水色とピンクのひし形のシンボルは、観察されたタイタンの組成を示しています。
北極湖と南極湖。菱形のボックスは不確実性を示しています（ポジャーリ）
ら、2020)。
図 3. 上: 毛細管力による氷の浮遊を引き起こす接触角の閾値。以下を考慮して粒子サイズに対してプロット: 1) エアロゾルサイズの粒子、0.1 ～ 10 μm、および 2) 降雪
砂サイズの表面堆積物、10 μm ～ 3 mm。 影付きの領域は接触角の閾値を示します
メタン、エタン、窒素の範囲 (青、オレンジ、赤の影付き領域)。 下: CH4-
C2H2 (赤色) および HCN の接触角がゼロ以外のゾーンを示す C2H6-N2 三元図
（オレンジ）。 90 K および 95 K での接触角ゼロの境界は、破線と実線で示されています。
線。 四角形の記号とひし形のボックスは、観察された組成と不確実性を示します。
タイタン湖を測定しました。
図 4. 上: 計算された粒子サイズおよび細孔半径に対する氷粒子の濡れタイムスケール
ウォッシュバーン方程式によるもので、実線と破線は cos θ = 1 および cos θ = 0.6 です。 真ん中：
最大および最小の Ca 数を示す、粒子サイズ別の氷の毛細管数 Ca
(赤とオレンジの線) 不確実な氷粒子の特性を考慮しています。 青色の斜線部分は Ca< 10^−5 を示します。
、ガストラップが発生し始める場所。 下: 氷粒子滞留時間に対する
粒子サイズと液体で満たされた細孔率は拡散方程式によって計算されます。 緑の陰影
領域には、エアロゾル、降雪粒子、砂サイズの堆積物の可能性のある粒子サイズが表示されます。
4 タイタン湖のレーダー観測に対する示唆
滑らかさを説明するために提案されているすべての仮説の中で、
湖とタイタンで観測されたレーダーで明るい一時的な特徴から、2 つの仮説が考えられます。
波や浮遊固体の有無など、両方の観察を同時に説明します。
風によって発生する波がないことが、湖全体が滑らかな理由である可能性があります。
一方、時折波が一時的にレーダーで明るい「魔法の島」現象を引き起こす可能性があります。 同様に、浮遊固体の均一に薄い層も全体の滑らかさを説明できる可能性があり、浮遊固体の大きなクラスターが「魔法の島」として見える可能性があります。
浮遊固体が一時的なレーダーの明るい特徴を引き起こすかどうかを評価する 1 つの方法
固体の滞留時間を考慮することです。 既存の観察によると、これらは
特徴は数時間から数週間持続します (Mastrogiuseppe et al., 2014; Le
ガルら、2016)。 A. G. Hayes et al. の観察が当てはまれば、 （2018）は実際に検討しています
同じ一時的な特徴でも、浮遊固体は少なくとも一定期間は浮遊し続ける必要がある。
2時間。 浮遊固体の運命を理解する - 浮遊固体が最初は浮いていると仮定して
高い空隙率または高い接触角は、粒子の浮遊がタイタンに「魔法の島」を引き起こすかどうかについての洞察を提供する可能性があります。
単純な有機氷の多孔性が浮遊の原因である場合、時間の経過とともに湖の液体が徐々に浸透し、あらゆる細孔を埋めることが期待できます。
外部とつながった空間が形成され、最終的には氷の粒子が沈みます。 Lucas-Washburn 方程式 (Washburn、1921; Lucas、1918) を使用して、粒径 Dp の多孔質粒子の濡れタイムスケール (t) を推定できます。
t = 2D^2 pη / γlr cosθ' (1)
ここで、η は液体の動粘度です (液体メタンの場合、η = 1.8×10^−4 Pa・s)
94Kで、Boonら。 (1967); Haynes (1973))、r は氷粒子の細孔半径 (r/Dp ≪
1)。 この単純な推定により、ほとんどのシナリオで湿潤時間は 1 秒未満になります。
砂サイズ以下の粒子については、図 4(上)を参照してください。 シンプルなオーガニックなのに
氷種 (HCN および C2H2) は湖の液体との接触角が高く、時間スケールは
桁違いに増加することはありません。 したがって、浮遊物質が長時間持続するためには、
より長い期間にわたって、全体にわたって浮遊物質を一定に供給する必要があります。
期間。 さもなければ、氷の粒子は十分な閉孔を持たなければなりません。
湖の液体が浸透していきます。 しかし、後者の可能性は次の 2 つの理由からありそうにありません: 1) 地上波
タイタンの有機氷に類似している可能性のある雪の粒子は、非常に低い閉気孔を持ち、
開気孔率 (< 0.01) (Calonne et al., 2012) は、気孔空間が主に開いていることを示唆しています。 タイタンの降雪/表面堆積物の粒子の構造は不明ですが、それらが高い気孔率と高い割合の閉気孔を持っている可能性は低いです。
同時に。 2) タイタンの湖底は主に可溶性の固体炭化水素/ニトリル物質で構成されているという証拠があり (Le Gall et al., 2016)、これは大部分が
降雪物質は最終的に湖や海の底に到達します。
後者のシナリオでは、沈むことなく長期的に浮遊することになります。
ウォッシュバーン方程式に反する地球上の現象は、長い浮力です。
軽石いかだの時期。 軽石は、数日から数週間にわたって地球上の海に浮かぶことができます。
沈むまでに数か月から数年もかかる (Richards, 1958; Kent & Frick, 1984) 一方で、単純な有機氷と液体炭化水素と同様の特徴をすべて備えています。 1) 軽石
水よりもはるかに高い固有密度を持っています（約 2500 kg/m^3 対 1000 kg/m^3）
、2)
水に非常に濡れやすい、そして 3) ほとんどが開いたつながった細孔を持っています (Whitham とスパークス、1986)。
軽石の長い浮選時間の考えられる説明は、液体の浸透中に気体のかなりの体積分率が細孔空間に閉じ込められることです (Fauria)
ら、2017)。 この場合、軽石の浮遊時間スケールを決定する物理的プロセス
水の浸透ではなくガスの拡散です。 ガストラップは、粘性力と毛細管力の比であるキャップピラリー数 (Ca) が大きくなるときに発生する可能性があります。
非常に小さい (Lenormand & Zarcone、1984)、または Ca < 10^−5。 図の中段
図 4 は、Titan に存在する可能性のあるパラメータの範囲を考慮して計算された毛管数を示しています。 ガストラップが発生すると、湿潤性の高い液体が粒子の全表面積を急速に覆い、細孔の中心または細孔の連鎖が開いたままになります。 ここ
Titan でガス捕捉を引き起こす最小粒子サイズは 5 mm 以上であることがわかりました。
これは、砂サイズ以下の粒子の浮遊時間スケールが次の条件によって支配されることを意味します。
液体の浸透はガスの拡散によって決まりますが、より粗い粒子の場合は浮選のタイムスケールが支配的になります。 ガス拡散のタイムスケールは次のように近似できます (Fauria et al., 2017)。
t = D^2 p / Dξ^2' (2)
ここで、D は液体を通るガスの拡散係数、ξ は分数です。
液体で満たされた細孔空間。 図 4 の下のパネルは、浮選のタイムスケールを示しています。
ガス拡散が時間の経過とともに粒子の浮力を支配する主要なプロセスである場合。 与えられた
同じ粒径であっても、浮選時間スケールは、湿潤/液体浸透よりもガス拡散の方が桁違いに長くなります。
要約すると、単純な有機氷の粒子が高気圧のせいでタイタンの湖に浮かんでいるとすると、
多孔度が大きい場合、粒子が 1 より小さい場合、浮選のタイムスケールは短くなります (< 1 分)。
数ミリメートルですが、粒子が大きい場合はさらに長くなる可能性があります (地球日の 1 日を超える)。 浮遊物質が本当にタイタンの「魔法の島」現象の背後にある場合、それらは粗いに違いありません
数ミリメートル以上の粒子。 すべての地質を完全に探索することはできますが、
これらの粗い材料を製造できる医療プロセスは、この研究の範囲を超えています。
近くの地形からの流出、または一時的な海底氷火山活動（例：キャリー）
他。 (2018)) が有力な情報源である可能性があります。 逆に、エアロゾル、降雪、砂サイズの堆積物のような細かい粒子は、長期間の浮遊を維持する可能性が低いです。 したがって、一方、
大気中のエアロゾル粒子の継続的な堆積は、タイタンの湖面の滑らかさに貢献する可能性がありますが、それらがより実質的な「マジック イズ ランド」を形成する可能性は低いです。
大きな毛細管力によりタイタンの湖に浮かぶ単純な有機氷の場合、
浮遊は長期間持続し、粒子が完全になくなるまで持続します。
溶解した。 しかし、毛細管力による浮遊現象は、主に次の 2 つの理由からタイタンで湖の観測を引き起こす可能性は低いと思われます。1) 一時的な特徴が観察されるメタンが豊富な北極の湖ではありそうもないことです。 2) 浮遊現象が発生した場合
持続し、粒子が湖の底に沈むことはありません。
上記の理論的枠組みは主に停滞した湖面に適用されることに注意してください。 海流や波などの動的要因が浮選時間スケールに影響を与える可能性がある一方で、
しかし、タイタンの湖の特徴的な穏やかで滑らかな性質を考えると、
海 (Wye et al., 2009; Zebker et al., 2014; Grima et al., 2017; Mastrogiuseppe et al., 2019)、
その影響は、地球上のよりダイナミックな水生環境に比べて、それほど重大ではないと予想されます。
5。結論
タイタンの表面の単純な有機物の運命に関する理論的検討では、次のように導かれました。
Yuらのデータによる。 (2023a)、我々は次の結論を導き出します。
• ほとんどの単純な有機物は固体としてタイタンの表面に着陸しますが、メタン、エタン、
プロパン、プロペンは液体になります。 エチレンは気体のみになります。
• 単純な有機物は、多孔性誘起または毛細管力による浮遊によってタイタンの湖の液体上で浮力を獲得する可能性があり、タイタン上の単純な有機物が地上の雪に似ている場合、多孔性誘起の浮遊が実現可能です。 毛細管
力誘起浮選は、エタンが豊富な湖のHCN氷でのみ実行可能です。
• ミリメートルサイズ以上の粒子の空隙による浮遊は、タイタンの一時的なレーダー照射の魔法を説明できる浮遊固体の唯一の妥当なメカニズムである
島々。 他の浮遊機構のより短いまたはより長いタイムスケールは一致しない
観察とともに。
タイタン表面の単純な有機物の運命: 理論的観点
キーポイント：
• すべてのニトリル、三重結合炭化水素、ベンゼンなど、ほとんどの単純な有機物は固体としてタイタンの表面に付着します。
• 有機物は多孔性や毛細管力による浮遊作用によってタイタンの湖に浮いている可能性があり、後者はエタンが豊富な湖上の HCN 氷に特有のものである。
• ミリメートルサイズ以上の粒子の空隙による浮遊が説明できる可能性があります。
タイタンの湖にある一時的なレーダーで明るい魔法の島々。
要約
タイタンの大気光化学によりメタンと窒素が継続的に変化する
ガスをさまざまな有機化合物に変換します。 この研究はこれらの分子の運命を探ります
彼らがタイタンの表面に着陸したとき。 私たちの分析調査により、最も単純なことが明らかになりました。
すべてのニトリル、三重結合炭化水素、
ベンゼンは固体として着地します。 液相にある化合物はごくわずかですが、
エチレンは気体のままです。 固体として着地する単純な有機物については、タイタンの湖の液体との相互作用をさらに調べます。 浮力の原理を利用して、私たちは次のことを発見しました。
浮選は、エタンが豊富な湖上のHCN氷の空隙率（空隙率25～60％）または毛細管力によって引き起こされる浮力を介して達成できるということです。 そうでなければ、これらの氷は沈んでしまうでしょう
そして湖底の堆積物になります。 浮選の時間スケールを評価することにより、我々の調査結果は、ミリメートルサイズ以上の堆積物の間隙に起因する浮選が唯一の浮遊であることを示唆しています。
タイタンの湖における一時的な「魔法の島」現象を説明する、浮遊固体のもっともらしいメカニズム。
平易な言葉での要約
土星最大の衛星であるタイタンには、単純なガスを変化させる独特の大気がある
メタンや窒素などをより複雑な有機化合物に変換します。 この研究では、これらの有機化合物がタイタンの表面に到達したときに何が起こるかを調査しました。 私たちは
ほとんどの分子は固体として着地することがわかりました。 また、次の場合に何が起こるかについても調べました。
これらの固体はタイタンの炭化水素湖に着陸します。 穴だらけのスポンジを想像してみてください。 固体の場合
このように、体積の 25 ～ 60% が空の空間であるため、浮遊することができます。 いくつかの固体、
シアン化水素の氷と同様、表面張力の影響で浮くこともあります。 これらの条件があれば
満たされない場合、それらは湖の液体に沈み、湖底の堆積物を増加させます。 私たちは、浮遊筏がタイタンの湖の神秘的な特徴を説明できるかどうかを検討します。
「魔法の島々」。 これらはレーダーで見られる一時的な明るい点です。 どのくらいの長さか見てみると
マテリアルはシナリオごとに浮遊しますが、私たちの研究では、魔法の島々が存在する可能性があることが示唆されています。
多孔質有機固体の大きな塊でできているもの。
1 はじめに
タイタンの厚いメタン (CH4) と窒素 (N2) 雰囲気により、上層大気で豊富な光化学が起こることが可能になりました。 光化学は次のようなものを生み出します。
少なくとも 17 種類の気相単純有機種を含む無数の有機分子
タイタンの大気中で確認された（Yu et al., 2023a）。 光化学反応の複雑さが増すと、最終的には複雑な耐火性有機粒子が形成され、それがタイタンの特徴的なヘイズ層を構成します (Tomasko et al., 2005)。 これらの有機分子は、形成後、背景の N2-CH4 よりも重くなります。
タイタンの大気圏を通って降下することになる。 急激な気温の低下
タイタンの成層圏では、これらの分子が凝縮して液体や氷になり、
成層圏の雲 (Sagan & Thompson、1984; Anderson et al.、2018)。 結局のところ、これらは、
有機物はタイタンの表面、乾燥地帯またはタイタンの湖や海に堆積します。
タイタンの表面の単純な有機物の運命を理解することの重要性は、
それは、2034 年にタイタンに到着予定の NASA の次期ドラゴンフライ計画によって強調されています。
このミッションは主に赤道地域でタイタンの表面物質を調査します。
乾燥した表面が優勢です。 したがって、汚染される可能性のある物質の範囲を特定することが重要です。
そこで見られるものとそれに関連するフェーズ。 表面に堆積する種
固体または液体として存在するタイタンは、さらに相互作用して次のような「極低温鉱物」を形成する可能性があります。
共結晶として、進行中の研究のトピックです (Cable et al., 2021)。 将来の共結晶では、固体/液体として残る可能性のある分子の組み合わせが研究される可能性があります。
タイタンが実験候補として浮上。
カッシーニのミッションの全過程を通じて、次の 2 つの最も興味深いパズルがありました。
タイタンの湖と海は次のとおりです。 1) 波の高さと湖の液体の驚くほど滑らかさ
通常は数ミリメートル未満です (Wye et al., 2009; Zebker et al., 2014; Grima et al.,2017年; Mastrogiuseppe et al., 2019)、活動 (おそらく波) は、
いくつかの状況（Barnes et al., 2014; Hofgartner et al., 2014, 2016）、および 2) タイタンの 2 つの最大の島でレーダーで明るい特徴として観測された、一時的な「魔法の島々」の特徴
海、Ligeia Mare (Hofgartner et al.、2014、2016) および Kraken Mare (A.G. Hayes et al.、2018）。 表面粗さの欠如は、風の不足のいずれかに起因すると考えられています。
タイタンの極地（Lorenz et al., 2010）、またはタイタンの湖の液体上の堆積物質の浮遊層（Cordier & Carrasco, 2019）。 いくつかのもっともらしい仮説があり、
風によって発生する波、浮遊固体、浮遊固体、または窒素ガスの泡立ちを含む「魔法の島」現象について提案されています (Hofgartner et al., 2014; Cordier
他、2017年。 Malaska et al.、2017; コルディエ＆リジェ・ベレア、2018年。 ファーンズワースら、2019)。
これらの現象を調査するには、堆積した固体材料と固体物質の間の相互作用を調べます。
タイタンの湖の液体についてはさらなる調査が必要だ。 これらの固体、おそらく単純な有機物
氷や複雑な有機物の霧は、降水、河川/風流によってタイタンの湖に到達する可能性があります。
配達と近くの島からの流出。 ヘイズ粒子間の相互作用
そして湖の液体はYuらによって研究されている。 （2020）およびLi et al。 （2022年）。 の
固相中の単純な有機物も、タイタンの湖の液体で観察される浮遊物質を構成する可能性があります。 したがって、タイタンの湖の液体上のさまざまな単純な有機物の浮遊性の詳細な研究が必要です。 この作業では、
Titan 上のさまざまな物質の固液相互作用と浮遊性。 これらの有機物とタイタンの湖の液体との相互作用を評価することで、
湖の全体的な滑らかさと、一時的な「魔法の島」現象の性質。
図 1. タイタン表面の単純な有機物と複雑な有機物の運命の概要 (Midjourney を使用して X. Yu によって生成された背景画像 AI)。
図 2. 左上: タイタンの 12 個の単純な有機氷と水の氷の固有密度
表面温度 (青い四角) とメタン、エタン、窒素の液体密度の値
(青、オレンジ、赤の線)。 右上: これらの種が浮くために必要な最小空隙率
純粋な液体のメタン、エタン、または窒素 (色付きの四角形)。 90 ～ 95 K の間の密度変化と気孔率のしきい値は、シンボル サイズよりも小さくなります。 中央と下部のパネル:
選択された氷が三元構造上に浮かぶために必要な空隙率レベルを示す三元図
混合。 水色とピンクのひし形のシンボルは、観察されたタイタンの組成を示しています。
北極湖と南極湖。菱形のボックスは不確実性を示しています（ポジャーリ）
ら、2020)。
図 3. 上: 毛細管力による氷の浮遊を引き起こす接触角の閾値。以下を考慮して粒子サイズに対してプロット: 1) エアロゾルサイズの粒子、0.1 ～ 10 μm、および 2) 降雪
砂サイズの表面堆積物、10 μm ～ 3 mm。 影付きの領域は接触角の閾値を示します
メタン、エタン、窒素の範囲 (青、オレンジ、赤の影付き領域)。 下: CH4-
C2H2 (赤色) および HCN の接触角がゼロ以外のゾーンを示す C2H6-N2 三元図
（オレンジ）。 90 K および 95 K での接触角ゼロの境界は、破線と実線で示されています。
線。 四角形の記号とひし形のボックスは、観察された組成と不確実性を示します。
タイタン湖を測定しました。
図 4. 上: 計算された粒子サイズおよび細孔半径に対する氷粒子の濡れタイムスケール
ウォッシュバーン方程式によるもので、実線と破線は cos θ = 1 および cos θ = 0.6 です。 真ん中：
最大および最小の Ca 数を示す、粒子サイズ別の氷の毛細管数 Ca
(赤とオレンジの線) 不確実な氷粒子の特性を考慮しています。 青色の斜線部分は Ca< 10^−5 を示します。
、ガストラップが発生し始める場所。 下: 氷粒子滞留時間に対する
粒子サイズと液体で満たされた細孔率は拡散方程式によって計算されます。 緑の陰影
領域には、エアロゾル、降雪粒子、砂サイズの堆積物の可能性のある粒子サイズが表示されます。
4 タイタン湖のレーダー観測に対する示唆
滑らかさを説明するために提案されているすべての仮説の中で、
湖とタイタンで観測されたレーダーで明るい一時的な特徴から、2 つの仮説が考えられます。
波や浮遊固体の有無など、両方の観察を同時に説明します。
風によって発生する波がないことが、湖全体が滑らかな理由である可能性があります。
一方、時折波が一時的にレーダーで明るい「魔法の島」現象を引き起こす可能性があります。 同様に、浮遊固体の均一に薄い層も全体の滑らかさを説明できる可能性があり、浮遊固体の大きなクラスターが「魔法の島」として見える可能性があります。
浮遊固体が一時的なレーダーの明るい特徴を引き起こすかどうかを評価する 1 つの方法
固体の滞留時間を考慮することです。 既存の観察によると、これらは
特徴は数時間から数週間持続します (Mastrogiuseppe et al., 2014; Le
ガルら、2016)。 A. G. Hayes et al. の観察が当てはまれば、 （2018）は実際に検討しています
同じ一時的な特徴でも、浮遊固体は少なくとも一定期間は浮遊し続ける必要がある。
2時間。 浮遊固体の運命を理解する - 浮遊固体が最初は浮いていると仮定して
高い空隙率または高い接触角は、粒子の浮遊がタイタンに「魔法の島」を引き起こすかどうかについての洞察を提供する可能性があります。
単純な有機氷の多孔性が浮遊の原因である場合、時間の経過とともに湖の液体が徐々に浸透し、あらゆる細孔を埋めることが期待できます。
外部とつながった空間が形成され、最終的には氷の粒子が沈みます。 Lucas-Washburn 方程式 (Washburn、1921; Lucas、1918) を使用して、粒径 Dp の多孔質粒子の濡れタイムスケール (t) を推定できます。
t = 2D^2 pη / γlr cosθ' (1)
ここで、η は液体の動粘度です (液体メタンの場合、η = 1.8×10^−4 Pa・s)
94Kで、Boonら。 (1967); Haynes (1973))、r は氷粒子の細孔半径 (r/Dp ≪
1)。 この単純な推定により、ほとんどのシナリオで湿潤時間は 1 秒未満になります。
砂サイズ以下の粒子については、図 4(上)を参照してください。 シンプルなオーガニックなのに
氷種 (HCN および C2H2) は湖の液体との接触角が高く、時間スケールは
桁違いに増加することはありません。 したがって、浮遊物質が長時間持続するためには、
より長い期間にわたって、全体にわたって浮遊物質を一定に供給する必要があります。
期間。 さもなければ、氷の粒子は十分な閉孔を持たなければなりません。
湖の液体が浸透していきます。 しかし、後者の可能性は次の 2 つの理由からありそうにありません: 1) 地上波
タイタンの有機氷に類似している可能性のある雪の粒子は、非常に低い閉気孔を持ち、
開気孔率 (< 0.01) (Calonne et al., 2012) は、気孔空間が主に開いていることを示唆しています。 タイタンの降雪/表面堆積物の粒子の構造は不明ですが、それらが高い気孔率と高い割合の閉気孔を持っている可能性は低いです。
同時に。 2) タイタンの湖底は主に可溶性の固体炭化水素/ニトリル物質で構成されているという証拠があり (Le Gall et al., 2016)、これは大部分が
降雪物質は最終的に湖や海の底に到達します。
後者のシナリオでは、沈むことなく長期的に浮遊することになります。
ウォッシュバーン方程式に反する地球上の現象は、長い浮力です。
軽石いかだの時期。 軽石は、数日から数週間にわたって地球上の海に浮かぶことができます。
沈むまでに数か月から数年もかかる (Richards, 1958; Kent & Frick, 1984) 一方で、単純な有機氷と液体炭化水素と同様の特徴をすべて備えています。 1) 軽石
水よりもはるかに高い固有密度を持っています（約 2500 kg/m^3 対 1000 kg/m^3）
、2)
水に非常に濡れやすい、そして 3) ほとんどが開いたつながった細孔を持っています (Whitham とスパークス、1986)。
軽石の長い浮選時間の考えられる説明は、液体の浸透中に気体のかなりの体積分率が細孔空間に閉じ込められることです (Fauria)
ら、2017)。 この場合、軽石の浮遊時間スケールを決定する物理的プロセス
水の浸透ではなくガスの拡散です。 ガストラップは、粘性力と毛細管力の比であるキャップピラリー数 (Ca) が大きくなるときに発生する可能性があります。
非常に小さい (Lenormand & Zarcone、1984)、または Ca < 10^−5。 図の中段
図 4 は、Titan に存在する可能性のあるパラメータの範囲を考慮して計算された毛管数を示しています。 ガストラップが発生すると、湿潤性の高い液体が粒子の全表面積を急速に覆い、細孔の中心または細孔の連鎖が開いたままになります。 ここ
Titan でガス捕捉を引き起こす最小粒子サイズは 5 mm 以上であることがわかりました。
これは、砂サイズ以下の粒子の浮遊時間スケールが次の条件によって支配されることを意味します。
液体の浸透はガスの拡散によって決まりますが、より粗い粒子の場合は浮選のタイムスケールが支配的になります。 ガス拡散のタイムスケールは次のように近似できます (Fauria et al., 2017)。
t = D^2 p / Dξ^2' (2)
ここで、D は液体を通るガスの拡散係数、ξ は分数です。
液体で満たされた細孔空間。 図 4 の下のパネルは、浮選のタイムスケールを示しています。
ガス拡散が時間の経過とともに粒子の浮力を支配する主要なプロセスである場合。 与えられた
同じ粒径であっても、浮選時間スケールは、湿潤/液体浸透よりもガス拡散の方が桁違いに長くなります。
要約すると、単純な有機氷の粒子が高気圧のせいでタイタンの湖に浮かんでいるとすると、
多孔度が大きい場合、粒子が 1 より小さい場合、浮選のタイムスケールは短くなります (< 1 分)。
数ミリメートルですが、粒子が大きい場合はさらに長くなる可能性があります (地球日の 1 日を超える)。 浮遊物質が本当にタイタンの「魔法の島」現象の背後にある場合、それらは粗いに違いありません
数ミリメートル以上の粒子。 すべての地質を完全に探索することはできますが、
これらの粗い材料を製造できる医療プロセスは、この研究の範囲を超えています。
近くの地形からの流出、または一時的な海底氷火山活動（例：キャリー）
他。 (2018)) が有力な情報源である可能性があります。 逆に、エアロゾル、降雪、砂サイズの堆積物のような細かい粒子は、長期間の浮遊を維持する可能性が低いです。 したがって、一方、
大気中のエアロゾル粒子の継続的な堆積は、タイタンの湖面の滑らかさに貢献する可能性がありますが、それらがより実質的な「マジック イズ ランド」を形成する可能性は低いです。
大きな毛細管力によりタイタンの湖に浮かぶ単純な有機氷の場合、
浮遊は長期間持続し、粒子が完全になくなるまで持続します。
溶解した。 しかし、毛細管力による浮遊現象は、主に次の 2 つの理由からタイタンで湖の観測を引き起こす可能性は低いと思われます。1) 一時的な特徴が観察されるメタンが豊富な北極の湖ではありそうもないことです。 2) 浮遊現象が発生した場合
持続し、粒子が湖の底に沈むことはありません。
上記の理論的枠組みは主に停滞した湖面に適用されることに注意してください。 海流や波などの動的要因が浮選時間スケールに影響を与える可能性がある一方で、
しかし、タイタンの湖の特徴的な穏やかで滑らかな性質を考えると、
海 (Wye et al., 2009; Zebker et al., 2014; Grima et al., 2017; Mastrogiuseppe et al., 2019)、
その影響は、地球上のよりダイナミックな水生環境に比べて、それほど重大ではないと予想されます。
5。結論
タイタンの表面の単純な有機物の運命に関する理論的検討では、次のように導かれました。
Yuらのデータによる。 (2023a)、我々は次の結論を導き出します。
• ほとんどの単純な有機物は固体としてタイタンの表面に着陸しますが、メタン、エタン、
プロパン、プロペンは液体になります。 エチレンは気体のみになります。
• 単純な有機物は、多孔性誘起または毛細管力による浮遊によってタイタンの湖の液体上で浮力を獲得する可能性があり、タイタン上の単純な有機物が地上の雪に似ている場合、多孔性誘起の浮遊が実現可能です。 毛細管
力誘起浮選は、エタンが豊富な湖のHCN氷でのみ実行可能です。
• ミリメートルサイズ以上の粒子の空隙による浮遊は、タイタンの一時的なレーダー照射の魔法を説明できる浮遊固体の唯一の妥当なメカニズムである
島々。 他の浮遊機構のより短いまたはより長いタイムスケールは一致しない
観察とともに。
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