メタン蒸発によるタイタン湖の成層力学

タイタンの湖にも琵琶湖と同様に全層循環がある。液体と温度が違うのでメカニズムが違う。メタン-エタン-窒素混合物からの分子合成に関わってくる。以下、機械翻訳。
メタン蒸発によるタイタン湖の成層力学
2020年6月18日に提出
土星の衛星タイタンは、安定した湖と水循環をホストしていることが知られている唯一の地球以外の天体です。タイタンの湖には、主に液体メタン、エタン、窒素が含まれており、メタンの蒸発により水循環が促進されています。これら3種間の分子相互作用は、タイタンの湖が地球の湖とは異なる振る舞いを引き起こす非理想的な行動につながります。ここでは、メタンの蒸発と非理想的な相互作用がタイタンの浅い湖の物理的特性、構造、ダイナミクス、および進化にどのように影響するかを数値的に調査します。特定の温度領域では、メタンに富む混合物は比較的エタンに富む混合物よりも密度が高いことがわかります。これにより、メタンの蒸発により、タイタンの湖がエタンに富む上層とメタンに富む下層に層状になり、強い組成勾配によって分離されています。86Kを超える温度では、湖はよく混合され、層化されません。84Kと86Kの間で、湖は一時的に成層化する可能性があります。84K未満では、湖は恒久的に成層し、非常にメタンが枯渇した表皮を発達させます。典型的な表面温度からの季節的および日ごとの小さな偏差（＜5K）にもかかわらず、タイタンの雨で満たされた短命の湖および「幻の湖」は、それでもかなり大きな温度変動を経験する可能性があり、エタン氷の降水を引き起こす可能性のあるポリミティックまたはさらにはメロミティックな層化を引き起こします。

図1：チタン溶解度とメタン-エタン-窒素混合物の密度
温度と組成の関数。 TITANPOOLで作成されたプロット。 左、メタン–エタン–の密度
温度と組成の関数としての平衡状態の窒素混合物。 87 K未満の温度では、局所密度の最小値と最大値の形式。層化を可能にします。 右、平衡モル分率
温度と組成の関数としてのメタン-エタン-窒素混合物中の窒素。 窒素溶解度　混合物中のメタンの量が減少するにつれて低下し、より涼しい温度でそれに関連する窒素溶解度の最大の減少。


図2：蒸発による層別化と転覆。 86K未満では、メタンの蒸発が非常にメタンに富む混合物のバルク組成。
さらにメタン蒸発により表面層密度が低下し（b）、上に浮かぶ浮揚性のエピリムニオンが形成されます
局所密度の最大値の構成を伴う皮下組織。次に、蒸発によりエピリムニオンが
局所密度最小組成（c）。さらにメタンが蒸発すると、エピリムニオン密度が増加します（d）
地下水位よりわずかに高く、湖の転覆と混合を引き起こします（e）。このサイクルの
成層と転覆は、バルク組成が局所密度最小値（c）に達するまで繰り返されます。
湖はホロミティックになります。 84K未満では、同様のプロセスが発生し、
局所密度の最大組成（f）、およびメタン蒸発によりエピリムニオンを局所
最小（g）。蒸発を続けると、エピリムニオン密度が増加します（h）。しかし、メタンが激減した
エピリムニオン密度（i）は、ハイポリムニオン（f）の密度よりも低く、転覆を防ぎ、部分循環の湖。


図3：転覆イベントは、湖が過飽和または不飽和になる可能性があります。 転覆すると、
湖はエピリムニオンとハイポリムニオンを混合し、新しい均一な混合物を形成します。 可能
混合物は、エピリムニオンとハイポリムニオンによって区切られた組成の線形結合です
端の構成（黒い破線）、ここではピークの構成を表します
密度（最初の転覆イベントの前に予想される）およびエピリムニオンの組成
転覆時に。 得られた溶存窒素のモル分率は、
平衡状態（青色の網掛け領域）、混合気に溶存する大気中の窒素
湖。 逆に、組み合わせた組成物は窒素で過飽和になる可能性があります
領域）、窒素を分解する不安定な組成物をもたらします。 そのような窒素
溶解は非常に速く、気泡の形成を引き起こす可能性があります（例：Farnsworth et al。2020）。


図4：層別化のモード。 湖の温度は層別化のモードを決定します。 上
タイタンのメタン-エタン-窒素の液体混合物である86Kは、混合状態を維持し、成層化を防ぎます。
84Kと86Kの間で、混合物はポリミティックになり、成層化と転覆のサイクルを繰り返します。
バルクの組成は、局所密度の最小値よりもメタンが少なく、ホロミックになります。 未満
84K、混合物はmeromicticになり、最終的にはほとんどメタンのないエピリムニオンを形成します。


図5：層別化の実験的デモンストレーション。
この層別化は実験室で観察されています。これらの結果は、50％メタンの層別化を示しています。
タイタンの下で窒素で飽和した50％エタン混合物85 Kでの条件。圧力は最初わずかにタイタンの1.5バールの大気よりも大きく、次に
1.5バールから窒素とメタンを溶解させる。メタンと同様の効果を持つ表面　表面から蒸発する。 液体はに分かれます
エタンに富んだエピリムニオンとメタンと目に見えるによって区切られた窒素に富むハイポリムニオン、ケモクリン。 蒸気は窒素によって支配されています。