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New Clouds Add to Titan's Mystery

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Using adaptive optics on the Gemini North and Keck II telescopes on Mauna Kea, Hawai'i, a U.S. team has discovered a new phenomenon in the atmosphere of Saturn’s largest moon Titan.

Unlike previous observations showing storms at the south pole, these new images reveal atmospheric disturbances at Titan’s temperate mid latitudes—about halfway between the equator and the poles. Explaining the unexpected activity has proven difficult, and the team speculates that the storms could be driven by anything from short-term surface events to shifts in global wind patterns.

Gemini Observatory

Astronomers using Gemini North telescope and the Keck II observatory observed these mid-latitude features at Saturn’s largest moon, and the solar system’s second largest moon, Titan. All images are from NIRI/Altair on Gemini North except December 2003 and September 2004, which are from Keck II. Sub-observer longitude and latitude are given. All images are scaled to show Titan at the same size, although its angular diameter ranged between 0.73-0.88 arcseconds. In the stratospheric probing images only the limb-brightened stratospheric haze is visible, with a seasonal north-south asymmetry. In the tropospheric probing images the stratospheric hazes appear limb-brightened, with a general brightening in the south due to the tropopause cirrus, the distinct south polar clouds (see especially 9-April, although a cloud is near the south pole in every one of these images), and the new ~40 degrees south clouds, which are especially apparent on 8-9 April, 4 May, and 2 September. The new temperate-latitude clouds are indicated with white arrows. In the surface-probing images Titan's 22.5 degree-per-day rotation rate is apparent and the tropospheric clouds are also evident.

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“We were fortunate to catch these new mid-latitude clouds when they first appeared in early 2004," said team leader Henry Roe (California Institute of Technology). "We are not yet certain how their formation is triggered. Continued observations over the next few years will show us whether these clouds are the result of a seasonal change in weather patterns or a surface-related phenomenon."

The causes of these storms might include activities that disturb the atmosphere from the surface. It’s possible that geysers of methane “slush” are brewing from below, or a warm spot on Titan’s surface is heating the atmosphere. Cryovolcanism—volcanic activity that spews an icy mix of chemicals—has also been suggested as one mechanism that would cause disturbances. It’s also possible that the storms are driven by seasonal shifts in the global winds that circulate in the upper atmosphere. Hints about what is happening on this frigid world could be obtained as the Huygens probe from the Cassini mission drops through Titan’s atmosphere in mid-January, 2005.

About Titan
Gemini North dome/enclosure with setting sun

Gemini Observatory

Keck Observatory

Titan is the solar system’s second largest moon (after Jupiter’s moon Ganymede) and has a diameter of about 5,150 kilometers, making it even larger than the planet Mercury. Because Titan is so large it is able to retain an atmosphere which, like the Earth, consists primarily of nitrogen. Titan has long been suspected of harboring frigid volcanoes (cryovolcanism) that spew icy substances into the atmosphere (much like a geyser) and these might explain the formation of the newly discovered clouds described in the accompanying text.

The Gemini-Keck II observations were the result of good timing and telescope availability. According to Gemini scientist Chad Trujillo, Titan’s weather patterns can be stable for many months, with only occasional bursts of unusual activity like these recently discovered atmospheric features. The chances of catching such occurrences depend largely on the availability of flexible scheduling like that used at Gemini. "This flexible scheduling is absolutely critical to Titan meteorology studies,” he said. “Imagine how hard it would be to understand the Earth's diverse meteorological phenomena if you only saw a weather report a few nights every year."

Like Earth, Titan is surrounded by a thick atmosphere of mostly nitrogen. Conditions on Earth allow water to exist in liquid, solid, or vapor states, depending on localized temperatures and pressures. The phase changes of water between these states are an important factor in the formation of weather in our atmosphere. Titan's atmosphere is so cold that any water is frozen solid, but conditions are such that methane can move between liquid, solid, and gaseous states. This leads to a methane meteorological cycle on Titan in analogy to the water-based weather cycle on Earth.

As it does on Earth, seasonal solar heating can drive atmospheric activity on Titan, and this could be the mechanism behind the previously observed south polar clouds. However, the new temperate-latitude cloud formations cannot be explained by the same solar heating process If a seasonal circulation shift is causing the newly discovered features, the team theorizes that they will drift northward over the next few years as Titan’s year progresses through the southern summer and into autumn. If it is being caused by geological changes, such as methane geysers or a geologic “warm” spot on the surface, the feature should stay at the observed 40-degree latitude as the surface activity spurs changes in atmospheric convection and methane cloud formation. Continued storm formations will be easily distinguishable in future ground-based observations using Gemini, Keck and other adaptive-optics enabled telescopes.

“Using adaptive optics from the Earth allows us to see things that just a few years ago would have been invisible,” said Keck Scientist Antonin Bouchez. “These observations show that ground-based telescopes are a perfect complement to space missions like Cassini.”

This research is scheduled for publication in the January 1, 2005 issue of the Astrophysical Journal.

The national research agencies that form the Gemini Observatory partnership include: the US National Science Foundation (NSF), the UK Particle Physics and Astronomy Research Council (PPARC), the Canadian National Research Council (NRC), the Chilean Comisión Nacional de Investigación Cientifica y Tecnológica (CONICYT), the Australian Research Council (ARC), the Argentinean Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) and the Brazilian Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). The Observatory is managed by AURA under a cooperative agreement with the NSF.

The W.M. Keck Observatory is operated by the California Association for Research in Astronomy (CARA), a scientific partnership of the California Institute of Technology, the University of California, and the National Aeronautics and Space Administration.

English Version



Ma. Antonieta García Ureta
Gemini Observatory

Fono: 51- 205628

Henry Roe
División de Ciencia Planetarias y Geológicas

Fono: 1- 626-395-8708

Imágenes y publicación de web disponible en

Un nuevo fenómeno en la atmósfera de Titán, la más grande de las lunas de Saturno, descubrió recientemente un equipo norteamericano, al utilizar la óptica adaptativa en los telescopios de Gemini Norte y Keck II, emplazados en Mauna Kea, Hawai'i.

A diferencia de observaciones previas que mostraban tormentas en el polo sur, estas nuevas imágenes revelan perturbaciones atmosféricas en las latitudes medias temperadas de Titan - ubicadas entre el Ecuador y los polos.

Explicar esta inesperada actividad es complejo, y el equipo especula que las tormentas podrían ser provocadas debido a cualquier factor desde eventos superficiales de corto plazo hasta el cambio global en patrones de viento.

"Fuimos afortunados de atrapar estas nuevas nubes de latitud media cuando recién aparecieron a fines del 2004," señaló el lider del grupo Henry Roe (Instituto de Tecnología de California). "Todavía no tenemos la certeza de cómo se gatilla su formación. En el próximo par de años, las observaciones contínuas nos mostrarán si estas nubes son el resultado de un cambio estacionario en los patrones del clima o un fenómeno relacionado con la superficie."

Las causas de estas tormentas pudieran incluir actividades que perturban la atmósfera desde la superficie. Es posible que geysers de "nieve fangosa" de metano estén remojándose desde abajo, o un punto tibio de la superficie de Titan esté calentando la atmósfera.

Asimismo, la actividad volcánica de criovolcanismo que escupe un mezcla helada de químicos también ha sido sugerida como un mecanismo que causaría perturbaciones. También es posible que las tormentas se formen por cambios estacionales en los vientos globales que circulan en la parte más alta de la atmósfera. Algunas pistas de lo que pudiera estar sucediendo en este mundo frígido podría ser obtenido a medida que la prueba Huygens de la Misión Cassini cae en la atmósfera de Titan a mediados de enero del 2005.

Las observaciones de Gemini-Keck II fueron el resultado de buena programación de tiempo y disponibilidad de telescopio. Según el científico de Gemini Chad Trujillo, los patrones climáticos de Titan pueden ser estables por varios meses solo con ocasionales erupciones de actividad inusual como la de estas características atmosféricas recién descubiertas. Las posibilidades de atrapar tales acontecimientos depende en gran medida de la disponibilidad de calendarización flexible como la utilizada en Gemini. "Esta flexibilidad es absolutamente crítica para los estudios meteorológicos de Titán," agrega. "Imagina lo difícil que sería entender los diversos fenómenos meteorológicos de la Tierra si solamente vieras el reporte del tiempo apenas unas pocas noches al año."

Al igual que la Tierra, Titan está rodeada por una atmósfera densa compuesta mayoritariamente de nitrógeno. Las condiciones en la Tierra permiten que el agua exista en estado líquido, sólido o gaseoso, dependiendo de las temperaturas y presión localizadas. La fase de cambio del agua entre estos estados es un factor importante en la formación del clima en nuestra atmósfera. La atmósfera de Titan es tan fría que cualquier agua se congela pero las condiciones son tales que el metano puede moverse entre líquido, sólido y estado gaseoso. Esto nos lleva a un ciclo metereológico de metano en Titan análogo con el ciclo de clima basado en agua de la Tierra.

Como ocurre en la Tierra, el calentamiento solar estacional puede producir actividad atmosférica en Titan, y esto podría ser el mecanismo detrás de las nubes del polo sur previamente observadas . En todo caso, las nuevas formaciones de nubes de latitud temperada no pueden explicarse a través del mismo proceso de calentamiento solar.

Si es que un cambio de circulación estacional está causando las características recién descubiertas, el equipo teoriza que se irán hacia el norte en el próximo par de años a medida que el año de Titán progrese desde el verano del norte hasta su otoño.

Si está siendo provocado por cambios geológicos, como los geysers de metano o un punto geológico "tibio" en la superficie, la característica debiera permanecer

en los 40 grados de latitud observados mientras la actividad de la superficie arroja cambios en la convección atmosférica y en la formación de nube metano. Las formaciones contínuas de tormentas serán fácilmente distinguibles en futuras observaciones desde tierra usando Gemini, Keck y otros telescopios habilitados para la óptica adaptativa.

"Al utilizar la óptica adaptativa desde la Tierra podemos ver cosas que hasta hace unos pocos años atrás habrían sido invisibles," aseveró el cientifico de Keck Antonin Bouchez. "Estas observaciones muestran que los telescopios con base en tierra son un complemento perfecto de las misiones espaciales como Cassini."

Esta investigación está programada para publicación en la edición del 1 de enero del 2005 del Astrophysical Journal.

Gemini es una asociación internacional dirigida por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía bajo un acuerdo de cooperación con la Fundación Norteamericana de las Ciencias.

El Observatorio W.M. Keck Observatory es operado por la Asociación para la Investigación en Astronomía de California (CARA), una asociación científica del Instituto de Tecnología de California, la Universidad de California y la Administración Norteamericana de Aeronáutica y del Espacio.

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