Naukowcy znów odkrywają zagadkowe chmury na Tytanie

Mglisty Tytan przesuwa się na tle pierścieni Saturna w naturalnych barwach na zdjęciu wykonanym przez sondę Cassini. Źródło: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Mglisty Tytan przesuwa się na tle pierścieni Saturna w naturalnych barwach na zdjęciu wykonanym przez sondę Cassini. Źródło: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Zagadkowe pojawienie się lodowej chmury zupełnie znikąd sprawiło, że naukowcy z NASA rozważają istnienie zupełnie innego od dotychczas przyjmowanego procesu odpowiedzialnego za ich powstawanie –  podobnego do tego obserwowanego nad ziemskimi biegunami.

Znajdująca się w stratosferze Tytana chmura składa się ze związków węgla i azotu znanych jako dicyjanoacetylen (C4N2), które stanowią element chemicznego koktajlu odpowiadającego za brązowo-pomarańczową barwę atmosfery olbrzymiego księżyca.

Kilka dekad temu, instrumenty obserwujące w podczerwieni zainstalowane na pokładzie sondy Voyager 1 zaobserwowały taką samą lodową chmurę na Tytanie. Od tamtego czasu naukowców trapił jeden problem: udało się zaobserwować mniej niż 1 procent dicyjanoacetylenu niezbędnego do powstania takiej chmury.

Najnowsze obserwacje przeprowadzone za pomocą sondy Cassini potwierdziły te wyniki. Wykorzystując zamontowany na pokładzie sondy Cassini spektrometr pracujący w podczerwieni, tzw. CIRS – który może identyfikować widmowe cechy pojedynczych związków chemicznych tworzących atmosferę – naukowcy odkryli ogromną chmurę złożoną z tego samego zamarzniętego związku chemicznego. Jednak – tak jak w przypadku Voyagera – jeżeli chodzi o gazową formę tego związku, CIRS pozwolił stwierdzić, że w stratosferze Tytana praktycznie nie występuje.

„Pojawienie się tego lodowego obłoku stoi w sprzeczności ze wszystkim co wiemy o powstawaniu chmur na Tytanie,” mówi Carrie Anderson, członek zespołu CIRS z Goddard Space Flight Center w Greenbelt.

Typowe procesy powstawania chmur obejmują skraplanie. Na Ziemi doskonale znane nam są cykle odparowywania i skraplania wody. Taki sam cykl zachodzi w troposferze Tytana – „pogodowej” warstwie atmosfery Tytana – jednak w tym przypadku mamy do czynienia z metanem zamiast wody.

Inny proces skraplania zachodzi w stratosferze – obszarze atmosfery znajdującym się nad troposferą – nad północnym i południowym zimowym biegunem Tytana. W tym przypadku warstwy chmur skraplają się gdy globalne cykle cyrkulacji wpychają ciepłe gazy w dół, w kierunku bieguna. Takie gazy ulegają kondensacji zapadając się przez coraz chłodniejsze warstwy biegunowej stratosfery.

Tak czy inaczej, obłoki pojawiają się gdy temperatura otoczenia i ciśnienie sprzyjają kondensacji pary w lód. Para i lód osiągają punkt równowagi zależny od temperatury i ciśnienia. Dzięki tej równowadze naukowcy są w stanie obliczyć ilość pary tam gdzie obecny jest lód.

„W przypadku chmur, które powstają wskutek kondensacji, ta równowaga jest obowiązkowa niczym prawo grawitacji,” mówi Robert Samuelson, emerytowany naukowiec z Goddard Space Flight Center i współautor artykułu naukowego.

Jednak liczby zupełnie się ze sobą nie zgadzają w przypadku chmur składających się z dicyjanoacetylenu. Naukowcy doszli do wniosku, że potrzebowaliby co najmniej 100 razy więcej pary, aby powstała chmura tam gdzie zaobserwowała ją sonda Cassini.

Jedno z pierwszych rozwiązań tego problemu mówiło, że być może para faktycznie się tam znajduje, jednak instrument sondy Voyager nie był wystarczająco czuły na krytycznej długości fali, aby ją wykryć. Jednak gdy CIRS także nie dostrzegł tego gazu, Anderson wraz ze swoimi współpracownikami z Goddard i Caltech zaproponowali całkowicie nowe wytłumaczenie. Być może obłoki powstają nie wskutek kondensacji, lecz lód C4N2 powstaje wskutek reakcji zachodzących na innego rodzaju ziarnach lodu. Naukowcy nazywają takie reakcje „chemią stanu stałego”, ponieważ reakcje zachodzą na związku chemicznym w stanie stałym.

Pierwszy etap tego procesu stanowi powstawanie cząsteczek lodu składających się z cyjanoacetylenu (HC3N). Gdy te drobinki lodu przemieszczają się w dół przez kolejne warstwy stratosfery Tytana pokrywają się cyjanowodorem (HCN). Na tym etapie, ziarna lodu składają się z jądra i otoczki składających się z dwóch różnych związków chemicznych. Sporadycznie foton promieniowania ultrafioletowego przedostaje się do zamrożonej otoczki i rozpoczyna serię reakcji chemicznych w lodzie. Reakcje te mogą rozpocząć się albo w jądrze albo w otoczce – tak czy inaczej prowadząc do powstania dicyjanoacetylenu i wodoru.

Naukowcy wpadli na pomysł chemii stanu stałego przypominając sobie procesy prowadzące do powstawania obłoków zaangażowanych w usuwanie ozonu wysoko nad biegunami Ziemi. Choć ziemska stratosfera praktycznie pozbawiona jest wilgoci, delikatne, włókniste biegunowe chmury stratosferyczne mogą w niej powstawać w odpowiednich warunkach. To właśnie w tych chmurach związki zawierające chlor, które weszły w ziemską atmosferę jako zanieczyszczenie, przyklejają się do kryształków lodu wodnego i rozpoczynają reakcje chemiczne, które prowadzoną do uwolnienia niszczących ozon cząsteczek chloru.

„To niesamowicie ekscytujące, że udało nam się znaleźć przykłady podobnych procesów chemicznych stanu stałego na Tytanie i na Ziemi,” mówi Anderson.

Naukowcy wskazują, że na Tytanie reakcje mogą zachodzić wewnątrz ziaren lodu, w izolacji od atmosfery. W tym przypadku lód dicyjanoacetylenowy nie miałby bezpośredniego kontaktu z atmosferą, a to tłumaczyłoby brak równowagi między lodem a parą w atmosferze.

Wyniki badań zostały opublikowane w periodyku Geophysical Research Letters.

Źródło: Goddard Space Flight Center