Облако, расположенное в стратосфере Титана, состоит из соединения углерода и азота, известного как дицианоацетилен (C4N2), ингредиента химического коктейля, который окрашивает туманную коричневато-оранжевую атмосферу гигантской луны.Десятилетия назад инфракрасный прибор на космическом корабле НАСА «Вояджер-1» обнаружил ледяное облако, подобное этому на Титане.
С тех пор ученых озадачило следующее: они обнаружили менее 1 процента газа дицианоацетилена, необходимого для конденсации облака.Недавние наблюдения миссии НАСА «Кассини» дали аналогичный результат. Используя составной инфракрасный спектрометр Кассини, или CIRS, который может идентифицировать спектральные отпечатки отдельных химических веществ в атмосферном пиве, исследователи обнаружили большое высотное облако, состоящее из того же замороженного химического вещества. Тем не менее, как обнаружил "Вояджер", когда дело доходит до парообразной формы этого химического вещества, CIRS сообщил, что стратосфера Титана такая же сухая, как пустыня.
«Появление этого ледяного облака противоречит всему, что мы знаем о том, как облака образуются на Титане», — сказала Кэрри Андерсон, со-исследователь CIRS в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, и ведущий автор исследования.Типичный процесс образования облаков включает конденсацию.
На Земле мы знакомы с циклом испарения и конденсации воды. Такой же цикл имеет место в тропосфере Титана — погодообразующем слое атмосферы Титана — но с метаном вместо воды.Другой процесс конденсации происходит в стратосфере — области над тропосферой — на северном и южном зимних полюсах Титана. В этом случае слои облаков конденсируются, поскольку картина глобальной циркуляции заставляет теплые газы опускаться вниз к полюсу.
Затем газы конденсируются, опускаясь через все более и более холодные слои полярной стратосферы.В любом случае облако образуется, когда температура и давление воздуха благоприятны для конденсации пара в лед.
Пар и лед достигают точки равновесия — равновесия, которое определяется температурой и давлением воздуха. Благодаря этому равновесию ученые могут рассчитать количество пара, в котором присутствует лед.«Для конденсирующихся облаков это равновесие является обязательным, как и закон всемирного тяготения», — сказал Роберт Самуэльсон, заслуженный ученый Годдарда и соавтор статьи.Но эти числа не рассчитываются для облака из дицианоацетилена.
Ученые определили, что им потребуется как минимум в 100 раз больше пара, чтобы сформировать ледяное облако там, где вершина облака наблюдалась с помощью CIRS Кассини.Одно из объяснений, предложенных на ранней стадии, заключалось в том, что пар мог присутствовать, но инструмент «Вояджера» был недостаточно чувствителен в критическом диапазоне длин волн, необходимом для его обнаружения.
Но когда CIRS также не нашла пар, Андерсон и ее коллеги из Годдарда и Калифорнийского технологического института предложили совершенно другое объяснение. Они думают, что вместо облака, образующегося в результате конденсации, лед C4N2 образуется из-за реакций, происходящих с другими видами частиц льда. Исследователи называют это «химией твердого тела», потому что реакции включают лед или твердую форму химического вещества.
Первым шагом в предлагаемом процессе является образование частиц льда из родственного химического цианоацетилена (HC3N). Когда эти крошечные кусочки льда движутся вниз через стратосферу Титана, они покрываются цианистым водородом (HCN). На этом этапе ледяная частица имеет ядро ??и оболочку, состоящую из двух разных химических веществ. Иногда фотон ультрафиолетового света проникает в замороженную оболочку и запускает серию химических реакций во льду.
Эти реакции могут начаться как в ядре, так и внутри оболочки. Оба пути могут давать дицианоацетиленовый лед и водород в качестве продуктов.
Исследователи получили представление о химии твердого тела из образования облаков, участвующих в истощении озонового слоя высоко над полюсами Земли. Хотя в стратосфере Земли мало влаги, тонкие перламутровые облака (также называемые полярными стратосферными облаками) могут формироваться при правильных условиях.
В этих облаках хлорсодержащие химические вещества, попавшие в атмосферу в качестве загрязнения, прилипают к кристаллам водяного льда, что приводит к химическим реакциям, в результате которых выделяются разрушающие озон молекулы хлора.«Очень интересно думать, что мы, возможно, нашли примеры аналогичных химических процессов в твердом состоянии как на Титане, так и на Земле», — сказал Андерсон.
Исследователи предполагают, что на Титане реакции происходят внутри частиц льда, отделенных от атмосферы. В этом случае дицианоацетиленовый лед не будет напрямую контактировать с атмосферой, что объясняет, почему лед и пар не находятся в ожидаемом равновесии.«Состав полярных стратосфер Титана и Земли не мог больше отличаться», — сказал Майкл Фласар, главный исследователь CIRS в Годдарде. «Удивительно видеть, насколько хорошо физика, лежащая в основе обеих атмосфер, привела к аналогичной химии облаков».
Результаты опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.Миссия Кассини-Гюйгенс — это совместный проект НАСА, ЕКА (Европейское космическое агентство) и Итальянского космического агентства.
Лаборатория реактивного движения НАСА, подразделение Калифорнийского технологического института в Пасадене, руководит миссией Управления научных миссий НАСА в Вашингтоне. Лаборатория реактивного движения спроектировала, разработала и собрала орбитальный аппарат "Кассини".
Инструмент CIRS был построен Годдардом.Для получения дополнительной информации о Кассини посетите:http://www.nasa.gov/cassinihttp://saturn.jpl.nasa.gov