6.1K
Загадочное появление льда в облаке, которое, как казалось, состоит из воздуха, побудило ученых NASA предположить, что облака на Титане образуются не так, как считалось ранее.
Расположенное в стратосфере спутника Сатурна облако состоит из смеси углерода и азота, известной как ацетилендинитрил (C4N2) – ингредиент в химическом коктейле, который окрашивает атмосферу Титана в коричневато-оранжевый цвет.
Несколько десятилетий назад инфракрасная аппаратура на космическом аппарате NASA «Voyager 1» уже замечала похожее ледяное облако на спутнике. Удивительно то, что данные показали крайне низкое содержание газа ацетилендинитрила – менее 1% от необходимого для конденсации облака объема. Это до сих пор озадачивает ученых.
Недавние наблюдения миссии NASA «Cassini» дали аналогичный результат. С помощью спектрометра CIRS, который может идентифицировать «отпечатки» отдельных химических элементов в атмосфере, исследователи обнаружили, что облако, находящееся на большей высоте, состоит из того же замороженного вещества.
«Появление этого ледяного облака идет в разрез с тем, что мы знаем о процессе их формирования на Титане», – сказал Кэрри Андерсон, ведущий автор исследования из Центра космических полетов им. Годдарда NASA.
Типичным процессом образования облаков является конденсация. На Земле мы знакомы с циклом испарения и конденсации. То же происходит и в тропосфере Титана, стойкого к воздействию погодных условий слоя атмосферы спутника, но с метаном вместо воды.
В стратосфере, областью над тропосферой, на северном и южном полюсах Титана происходит несколько иной процесс конденсации. В данном случае слои облаков конденсируются, когда глобальная циркуляция заставляет теплые газы тонуть в прохладных регионах полярной стратосферы по мере их снижения.
В любом случае, облако образуется, когда температура и давление воздуха благоприятны для «трансформации» пара в лед. В этот момент пар и лед достигают точки равновесия, благодаря которому ученые могут вычислить их количество.
«Для облаков, которые конденсируются, это равновесие является обязательным, как закон тяготения», – сказал Роберт Самуэльсон, соавтор исследования из Центра космических полетов им. Годдарда NASA.
Но цифры показали, что для образования «невероятного» облака из ацетилендинитрила необходимо, чтобы на его высоте содержалось более чем в 100 раз больше пара, чем зафиксировал CIRS.Ранее ученые считали, что инструменты «Voyager 1» просто не смоги зафиксировать присутствие пара, так как не были достаточно чувствительны. Но когда CIRS подтвердил данные своего предшественника, Кэрри Андерсон со своими коллегами предположил совершенно другое объяснение. Вместо того, чтобы облако формировалось путем конденсации, исследователи считают, что замороженный C4N2 формируется в процессе реакций других видов ледяных частиц. Ученые называют это «химией твердого тела».
Первым шагом в предлагаемом процессе является формирование ледяных частиц, состоящих из цианоацетилена (HC3N). Так как эти кусочки льда перемещаются вниз сквозь стратосферу Титана, они покрываются цианистым водородом (HCN). На этой стадии частицы имеют сердцевину и оболочку, состоящие из разных химических веществ. Время от времени фотон ультрафиолетового света проникает в замороженную оболочку и вызывает ряд химических реакций. Именно это процесс на выходе может дать водород и ацетилендинитрил.
Аналогичный процесс можно наблюдать при образовании облаков, максимально разрушающих озоновый слой над полюсами Земли. Хотя стратосфера нашей планеты бедна на влагу, тонкие перламутровые облака (также называемые полярные стратосферные облака) могут образовываться при подходящих условиях. В этих облаках хлор-содержащие вещества, которые попали в атмосферу, загрязняют кристаллы водяного льда, что в последствии приводит к химическим реакциям, образующим озоноразрушающие молекулы хлора.
«Очень интересно думать, что мы, возможно, нашли на Титане и Земле примеры аналогичных химических процессов», – добавил Кэрри Андерсон.
Ученые считают, что на спутнике Сатурна реакции происходят внутри частиц льда, поглощенных из атмосферы. В этом случае ацетилендинитрил не будет иметь прямого контакта с атмосферой, и это может объяснить, почему отсутствует ожидаемое равновесие.