Badania przeprowadzone przez sondę Cassini potwierdziły obecność toksycznego lodu hybrydowego w małej chmurze wysoko nad biegunem południowym największego księżyca Saturna, czyli Tytana.

Odkrycie to stanowi zupełnie nową odsłonę skomplikowanych procesów chemicznych jakie zachodzą w atmosferze Tytana.  W tym konkretnym przypadku mamy do czynienia z procesem chmurotwórczym odbywającym się w stratosferze, będącym częścią cyklów dostarczających cząsteczki organiczne na powierzchnię księżyca.

Niewidzialna dla ludzkiego oka chmura została wykryta dzięki spektrometrowi uzbrojonemu w detektor podczerwieni (Composite Infrared Spectrometer – CIRS), który był częścią wyposażenia sondy Cassini. Chmura znajduje się na wysokości od 160 do 210 kilometrów nad powierzchnią księżyca – wysoko ponad deszczowym obłokiem metanu charakterystycznym dla troposfery Tytana. Nowa chmura pokrywa duży obszar w pobliżu bieguna południowego (od 75 do 85 stopni szerokości geograficznej południowej).

Obraz Tytana w podczerwieni wykonany przez VIMS, znajdujący się na pokładzie Cassiniego, podczas trzech bliskich przelotów sondy nad powierzchnią księżyca.

Dzięki eksperymentom laboratoryjnym przeprowadzonym na powierzchni Ziemi wiemy, że egzotyczny lód w chmurze jest kombinacją prostych organicznych cząsteczek cyjanowodoru (HCN) i aromatycznych pierścieni benzenu. Wydaje się, że te dwie substancje chemiczne uległy zestaleniu jednocześnie, a nie warstwa po warstwie.

„Ta chmura reprezentuje nową chemiczną formę lodu w atmosferze Tytana. Co ciekawe, ten szkodliwy lód składa się z dwóch cząsteczek, wyodrębnionych i skroplonych z bogatej mieszanki gazów na biegunie południowym” w ten sposób zjawisko komentuje Carrie Anderson z GSFC NASA, współtwórca CIRS.

Wcześniejsze dane przesłane przez CIRS pomogły zidentyfikować zarówno zamrożony cyjanowodór znajdujący się w chmurach nad południowym biegunem Tytana, jak również inne toksyczne chemikalia w stratosferze księżyca. W tej części atmosfery zachodzi zjawisko globalnej cyrkulacji dzięki któremu podczas lata ciepłe gazy z równika zostają przesyłane w kierunku zimnych biegunów. Ten cykl odwraca kierunek, gdy zmieniają się pory roku, co zimą prowadzi do gromadzenia się chmur na obydwu biegunach. Krótko po przylocie, Cassini znalazła dowód tego zjawiska na biegunie północnym. A po niemalże 13 latach dostrzegła ten sam proces na biegunie południowym.

Widok Tytana jest jednym z ostatnich zdjęć, jakie sonda Cassini wysłała na Ziemię, zanim pogrążyła się w atmosferze olbrzymiej planety.

Najprostszy model ilustrujący strukturę chmury zakłada, że różne typy gazu będą skraplać się i zamrażać na różnych wysokościach. Niestety rzeczywistość jest bardziej skomplikowana, ponieważ każdy rodzaj chmury tworzy się na różnej szerokości geograficznej, więc możliwe jest jednoczesne skroplenie niektórych substancji.

Anderson oraz inni naukowcy użyli CIRS, aby posortować złożony zestaw sygnałów emitowanych przez liczne cząsteczki w atmosferze Tytana. Instrument ten rozdzielił światło podczerwone na kolory składowe (tak jak krople deszczu rozdzielają światło widzialne tworząc tęczę) i mierzył siły sygnału w różnych długościach fal.

„CIRS działa zarówno jako teledetekcyjny czujnik, jak i sonda chemiczna, zbierająca promieniowanie cieplne emitowane przez poszczególne gazy w atmosferze”, tłumaczy F. Michael Flasar, główny opiekun CIRS. „Instrument robi to wszystko zdalnie, przelatując obok planety czy księżyca.”

Nowa chmura, którą naukowcy nazywają wysoką chmurą południowo-polarną, charakteryzują się wyraźną i bardzo silną sygnaturą chemiczną. Wyznacznik ten zaobserwowano już trzykrotnie (pomiędzy lipcem, a listopadem 2015). Ze względu na to, że rok na Tytanie trwa siedem lat ziemskich, przez cały ten okres naukowcy mieli do czynienia z późną jesienią.

Zaobserwowane pasma widmowe nie odpowiadały żadnym pojedynczym cząsteczkom chemicznym, więc zespół naukowców zaczął eksperymenty laboratoryjne w celu jednoczesnego skroplenia mieszaniny gazów. Używając komory lodowej, symulującej warunki panujące w stratosferze Tytana, testowano pary związków chemicznych, których widmo w podczerwieni było zbliżone do zaobserwowanego.

Południowy biegun Tytana – kłębowisko chmur lub gazowy wir uchwycony przez Cassiniego 27. czerwca 2012 roku.

Początkowo zespół stworzył warunki w których jeden gaz był skraplany przed drugim. Jednak najlepszy wynik osiągnięto poprzez wprowadzenie zarówno cyjanowodoru, jak i benzenu do komory, i umożliwienie im skraplania się w tym samym czasie. Sam benzen nie ma charakterystycznego widma w dalekiej podczerwieni. Natomiast kiedy pozwolono na kondensację tego pierwiastka wraz  z cyjanowodorem, otrzymane widmo było bardzo zbliżone do tego z obserwacji CIRS. Niemniej jednak w celu dokładnego określenie struktury cząsteczek lodu potrzebne będą dodatkowe badania.

Zespół Andersona znalazł podobny przykład skroplonego lodu w danych CIRS z 2005 r. Te obserwacje zostały wykonane w pobliżu bieguna północnego, około dwa lata po przesileniu zimowym na półkuli północnej Tytana. Ta chmura ukształtowała się na znacznie niższej, poniżej 150 km, i miała inny skład chemiczny: oprócz cyjanowodoru, zawierała cyjanoacetylen – jedną z bardziej złożonych cząsteczek organicznych znalezionych w atmosferze Tytana.

Anderson wnioskuje iż różnice w obserwowanych obłokach muszą wynikać ze zmian sezonowych na biegunach północnych i południowych. Obłok północny został zaobserwowany dwa lata po zimowym przesileniu, podczas gdy obłok południowy naukowcy mieli okazję zbadać dwa lata przed przesileniem letnim. Możliwe, że mieszanki gazów były nieco inne w obu przypadkach lub temperatura wzrosła w momencie gdy pojawiły się chmury północno-polarne.

Sonda Cassini zakończyła swoją misję 15. września 2017 roku. Jedną z jej zasług jest fakt, iż mogliśmy obserwować zmiany jakie występują zarówno na powierzchni planety jak i na jej księżycach przez okres 13 lat, co umożliwiło naukowcom dokonanie takich niesamowitych odkryć.

Source :

NASA

Autor

Karolina Bargieł

Jestem młodą miłośniczką astronomii od kilku lat związaną z Klubem Astronomicznym Almukantarat. Swoją przygodę z portalem AstroNET rozpoczęłam w 2015 roku. Artykuły, które piszę są głównie tłumaczeniami anglojęzycznych stron dotyczących najnowszych nowinek w zarówno technicznym, jak i teoretycznym astro-świecie.