Forskere finder en skadelig issky på Saturns måne Titan

Forskere med NASAs Cassini-mission fandt bevis på en giftig hybridis i en tjavset sky højt over sydpolen på Saturns største måne. Titan.

Fundet er en ny demonstration af den komplekse kemi, der forekommer i Titans atmosfære - i dette tilfælde, skydannelse i kæmpemånens stratosfære – og en del af en samling af processer, der i sidste ende hjælper med at levere et smørbord af organiske molekyler til Titans overflade.

Usynlig for det menneskelige øje, skyen blev detekteret ved infrarøde bølgelængder af Composite Infrared Spectrometer, eller CIRS, på Cassini-rumfartøjet. Beliggende i en højde på omkring 100 til 130 miles (160 til 210 kilometer), skyen er langt over metanregnskyerne i Titans troposfære, eller laveste region i atmosfæren. Den nye sky dækker et stort område nær sydpolen, fra omkring 75 til 85 grader sydlig bredde.

Laboratorieforsøg blev brugt til at finde en kemisk blanding, der matchede skyens spektrale signatur - det kemiske fingeraftryk målt af CIRS-instrumentet. Forsøgene viste, at den eksotiske is i skyen er en kombination af det simple organiske molekyle hydrogencyanid sammen med det store ringformede kemikalie benzen. De to kemikalier ser ud til at have kondenseret på samme tid for at danne ispartikler, i stedet for at den ene bliver lagt oven på den anden.

"Denne sky repræsenterer en ny kemisk formel for is i Titans atmosfære, " sagde Carrie Anderson fra NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, en CIRS-medforsker. "Det interessante er, at denne skadelige is er lavet af to molekyler, der kondenserede sammen ud af en rig blanding af gasser på sydpolen."

Tidligere, CIRS-data hjalp med at identificere hydrogencyanid-is i skyer over Titans sydpol, samt andre giftige kemikalier i månens stratosfære.

I Titans stratosfære, et globalt cirkulationsmønster sender en strøm af varme gasser fra den halvkugle, hvor det er sommer, til vinterpolen. Denne cirkulation vender retning, når årstiderne skifter, hvilket fører til en ophobning af skyer ved hvilken som helst pol, der oplever vinter. Kort efter sin ankomst til Saturn, Cassini fandt beviser på dette fænomen på Titans nordpol. Senere, nær slutningen af ​​rumfartøjets 13 år i Saturn-systemet, en lignende skyopbygning blev opdaget ved sydpolen.

Den enkle måde at tænke på skystrukturen er, at forskellige typer gas vil kondensere til isskyer i forskellige højder, næsten som lag i en parfait-dessert. Præcis hvilken sky der kondenserer hvor afhænger af hvor meget damp der er til stede og af temperaturerne, som bliver koldere og koldere i lavere højder i stratosfæren. Virkeligheden er mere kompliceret, imidlertid, fordi hver type sky dannes over en række højder, så det er muligt for nogle is at kondensere samtidigt, eller co-kondensere.

Anderson og kolleger bruger CIRS til at sortere gennem det komplekse sæt af infrarøde fingeraftryk fra mange molekyler i Titans atmosfære. Instrumentet adskiller infrarødt lys i dets komponentfarver, som regndråber der skaber en regnbue, og måler styrken af ​​signalet ved de forskellige bølgelængder.

"CIRS fungerer som et fjernmålingstermometer og som en kemisk sonde, udvælge den varmestråling, der udsendes af individuelle gasser i en atmosfære, " sagde F. Michael Flasar, CIRS hovedefterforsker hos Goddard. "Og instrumentet gør det hele på afstand, mens du passerer en planet eller måne."

Den nye sky, som forskerne kalder den højtliggende sydpolære sky, har en markant og meget stærk kemisk signatur, der dukkede op i tre sæt Titan-observationer taget fra juli til november 2015. Fordi Titans årstider varer syv jordår, det var sent efterår på sydpolen hele tiden.

De spektrale signaturer af isene svarede ikke til dem for noget individuelt kemikalie, så holdet begyndte laboratorieforsøg for samtidig at kondensere blandinger af gasser. Ved at bruge et iskammer, der simulerer forholdene i Titans stratosfære, de testede par af kemikalier, der havde infrarøde fingeraftryk i den højre del af spektret.

I første omgang, de lader den ene gas kondensere før den anden. Men det bedste resultat blev opnået ved at indføre både hydrogencyanid og benzen i kammeret og lade dem kondensere på samme tid. I sig selv, benzen har ikke et karakteristisk fjern-infrarødt fingeraftryk. Når det fik lov at co-kondensere med hydrogencyanid, imidlertid, det langt-infrarøde fingeraftryk af den co-kondenserede is var et tæt match for CIRS-observationerne.

Yderligere undersøgelser vil være nødvendige for at bestemme strukturen af ​​de co-kondenserede ispartikler. Forskerne forventer, at de er klumpede og uordnede, snarere end veldefinerede krystaller.

Anderson og kolleger fandt tidligere et lignende eksempel på co-kondenseret is i CIRS-data fra 2005. Disse observationer blev foretaget nær nordpolen, omkring to år efter vintersolhverv på Titans nordlige halvkugle. Den sky dannedes i en meget lavere højde, under 93 miles (150 kilometer), og havde en anden kemisk sammensætning:hydrogencyanid og cyanoacetylen, et af de mere komplekse organiske molekyler, der findes i Titans atmosfære.

Anderson tilskriver forskellene i de to skyer til årstidsvariationer ved nord- og sydpolen. Den nordlige sky blev set omkring to år efter den nordlige vintersolhverv, men den sydlige sky blev opdaget omkring to år før den sydlige vintersolhverv. Det er muligt, at blandingerne af gasser var lidt forskellige i de to tilfælde, eller at temperaturerne var varmet en smule op, da den nordlige polære sky blev opdaget, eller begge.

"En af fordelene ved Cassini var, at vi var i stand til at flyve forbi Titan igen og igen i løbet af den tretten år lange mission for at se ændringer over tid, " sagde Anderson. "Dette er en stor del af værdien af ​​en langsigtet mission."

Cassini-rumfartøjet afsluttede sin Saturn-mission den 15. september, 2017.