Вопреки всем законам: на Титане обнаружено "невозможное" облако

Учёные объяснили, как возникает ледяное облако, чьё существование на Титане противоречит законам физики.

Иллюстрация NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute.

Процесс появления облака из ледяного ацетилендинитрила (C4N2) в стратосфере Титана.

Иллюстрация NASA's Goddard Space Flight Center.

Ледяное облако, которое, казалось, возникло из ниоткуда, заставило учёных агентства НАСА предположить, что облака на спутнике Сатурна Титане образуются не так, как считалось прежде. По их мнению, здесь играет роль довольно необычный процесс.

Облако, находящееся в стратосфере Титана, состоит из соединения углерода и азота, известного как ацетилендинитрил (C4N2). Именно этот ингредиент в химическом коктейле атмосферы гигантского спутника Сатурна окрашивает местные "туманы" в коричневато-оранжевый цвет.

В прошлом инфракрасный инструмент космического аппарата НАСА "Вояджер-1" уже обнаруживал подобное ледяное облако на Титане. Но учёные тогда выявили менее одного процента газа ацетилендинитрила, необходимого для конденсации облака.Это озадачило астрономов.

На первый взгляд, может показаться, что данные были ошибочными, но недавние наблюдения миссии НАСА "Кассини" дали аналогичный результат. Исследователи взяли на вооружение инфракрасный спектрометр аппарата CIRS, который способен выявлять отдельные химические элементы в атмосфере. С его помощью учёные обнаружили, что огромное облако, находящееся на большой высоте, состоит из того же замёрзшего вещества.

"Появление такого ледяного облака не согласуется с нашими знаниями о процессах их формирования на Титане", — говорит ведущий автор исследования изЦентра космических полётов имени Годдарда Кэрри Андерсон (Carrie Anderson).

Поясним, что обыкновенный процесс формирования облаков включает конденсацию. Так, на Земле облака образуются благодаря циклу испарения и конденсации воды. То же самое происходит и в тропосфере Титана, но вместо воды там циркулирует углеводород метан. Другой процесс конденсации происходит в стратосфере (области выше тропосферы) на северном и южном полюсах Титана. В этом случае облака образуются, поскольку глобальная циркуляция заставляет тёплые газы спускаться к полюсам. Газы превращаются в облака, когда они погружаются сквозь холодные слои полярной стратосферы.

Но в любом случае облако формируется, когда внешние температура и давление благоприятны для того, чтобы пар преобразовался в лёд. В определённный момент пар и лёд достигают точки равновесия, баланса, который определяется температурой и давлением. Соответственно, зная равновесные условия, учёные могут вычислить количество пара там, где присутствует лёд.

Процесс появления облака из ледяного ацетилендинитрила (C4N2) в стратосфере Титана.
Процесс появления облака из ледяного ацетилендинитрила (C4N2) в стратосфере Титана.
Иллюстрация NASA's Goddard Space Flight Center.

"Для появления облаков это равновесие является обязательным условием, как и закон тяготения", — говорит соавтор исследования из Центра космических полётов имени Годдарда Роберт Самуэльсон (Robert Samuelson).

Между тем, учёные определили, что для образования ледяного облака из ацетилендинитрила необходимо, чтобы на его высоте содержалось более чем в 100 раз больше паров C4N2, чем зафиксировал инструмент "Кассини" CIRS.

Астрономы пытались по-разному объяснить такие невероятные данные. Одна из ранних версий заключалась в том, что пары C4N2, вполне вероятно, могли и присутствовать, просто инструменты "Вояджера" не были достаточно чувствительными, чтобы их обнаружить.

Но когда и CIRS не нашёл нужного количества паров C4N2, то Андерсон и её коллеги предложили совершенно другое объяснение: облако может образовываться не путём конденсации. Они считают, что замороженный C4N2 образуется в процессе реакций других видов ледяных частиц. Такого рода преобразования изучает химия твёрдого тела, поскольку реакции включают лёд или твёрдую форму химического вещества.

Первый шаг в предложенном процессе – это формирование ледяных частиц, состоящих из веществ, относящихся к цианоацетилену (HC3N). Эти крошечные кусочки льда, перемещаясь вниз сквозь стратосферу Титана, покрываются цианистым водородом (HCN). На этой стадии ледяные частицы обладают сердцевиной и оболочкой, состоящей из двух разных химических веществ. Иногда фотон ультрафиолетового света проникает сквозь замороженную оболочку и провоцирует ряд химических реакций во льду. Такие реакции могут начинаться либо в ядре, либо в оболочке. И в обоих случаях могут порождаться ацетилендинитрильный лёд и водород.

Исследователи сделали такое предположение не на пустом месте, а имея представление о процессах образования облаков, участвующих в истощении озонного слоя над полюсами Земли. Хотя стратосфера Земли не особо богата влагой, тонкие перламутровые облака (также называемые полярными стратосферными облаками) могут образовываться в ней при подходящих условиях. В этих облаках хлорсодержащие вещества, которые попали в атмосферу, загрязняют кристаллы водяного льда. Такой процесс впоследствии приводит к химическим реакциям, порождающим озоноразрушающие молекулы хлора.

"Удивительно, но мы, вероятно, обнаружили примеры схожих химических процессов, происходящих и на Земле, и на Титане", — отмечает Андресон.

Исследователи предполагают, что на Титане реакции происходят внутри ледяных частиц, пришедших из атмосферы. В этом случае ледяной ацетилендинитрил не будет иметь прямого контакта с атмосферой. Но, возможно, именно этим и объясняется, как может происходить формирование льда и пара без наличия ожидаемого равновесия.

Результаты исследования специалистов НАСА были опубликованы в научном издании Geophysical Research Letters.