天文学家在泰坦的平流层中检查二氰乙炔冰

2018-05-15

em新的研究考察了泰坦平流层中的一层二氰乙炔冰的出现。 / em

看起来令人费解的冰云似乎令人迷惑不解,这促使美国国家航空航天局的科学家们提出,与以前想象的不同的过程 - 可能类似于在地球两极看到的 - 可能会在土星的月亮泰坦上形成云。

位于泰坦的平流层,云是由一种称为二氰乙炔(C4N2)的碳和氮化合物制成的,化学鸡尾酒中的成分为巨型月亮的朦胧棕橙色气氛着色。

数十年前,美国航空航天局航空航天器1号航天器上的红外仪器发现了一块冰晶云,就像泰坦上的这颗冰云一样。科学家们此后一直困惑的是:他们检测到云凝结所需的二氰乙炔气体的不到1%。

美国宇航局卡西尼号任务最近的观测结果也相似。使用卡西尼的复合红外光谱仪(或CIRS),可以识别大气酿造中单个化学品的光谱指纹 - 研究人员发现了一种由相同冷冻化学品制成的大型高海拔云。然而,就像旅行者号发现的那样,当涉及到这种化学物质的蒸气形式时,CIRS报告说,泰坦的平流层像沙漠一样干燥。

该云研究的主要作者,美国宇航局位于马里兰州格林贝尔德的美国宇航局戈达德太空飞行中心的CIRS联合研究员卡里安德森说:“这块冰云的出现与我们对泰坦云形成方式的所有知识背道而驰。

来自美国宇航局卡西尼使命的科学家们认为,在冰晶粒内发生的“固态”化学反应说明了泰坦平流层中出现了一层二氰乙炔(C4N2)冰。该颗粒具有涂覆有氰化氢(HCN)冰外层​​的氰乙炔(HC3N)冰的内层。 (左)当光子穿透外壳时,它可以与HC3N相互作用,产生C3N和H.(中心)C3N然后与HCN反应产生(右)C4N2和H.另一个也产生C4N2冰的反应H也是可能的,但不太可能。学分:美国宇航局戈达德太空飞行中心

典型的云形成过程涉及冷凝。在地球上,我们熟悉水的蒸发和凝结循环。泰坦的对流层 - 泰坦大气层的天气形成层 - 也是甲烷而不是水。

在平流层 - 对流层以上地区 - 在泰坦南北两极的冬季两极发生了不同的凝结过程。在这种情况下,随着全球环流模式强迫气体在极点下降,云层会凝聚。随着气体沉入极冷平流层的较冷和较凉层,气体凝结。

无论哪种方式,当空气温度和压力有利于蒸汽冷凝成冰时,就会形成云。蒸气和冰达到一个平衡点 - 一个平衡点 - 由空气温度和压力决定。由于这种平衡,科学家可以计算存在冰的蒸气量。

“对于浓缩的云,这种平衡是强制性的,就像引力定律一样,”Goddard的名誉科学家,该论文的合着者罗伯特萨缪尔森说。

但是这些数字不计算由二氰乙炔制成的云。科学家们确定,他们需要至少100倍的水汽才能形成一个冰云,卡西尼的CIRS观测到云顶。

早期有人解释说蒸气可能存在,但Voyager仪器在检测它所需的临界波长范围内灵敏度不够。但是当CIRS也没有发现蒸气时,安德森和她的戈达德和加州理工的同事提出了一个完全不同的解释。他们认为C4N2冰是由于在其他冰粒上发生反应而形成的,而不是凝结形成的云。研究人员称这种“固态化学”,因为这些反应涉及化学物质的冰或固体形式。

所提议的方法的第一步是形成由相关化学氰乙炔(HC3N)制成的冰粒。当这些微小的冰块通过泰坦的平流层向下移动时,它们被氰化氢(HCN)覆盖。在这个阶段,冰粒具有核心和由两种不同化学物质组成的壳。有时候,紫外线光子隧道进入冷冻壳,并触发冰中的一系列化学反应。这些反应可以在核心或壳内开始。两种途径都可以产生二氰亚甲基冰和氢作为产物。

研究人员从高度高于地球两极的臭氧消耗的云层形成中获得了固态化学的想法。虽然地球的平流层缺少水分,但是在适当的条件下可以形成微小的珠光云(也称为极地平流层云)。在这些云层中,随着污染物进入大气,含氯化学物质会粘附在水冰晶体上,导致化学反应释放破坏臭氧的氯分子。

“能想到我们可能已经在泰坦和地球上找到类似的固态化学过程的例子,这是非常令人兴奋的,”安德森说。

研究人员表示,在泰坦中,反应发生在冰粒内部,与大气隔绝。在这种情况下,二氰乙炔冰不会与大气直接接触,这就可以解释为什么冰和蒸气形式不在预期的平衡状态。

“戈登德的CIRS首席研究员Michael Flasar说:”泰坦和地球极地平流层的成分差别不大。“ “能够看到这两种气氛的基础物理学如何导致了类似的云化学,真是令人惊讶。”

研究结果发表在“地球物理研究快报”杂志上。

发表:C.M.Anderson等人,“Solid-state photochemistry as a formation mechanism for Titan's stratospheric C4N2 ice clouds,”Geophysical Research Letters,2016; DOI:10.1002 / 2016GL067795

来源:普雷斯顿戴斯,喷气推进实验室