NASA Wissenschaftler finden ‚unmögliche‘ Wolke auf Titan

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Titan mit seiner trüben Atmosphäre und der Saturn im Hintergrund: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Die rätselhafte Erscheinung einer Eiswolke – scheinbar aus dem Nichts – hat die NASA Wissenschaftler zur Annahme geführt, dass ein anderer Prozess als bisher angenommen zur Bildung von Wolken auf dem Saturnmond Titan führen könnte. Möglicherweise ähnelt dieser sogar der Wolkenbildung über den Erdpolen.

Diese Wolke, die in der Stratosphäre liegt, besteht aus einer Verbindung aus Kohlenstoff und Stickstoff, bekannt als Dicyanoacetylen (C4N2), eine Zutat in dem chemischen Cocktail, die die trübe Atmosphäre des riesigen Mondes bräunlich-orange färbt.

Vor Jahrzehnten entdeckte das Infrarot-Instrument auf der NASA-Raumsonde Voyager 1 eine Eiswolke wie diese auf Titan. Was Wissenschaftler seitdem verwirrt hat ist Folgendes: Sie erfassten weniger als 1 Prozent des für die Kondensierung benötigten Dicyanoacetylen Gases in der Wolke.

Jüngste Beobachtungen der NASA Cassini-Mission kommen auf ein ähnliches Ergebnis. Mit dem Cassini Composite-Infrarot-Spektrometer – oder CIRS – das die spektralen Fingerabdrücke der einzelnen Chemikalien in dem atmosphärischen Gebräu identifizieren kann, fanden Forscher eine große Wolke die aus der gleichen gefrorenen Chemikalie besteht. Doch, wie die Voyager-Funde damals, berichtet CIRS, dass die Dampfform dieser Chemikalie in der extrem trockenen Stratosphäre des Mondes nicht gefunden werden konnte.

“Diese Eiswolke geht gegen alles was wir über die Art und Weise der Wolkenbildung auf dem Titan kennen.“, sagte Carrie Anderson, eine CIRS Co-Ermittlerin am NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, und führende Autorin der Studie.

Das typische Verfahren zur Bildung von Wolken beinhaltet Kondensation. Auf der Erde sind wir mit dem Kreislauf von Verdunstung und Kondensation von Wasser vertraut. Die gleiche Art von Zyklus findet in der Titan Troposphäre – die Wetter bildende Schicht der Titan-Atmosphäre – statt, aber mit Methan statt Wasser.

Ein anderer Kondensationsprozess findet in der Stratosphäre – der Bereich oberhalb der Troposphäre – in den Nord- und Südtitanpolen statt. In diesem Fall kondensieren die Wolkenschichten wenn die globale Zirkulation warme Gase in den Polarregionen nach unten drückt. Diese Gase kondensieren, während sie durch die kühleren Schichten der Stratosphäre an den Polen sinken.

Es bildet sich eine Wolke, wenn die Lufttemperatur und die Druckbedingungen für das Kondensieren von Dampf zu Eis günstig sind. Der Dampf und das Eis erreichen einen Gleichgewichtspunkt, der von der Lufttemperatur und dem Druck bestimmt wird. Aufgrund dieses Gleichgewichtes können Wissenschaftler die Menge an Dampf, wo auch Eis vorhanden ist, berechnen.

„Für die Wolkenkondesation ist dieses Gleichgewicht so zwingend erforderlich, wie das Gesetz der Schwerkraft“, sagte Robert Samuelson, ein emeritierter Wissenschaftler am Goddard und Co-Autor des Artikels.

Aber diese Berechnungen passen nicht für die Bildung der Wolke aus Dicyanoacetylen auf dem Titan. Die Wissenschaftler stellten fest, dass – um eine Eiswolke an dieser Wolkenobergrenze zu bilden, die von Cassini CIRS beobachtet wurde – mindestens 100-mal mehr Dampf benötigt würde.

Eine vorgeschlagene Erklärung war, dass der Dampf vorhanden sein könnte, aber Voyagers Instrument in diesem kritischen Wellenlängenbereich nicht empfindlich genug  sei, um es zu erkennen. Aber als CIRS auch keinen Dampf fand, haben Anderson und ihre Goddard und Caltech Kollegen eine ganz andere Erklärung vorgeschlagen. Anstelle der Wolken, die sich durch Kondensation bilden, denken sie, dass sich das C4N2-Eis durch Reaktionen anderer Eispartikel bildet. Die Forscher nennen dies „Festkörperchemie“, weil die Reaktionen das Eis oder die feste Form des chemischen Zustandes einbeziehen.

Illustration der angenommenen Festkörperchemie in den Eispartikeln: NASA/JPL-Caltech/GSFC

Der erste Schritt in dem vorgeschlagenen Verfahren ist die Bildung von Eispartikeln aus der verwanten Chemikalie Cyanoacetylen (HC3N). Wärend sich diese winzigen Eispartikel durch die Stratosphäre des Titans nach unten bewegen, werden sie von Cyanwasserstoff (HCN) beschichtet. In diesem Stadium hat der Eispartikel einen Kern und eine Schale aus zwei verschiedenen Chemikalien. Gelegentlich löst ein Photon von ultraviolettem Licht, welches durch die Schale dringt, eine Reihe von chemischen Reaktionen in dem Eis aus. Diese Reaktionen können entweder im Kern oder in der Hülle beginnen. Beide Wege können Dicyanoacetylene Eis und Wasserstoff als Produkte ergeben.

Die Forscher haben die Idee der Festkörperchemie aus der Bildung von Wolken durch Ozonabbau über den Erdpolen. Obwohl die Erdstratosphäre wenig Feuchtigkeit hat, können sich unter den richtigen Bedingungen polare Stratosphärenwolken (auch Perlmuttwolken genannt) bilden. In diesen Wolken haften chlorhaltige Chemikalien, die in die Atmosphäre als Verunreinigungen eingedrungen sind, an Kristallen aus Wassereis, das die Bildung der Ozon-zerstörenden Chlormoleküle verursacht.

„Es ist sehr aufregend sich vorzustellen, dass wir auf dem Titan wie auf der Erde, Festkörperchemie Prozesse gefunden haben“, sagte Anderson.

Die Forscher schlagen vor, dass auf dem Titan die Reaktionen in den Eispartikeln der Atmosphäre auftreten. In diesem Fall würde Dicyanacetylen-Eis keinen direkten Kontakt mit der Atmosphäre haben, was erklären würde, warum das Eis und die Dampfformen nicht im erwarteten Gleichgewicht sind.

„Die Zusammensetzung der polaren Stratosphäre von Titan und Erde könnten unterschiedlicher nicht sein“, sagt Michael Flasar, CIRS Chefermittler am Goddard. „Es ist erstaunlich zu sehen, wie die zugrunde liegende Physik der beiden Atmosphären zu analoger Wolkenchemie geführt hat.“

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht.

Die Mission Cassini-Huygens ist ein gemeinsames Projekt der NASA, der ESA (European Space Agency) und der italienischen Raumfahrtagentur. NASA Jet Propulsion Laboratory, ein Geschäftsbereich von Caltech in Pasadena, leitet die Mission für die NASA Science Mission Directorate, Washington. JPL entwarf, entwickelte und baute den Cassini-Orbiter. Das CIRS Instrument wurde von Goddard gebaut.

Quelle:

Solid‐state photochemistry as a formation mechanism for Titan’s stratospheric C4N2 ice clouds. C. M. Anderson, R. E. Samuelson, Y. L. Yung, J. L. McLain. Geophysical Research Letters (2016). DOI: 10.1002/2016GL067795

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