21.09.16.-
El aspecto desconcertante de una nube de hielo, aparentemente surgida
de la nada ha llevado a los científicos de la NASA a sugerir que se
trata de un proceso de formación de nubes inesperado - posiblemente
similar a lo que se ve en los polos de la Tierra - y que podría estar
formando nubes en Titán, la mayor luna de Saturno.
Situada en la estratosfera de Titán, la
nube está hecha de un compuesto de carbono y nitrógeno conocido como
dicianoacetileno (C4N2), un ingrediente del cóctel químico que colorea
en marrón-naranja la atmósfera nebulosa de Titán.
Hace décadas, el instrumento de
infrarrojos de la nave espacial Voyager 1 de la NASA descubrió una nube
de hielo como esta en Titán. Lo que ha intrigado a los científicos desde
entonces es que se detecta menos del 1 por ciento del gas
dicianoacetileno necesario para que la nube se condense.
Las observaciones recientes de la misión
Cassini de la NASA dieron un resultado similar. Usando el espectrómetro
infrarrojo compuesto de Cassini (CIRS), - que puede identificar las
huellas espectrales de los productos químicos individuales en la mezcla
atmosférica - los investigadores encontraron una gran nube, a gran
altura, hecha de la misma sustancia química congelada. Sin embargo, al
igual que la que encontró la Voyager, cuando se trata de la forma de
vapor de esta sustancia química, CIRS informó de que la estratosfera de
Titán es tan seca como un desierto.
"La aparición de esta nube de hielo va
en contra de todo lo que sabemos acerca de la forma en que se forman las
nubes en Titán", dijo Carrie Anderson, co-investigador de CIRS en el
Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y
autor principal del estudio.
Hace décadas, el instrumento de infrarrojos de la nave espacial Voyager 1 de la NASA descubrió una nube de hielo como esta en Titán. Lo que ha intrigado a los científicos desde entonces es que se detecta menos del 1 por ciento del gas dicianoacetileno necesario para que la nube se condense. Image Credit: NASA/JPL-Caltech
El proceso típico para la formación de
nubes implica la condensación. En la Tierra, estamos familiarizados con
el ciclo de evaporación y condensación del agua. El mismo tipo de ciclo
tiene lugar en la troposfera de Titán - la capa de formación del clima
en la atmósfera de Titán - pero con metano en lugar de agua.
Un proceso de condensación diferente
tiene lugar en la estratosfera - la región por encima de la troposfera -
al norte y al sur de los polos de Titán en la época invernal. En este
caso, las capas de nubes se condensan a medida que el patrón de
circulación global obliga a los gases calientes a descender en el polo.
Los gases se condensan a continuación, mientras se hunden a través de
capas más frías y más frías de la estratosfera polar.
De cualquier manera, se forma una nube
cuando la temperatura del aire y la presión son favorables para que el
vapor se condense en forma de hielo. El vapor y el hielo llegan a un
punto de equilibrio que está determinado por la temperatura del aire y
la presión. Debido a este equilibrio, los científicos pueden calcular la
cantidad de vapor donde el hielo está presente.
"Para que las nubes se condensen, este
equilibrio es obligatorio, como la ley de la gravedad", dijo Robert
Samuelson, científico emérito en el Centro Goddard y un co-autor del
trabajo.
Pero los números no sirven para la nube
hecha de dicianoacetileno. Los científicos determinaron que necesitarían
al menos 100 veces más vapor para formar una nube de hielo donde fue
observada por el instrumento CIRS de Cassini.
Una explicación sugerida desde el
principio es que el vapor podría estar presente, pero el instrumento de
Voyager no era lo suficientemente sensible en el rango de longitud de
onda crítica necesaria para detectarlo. Pero cuando CIRS tampoco
encontró el vapor, Anderson y sus colegas de Caltech y Goddard
propusieron una explicación totalmente diferente. En lugar de la nube
formada por condensación, creen que el hielo forma C4N2 debido a las
reacciones que tienen lugar en otros tipos de partículas de hielo. Los
investigadores llaman a esto "la química del estado sólido", debido a
que las reacciones implican el hielo u otra forma sólida de la sustancia
química.
El primer paso en el proceso propuesto
es la formación de partículas de hielo hechas de la sustancia química
relacionada cianoacetileno (HC3N). A medida que estos pequeños trozos de
hielo se mueven hacia abajo a través de la estratosfera de Titán, son
recubiertos por cianuro de hidrógeno (HCN). En esta etapa, la partícula
de hielo tiene un núcleo y una cáscara compuesta de dos productos
químicos diferentes. De vez en cuando, un fotón de luz ultravioleta
perfora la cáscara congelada y desencadena una serie de reacciones
químicas en el hielo. Estas reacciones podrían comenzar ya sea en el
núcleo o dentro de la cáscara. Ambas vías pueden producir hielo
dicianoacteoleno e hidrógeno como productos.
Los investigadores tuvieron la idea de
la química del estado sólido a partir de la formación de nubes que
intervienen en el agotamiento del ozono por encima de los polos
terrestres. Aunque la estratosfera de la Tierra tiene escasa humedad,
tenues nubes nacaradas (también llamadas nubes estratosféricas polares)
pueden formarse en las condiciones adecuadas. En estas nubes, los
productos químicos de cloro que han entrado en la atmósfera como
contaminación golpean los cristales de hielo de agua, dando lugar a
reacciones químicas que liberan moléculas de cloro que destruyen el
ozono.
"Es muy emocionante pensar que podemos
tener ejemplos que se encuentran en los procesos químicos de estado
sólido similares tanto en Titán como en la Tierra", dijo Anderson.
Los investigadores sugieren que, en
Titán, las reacciones se producen en el interior de las partículas de
hielo, secuestradas de la atmósfera. En ese caso, el hielo de
dicianoacetileno no haría contacto directo con la atmósfera, lo que
explica por qué el hielo y las formas de vapor no están en el equilibrio
esperado.
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