space

Луна воссоздает туманную атмосферу Титана

Ученые воссоздали уникальные химические условия на Титане, самом большом спутнике Сатурна, в крошечных стеклянных цилиндрах здесь, на Земле, и эксперимент выявил ранее неизвестные особенности минерального состава Луны.

Титан является вторым по величине спутником в Солнечной системе после Ганимеда Юпитера и обладает плотной атмосферой, состоящей в основном из азота с примесью метана.

Эта желтоватая дымка колеблется около минус 290 градусов по Фаренгейту (минус 180 градусов по Цельсию). Под атмосферой озера, моря и реки жидкого метана и этана покрывают ледяную кору Титана, особенно вблизи полюсов. И подобно жидкой воде на Земле, эти природные газы участвуют в цикле, в котором они испаряются, образуют облака, а затем проливаются дождем на поверхность Луны.

По данным НАСА, плотная атмосфера Титана, поверхностная жидкость и сезонные погодные циклы делают холодную Луну чем-то похожим на Землю, и, как известно, Луна, как и наша планета, имеет органические молекулы, содержащие углерод, водород и кислород.

Из-за этой органической химии, происходящей на Титане, ученые считают, что Луна может служить огромной лабораторией для изучения химических реакций, которые происходили на Земле до появления жизни на планете.

Но только один космический аппарат, Кассини, подробно наблюдал Сатурн и его спутники, что затрудняет проведение наземных исследований странной химии, обнаруженной на Титане. Так недавно группа ученых решила смоделировать Титан в пробирке.

В заявлении исследователей говорится, что команда сначала поместила жидкую воду в маленькие стеклянные цилиндры и снизила температуру до титановых условий. Эта вода замерзла, имитируя ледяную корку Титана. Затем команда ввела в трубку этан, который стал жидким, как озера на поверхности Титана.

Наконец, они добавили азот, чтобы заменить атмосферу Титана, а затем немного изменили температуру трубки, чтобы имитировать изменения температуры на поверхности Титана и в разных слоях его атмосферы. В своем недавнем исследовании, представленном в четверг (26 августа) на осеннем собрании Американского химического общества, команда затем добавила два соединения, которые называются ацетонитрил (ACN) и пропионитрил (PCN).

Данные миссии «Кассини» предполагают, что этих соединений много на Титане, сообщил главный исследователь Томче Рунчевски, доцент кафедры химии Южного методистского университета в Далласе. Большинство предыдущих исследований изучали эти два соединения по отдельности, в их чистых формах, но команда Рунчевски хотела посмотреть, что произойдет, когда соединения смешаются и смешаются, как это могло бы быть на Титане.

В отличие от работы с каждым соединением по отдельности, «если вы смешаете их вместе  может быть совершенно другой результат в структуре, так как молекулы будут организовываться и как молекулы будут кристаллизоваться» или переходить в твердую форму, — сказал Рунчевски. И команда обнаружила, что, когда оба присутствуют в условиях, подобных Титану, ACN и PCN ведут себя совершенно иначе, чем любое соединение в отдельности.

А именно, температуры, при которых соединения плавились или кристаллизовались, резко изменились, порядка десятков кельвинов (сотен градусов по Фаренгейту или Цельсию).

Эти точки плавления и кристаллизации будут иметь значение в туманной желтой атмосфере Титана. По словам Рунчевски, различные слои атмосферы различаются по температуре в зависимости от их высоты над поверхностью Луны, поэтому, чтобы понять, как химические вещества ведут себя в дымке, новое исследование предполагает, что эти колебания температуры необходимо учитывать.

Кроме того, команда обнаружила, что, когда ACN и PCN кристаллизуются, они принимают разные кристаллические структуры в зависимости от того, одни они или в присутствии другого соединения. Кристаллы образуются, когда отдельные молекулы в составе соединения образуют высокоорганизованную структуру.

По словам Рунчевски, хотя строительные блоки этой структуры — молекулы — остаются прежними, в зависимости от таких факторов, как температура, в конечном итоге они могут соединяться в несколько разных конфигурациях.

Эти изменения в кристаллической структуре известны как «полиморфы», и когда они сами по себе, ACN и PCN принимают один полиморф при высоких температурах, а другой — при низких. Но «что мы замечаем, так это то, что если у нас есть смесь, стабильность высокотемпературных и низкотемпературных [полиморфов] может быть в некотором роде изменена», — сказал Рунчевски.

Эти мелкие детали того, когда и как соединения достигают стабилизированной структуры, «могут действительно изменить наше понимание того, какие минералы мы можем встретить на Титане» с точки зрения того, какие полиморфы они, вероятно, примут на Луне, сказал он.

Это, в свою очередь, может определять химические реакции, происходящие между этими и другими соединениями на Титане. Новое исследование ограничено тем, что оно не учитывает все химические вещества, присутствующие на Титане, и поэтому может получить только упрощенную картину того, что на самом деле происходит на Луне, сказал Рунчевски.

«Для нас, ученых на Земле, важно создавать эти модели с возрастающей сложностью и однажды получить действительно важные модели, которые действительно могут помочь нам лучше понять поверхность Титана», — сказал он.

Миссия НАСА Dragonfly, запуск которой запланирован на 2026 год и прибытие на Сатурн в 2034 году, может предоставить дополнительную информацию о минеральном составе Титана. Однако Рунчевски подозревает, что кристаллы, которые наблюдала его команда, вероятно, образовались по краю озер Титана, появляясь, когда жидкий этан в озерах испаряется и оставляет эти соединения на береговой линии.

На данный момент неясно, может ли миссия Dragonfly сосредоточиться на этом конкретном аспекте окружающей среды Титана, но «тем не менее, миссия супер захватывающая, и мы узнаем гораздо больше о Титане», — сказал он.

Поделиться с друзьями: