Desconcierto científico por una nube 'imposible' en Titán

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 la luna gigante de Saturno.

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 la 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 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, CIRS co-investigador del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y autor principal del estudio.

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 en un comunicado del Jet Propulsion Laboratory (JPL) Robert Samuelson, un 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 sugerido 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.

Los resultados se publican en la revista Geophysical Research Letters.