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Atmósfera de Titán

La atmósfera de Titán es la densa capa de gases que rodea a Titán , la luna más grande de Saturno . Titán es el único satélite natural del Sistema Solar con una atmósfera más densa que la atmósfera de la Tierra y es una de las dos lunas con una atmósfera lo suficientemente significativa como para impulsar el clima (la otra es la atmósfera de Tritón ). [4] La atmósfera inferior de Titán está compuesta principalmente de nitrógeno (94,2%), metano (5,65%) e hidrógeno (0,099%). [2] Hay trazas de otros hidrocarburos, como etano , diacetileno , metilacetileno , acetileno , propano , HAP [5] y de otros gases, como cianoacetileno , cianuro de hidrógeno , dióxido de carbono , monóxido de carbono , cianógeno , acetonitrilo , argón y helio . [3] El estudio isotópico de la relación de isótopos de nitrógeno también sugiere que el acetonitrilo puede estar presente en cantidades superiores al cianuro de hidrógeno y al cianoacetileno . [6] La presión superficial es aproximadamente un 50% más alta que en la Tierra, 1,5 bares (147 kPa) [1], que está cerca del punto triple del metano y permite que haya metano gaseoso en la atmósfera y metano líquido en la superficie. [7] El color naranja como se ve desde el espacio es producido por otros productos químicos más complejos en pequeñas cantidades, posiblemente tolinas , precipitados orgánicos similares al alquitrán. [8]

Historia de la observación

La presencia de una atmósfera significativa fue sospechada por primera vez por el astrónomo español Josep Comas i Solà , quien observó un oscurecimiento distintivo del limbo en Titán en 1903 desde el Observatorio Fabra en Barcelona , ​​Cataluña . [9] Esta observación fue confirmada por el astrónomo holandés Gerard P. Kuiper en 1944 utilizando una técnica espectroscópica que arrojó una estimación de una presión parcial atmosférica de metano del orden de 100 milibares (10 kPa). [10] Observaciones posteriores en la década de 1970 mostraron que las cifras de Kuiper habían sido subestimaciones significativas; las abundancias de metano en la atmósfera de Titán eran diez veces mayores y la presión superficial era al menos el doble de lo que había predicho. La alta presión superficial significaba que el metano solo podía formar una pequeña fracción de la atmósfera de Titán. [11] En 1980, la Voyager 1 realizó las primeras observaciones detalladas de la atmósfera de Titán, revelando que su presión superficial era más alta que la de la Tierra, 1,5 bares (aproximadamente 1,48 veces la de la Tierra). [12]

La misión conjunta Cassini-Huygens de la NASA/ESA proporcionó una gran cantidad de información sobre Titán, y el sistema de Saturno en general, desde que entró en órbita el 1 de julio de 2004. Se determinó que las abundancias isotópicas atmosféricas de Titán eran evidencia de que el nitrógeno abundante en la atmósfera provenía de materiales en la nube de Oort , asociada con los cometas , y no de los materiales que formaron Saturno en tiempos anteriores. [13] Se determinó que podrían surgir químicos orgánicos complejos en Titán, [14] incluyendo hidrocarburos aromáticos policíclicos , [15] [5] propileno , [16] y metano . [17] [18]

La misión Dragonfly de la NASA planea aterrizar un gran vehículo aéreo en Titán en 2034. [19] La misión estudiará la habitabilidad de Titán y la química prebiótica en varios lugares. [20] La aeronave, similar a un dron, realizará mediciones de los procesos geológicos y de la composición de la superficie y la atmósfera. [21]

Descripción general

Perfil de la atmósfera de Titán comparado con la de la Tierra.
Sistema de la atmósfera inferior de Titán.

Las observaciones de las sondas espaciales Voyager han demostrado que la atmósfera de Titán es más densa que la de la Tierra , con una presión superficial de aproximadamente 1,48 veces la de la Tierra. [12] La atmósfera de Titán es aproximadamente 1,19 veces más masiva que la de la Tierra en general, [22] o aproximadamente 7,3 veces más masiva sobre una base de área de superficie. Sostiene capas de neblina opaca que bloquean la mayor parte de la luz visible del Sol y otras fuentes y hace que las características de la superficie de Titán sean oscuras. La atmósfera es tan espesa y la gravedad tan baja que los humanos podrían volar a través de ella agitando "alas" unidas a sus brazos. [23] La menor gravedad de Titán significa que su atmósfera es mucho más extensa que la de la Tierra; incluso a una distancia de 975 km, la nave espacial Cassini tuvo que hacer ajustes para mantener una trayectoria estable contra la resistencia atmosférica. [24] La atmósfera de Titán es opaca en muchas longitudes de onda y es imposible adquirir un espectro de reflectancia completo de la superficie desde el exterior. [25] No fue hasta la llegada de la sonda Cassini-Huygens en 2004 que se obtuvieron las primeras imágenes directas de la superficie de Titán. La sonda Huygens no pudo detectar la dirección del Sol durante su descenso y, aunque pudo tomar imágenes de la superficie, el equipo de Huygens comparó el proceso con "tomar fotografías de un aparcamiento de asfalto al anochecer". [26]

Estructura vertical

Diagrama de la atmósfera de Titán
Diagrama de la atmósfera de Titán

La estructura atmosférica vertical de Titán es similar a la de la Tierra. Ambos tienen una troposfera, una estratosfera, una mesosfera y una termosfera. Sin embargo, la gravedad superficial más baja de Titán crea una atmósfera más extendida, con alturas de escala de 15 a 50 km (9 a 31 mi) en comparación con los 5 a 8 km (3,1 a 5 mi) de la Tierra. [7] Los datos de la Voyager , combinados con los datos de Huygens y los modelos radiativos-convectivos, proporcionan una mayor comprensión de la estructura atmosférica de Titán. [27]

Composición y química atmosférica

Procesos químicos atmosféricos.

La química atmosférica de Titán es diversa y compleja. Cada capa de la atmósfera tiene interacciones químicas únicas que a su vez interactúan con otras subcapas de la atmósfera. Por ejemplo, se cree que los hidrocarburos se forman en la atmósfera superior de Titán en reacciones resultantes de la descomposición del metano por la luz ultravioleta del Sol , lo que produce una espesa niebla anaranjada. [33] La siguiente tabla destaca los mecanismos de producción y pérdida de las moléculas producidas fotoquímicamente más abundantes en la atmósfera de Titán. [7]

Una nube fotografiada en falso color sobre el polo norte de Titán.

Campo magnético

El campo magnético interno de Titán es insignificante, y quizás incluso inexistente, aunque estudios realizados en 2008 mostraron que Titán retiene restos del campo magnético de Saturno en las breves ocasiones en las que pasa fuera de la magnetosfera de Saturno y está expuesto directamente al viento solar . [34] [35] Esto puede ionizar y arrastrar algunas moléculas de la parte superior de la atmósfera. Se detectó un caso interesante como ejemplo del impacto de la eyección de masa coronal en la magnetosfera de Saturno, lo que provocó que la órbita de Titán quedara expuesta al viento solar en la magnetosupresión. Esto conduce a una mayor precipitación de partículas y a la formación de densidades electrónicas extremas en la ionosfera de Titán. [36] Su distancia orbital de 20,3 radios de Saturno lo coloca ocasionalmente dentro de la magnetosfera de Saturno . Sin embargo, la diferencia entre el período de rotación de Saturno (10,7 horas) y el período orbital de Titán (15,95 días) provoca una velocidad relativa de aproximadamente100 km/s entre el plasma magnetizado de Saturno y Titán. [35] Esto puede en realidad intensificar las reacciones que causan pérdida atmosférica, en lugar de proteger la atmósfera del viento solar . [37]

Química de la ionosfera

En noviembre de 2007, los científicos descubrieron evidencia de iones negativos con aproximadamente 13 800 veces la masa del hidrógeno en la ionosfera de Titán, que se cree que caen en las regiones inferiores para formar la neblina naranja que oscurece la superficie de Titán. [38] Los iones negativos más pequeños han sido identificados como aniones de cadena de carbono lineal con moléculas más grandes que muestran evidencia de estructuras más complejas, posiblemente derivadas del benceno . [39] Estos iones negativos parecen desempeñar un papel clave en la formación de moléculas más complejas, que se cree que son tolinas , y pueden formar la base de los hidrocarburos aromáticos policíclicos , los cianopoliinos y sus derivados. Sorprendentemente, se ha demostrado anteriormente que los iones negativos como estos mejoran la producción de moléculas orgánicas más grandes en nubes moleculares más allá de nuestro Sistema Solar, [40] una similitud que resalta la posible relevancia más amplia de los iones negativos de Titán. [41]

Vórtice del Polo Sur de Titán: una nube de gas HCN en espiral (29 de noviembre de 2012).

Circulación atmosférica

Se ha descubierto un patrón de circulación de aire que fluye en la dirección de la rotación de Titán, de oeste a este. Además, también se ha detectado una variación estacional en la circulación atmosférica. Las observaciones de la atmósfera realizadas por Cassini en 2004 también sugieren que Titán es un "superrotador", como Venus , con una atmósfera que gira mucho más rápido que su superficie. [42] La circulación atmosférica se explica por una gran circulación de Hadley que se produce de polo a polo. [2]

Ciclo del metano

Nubes de titanes

Similar al ciclo hidrológico en la Tierra, Titán presenta un ciclo de metano. [43] [44] Este ciclo del metano da como resultado formaciones superficiales que se parecen a las formaciones que encontramos en la Tierra. Lagos de metano y etano se encuentran en las regiones polares de Titán. El metano se condensa en nubes en la atmósfera y luego se precipita en la superficie. Este metano líquido luego fluye hacia los lagos. Parte del metano en los lagos se evaporará con el tiempo y formará nubes en la atmósfera nuevamente, comenzando el proceso nuevamente. Sin embargo, como el metano se pierde en la termosfera, tiene que haber una fuente de metano para reponer el metano atmosférico. [44] La energía del Sol debería haber convertido todos los rastros de metano en la atmósfera de Titán en hidrocarburos más complejos en 50 millones de años, un tiempo corto en comparación con la edad del Sistema Solar. Esto sugiere que el metano debe reponerse de alguna manera mediante un depósito en o dentro de Titán. La mayor parte del metano en Titán está en la atmósfera. El metano se transporta a través de la trampa fría en la tropopausa. [45] Por lo tanto, la circulación del metano en la atmósfera influye en el balance de radiación y la química de otras capas de la atmósfera. Si hay un depósito de metano en Titán, el ciclo solo sería estable en escalas de tiempo geológicas. [7]

Gases orgánicos traza en la atmósfera de Titán: HNC (izquierda) y HC 3 N (derecha).

La evidencia de que la atmósfera de Titán contiene más de mil veces más metano que monóxido de carbono parece descartar contribuciones significativas de los impactos de cometas, porque los cometas están compuestos de más monóxido de carbono que metano. Que Titán pudiera haber acumulado una atmósfera de la nebulosa de Saturno primitiva en el momento de su formación también parece improbable; en tal caso, debería tener abundancias atmosféricas similares a la nebulosa solar, incluyendo hidrógeno y neón . [46] Muchos astrónomos han sugerido que el origen último del metano en la atmósfera de Titán está dentro de Titán mismo, liberado a través de erupciones de criovolcanes . [47] [48] [49]

Otra posible fuente de reposición de metano en la atmósfera de Titán son los clatratos de metano . [50] Los clatratos son compuestos en los que una red de hielo rodea una partícula de gas, como si fuera una jaula. En este caso, el gas metano está rodeado por una jaula de cristales de agua. [51] Estos clatratos de metano podrían estar presentes debajo de la superficie helada de Titán, habiéndose formado mucho antes en la historia de Titán. [52] A través de la disociación de los clatratos de metano, el metano podría desgasificarse en la atmósfera, reponiendo el suministro. [51] [50]

El 1 de diciembre de 2022, los astrónomos informaron haber visto nubes, probablemente compuestas de metano , moviéndose a través de Titán, utilizando el telescopio espacial James Webb . [53] [54]

Nubes polares, compuestas de metano , en Titán (izquierda) comparadas con nubes polares en la Tierra (derecha).

Cielos diurnos y crepusculares (amanecer/atardecer)

Modelos de brillo del cielo [55] de un día soleado en Titán. Se ve al Sol poniéndose desde el mediodía hasta después del anochecer en 3 longitudes de onda: 5 μm, infrarrojo cercano (1-2 μm) y visible . Cada imagen muestra una versión "desplegada" del cielo tal como se ve desde la superficie de Titán. El lado izquierdo muestra el Sol, mientras que el lado derecho apunta en dirección opuesta al Sol. La parte superior e inferior de la imagen son el cenit y el horizonte respectivamente. El ángulo cenital solar representa el ángulo entre el Sol y el cenit (0°), donde 90° es cuando el Sol alcanza el horizonte.
Saturno poniéndose detrás de Titán.

Se espera que el brillo del cielo y las condiciones de observación sean bastante diferentes a las de la Tierra y Marte debido a la mayor distancia de Titán con respecto al Sol (~10  UA ) y a las complejas capas de neblina en su atmósfera. Los videos del modelo de brillo del cielo muestran cómo se vería un día soleado típico desde la superficie de Titán según los modelos de transferencia radiativa . [55]

Para los astronautas que ven con luz visible , el cielo diurno tiene un color naranja oscuro distintivo y parece uniforme en todas las direcciones debido a la importante dispersión de Mie de las muchas capas de neblina a gran altitud. [55] Se calcula que el cielo diurno es entre 100 y 1000 veces más oscuro que una tarde en la Tierra, [55] lo que es similar a las condiciones de visualización de una espesa niebla tóxica o humo de fuego denso . Se espera que las puestas de sol en Titán sean "eventos decepcionantes", [55] donde el Sol desaparece aproximadamente a la mitad del cielo (~50° sobre el horizonte ) sin un cambio distintivo de color. Después de eso, el cielo se oscurecerá lentamente hasta que llegue la noche. Sin embargo, se espera que la superficie permanezca tan brillante como la Luna llena hasta 1 día terrestre después de la puesta del sol . [55]

En luz infrarroja cercana , las puestas de sol se parecen a una puesta de sol marciana o una puesta de sol en el desierto polvoriento. [55] La dispersión de Mie tiene una influencia más débil en longitudes de onda infrarrojas más largas, lo que permite condiciones de cielo más coloridas y variables. Durante el día, el Sol tiene una corona solar notable que cambia de color de blanco a "rojo" durante la tarde. [55] El brillo del cielo de la tarde es ~100 veces más tenue que la Tierra. [55] A medida que se acerca la hora de la noche, se espera que el Sol desaparezca bastante cerca del horizonte. La profundidad óptica atmosférica de Titán es la más baja a 5 micrones . [56] Por lo tanto, el Sol a 5 micrones puede incluso ser visible cuando está debajo del horizonte debido a la refracción atmosférica . De manera similar a las imágenes de puestas de sol marcianas de los rovers de Marte , se ve una corona en forma de abanico desarrollarse sobre el Sol debido a la dispersión de la neblina o el polvo a grandes altitudes. [55]

En lo que respecta a Saturno , el planeta está casi fijo en su posición en el cielo porque la órbita de Titán está bloqueada por las mareas alrededor de Saturno. Sin embargo, hay un pequeño movimiento de 3° de este a oeste durante un año de Titán debido a la excentricidad orbital , [57] similar al analema en la Tierra. La luz solar reflejada por Saturno, Saturnshine, es aproximadamente 1000 veces más débil que la insolación solar en la superficie de Titán. [57] Aunque Saturno parece varias veces más grande en el cielo que la Luna en el cielo de la Tierra, el contorno de Saturno está enmascarado por el Sol más brillante durante el día. Saturno puede volverse discernible por la noche, pero solo en una longitud de onda de 5 micrones. Esto se debe a dos factores: la pequeña profundidad óptica de la atmósfera de Titán a 5 micrones [56] [58] y las fuertes emisiones de 5 μm del lado nocturno de Saturno. [59] En luz visible, Saturno hará que el cielo en el lado de Titán que mira hacia Saturno parezca ligeramente más brillante, similar a una noche nublada con luna llena en la Tierra. [55] [57] Los anillos de Saturno están ocultos a la vista debido a la alineación del plano orbital de Titán y el plano de los anillos. [57] Se espera que Saturno muestre fases, similares a las fases de Venus en la Tierra, que iluminen parcialmente la superficie de Titán por la noche, a excepción de los eclipses . [57]

Desde el espacio exterior , las imágenes de Cassini en longitudes de onda del infrarrojo cercano al ultravioleta han demostrado que los períodos crepusculares ( ángulos de fase > 150°) son más brillantes que el lado diurno en Titán. [60] Esta observación no se ha observado en ningún otro cuerpo planetario con una atmósfera espesa. [60] El crepúsculo titánico que eclipsa el lado diurno se debe a una combinación de la atmósfera de Titán que se extiende cientos de kilómetros por encima de la superficie y la intensa dispersión Mie frontal de la neblina. [60] Los modelos de transferencia radiativa no han reproducido este efecto. [55]

Efecto anti-invernadero

La temperatura de Titán aumenta por encima de la temperatura del cuerpo negro debido a un fuerte efecto invernadero causado por la absorción de infrarrojos por la opacidad inducida por la presión de la atmósfera de Titán, pero el calentamiento por efecto invernadero se reduce un poco por un efecto denominado por Pollack como efecto antiinvernadero [61] [62], que absorbe parte de la energía solar entrante antes de que pueda alcanzar la superficie, lo que conduce a temperaturas superficiales más frías que si el metano fuera menos abundante. El efecto invernadero aumenta la temperatura de la superficie en 21 K, mientras que el efecto antiinvernadero elimina la mitad de este efecto [62] , reduciéndolo a un aumento de 12 K. [61]

Al comparar los perfiles de temperatura atmosférica de la Tierra [63] y Titán [64] , surgen marcados contrastes. En la Tierra, la temperatura normalmente aumenta a medida que la altitud disminuye de 80 a 60 kilómetros sobre la superficie. En cambio, el perfil de temperatura de Titán muestra una disminución en el mismo rango de altitud. Esta variación se debe en gran medida a los diferentes impactos de los efectos invernadero y antiinvernadero en las atmósferas de la Tierra y Titán, respectivamente. [ cita requerida ]

Titán orbita dentro de la magnetosfera de Saturno durante aproximadamente el 95% de su período orbital. [65] Durante este tiempo, las partículas cargadas atrapadas en la magnetosfera interactúan con la atmósfera superior de Titán a medida que la luna pasa, lo que genera una neblina más densa. En consecuencia, la variabilidad del campo magnético de Saturno durante su período orbital de aproximadamente 30 años podría causar variaciones en estas interacciones, aumentando o disminuyendo potencialmente la densidad de la neblina. [ cita requerida ] Aunque la mayoría de las variaciones observadas en la atmósfera de Titán durante su período orbital se atribuyen típicamente a sus interacciones directas con la luz solar, se cree que la influencia de los cambios magnetosféricos de Saturno juega un papel no despreciable. La interacción entre la atmósfera de Titán y el entorno magnético de Saturno subraya la compleja interacción entre los cuerpos celestes y sus atmósferas, revelando un sistema dinámico moldeado tanto por procesos químicos internos como por condiciones astronómicas externas; estudios futuros, si se abordan, pueden ayudar a probar (o refutar) el impacto de una magnetosfera cambiante en una atmósfera densa como la de Titán. [ cita requerida ]

Evolución atmosférica

La persistencia de una atmósfera densa en Titán ha sido un misterio, ya que las atmósferas de los satélites estructuralmente similares de Júpiter , Ganímedes y Calisto , son insignificantes. Aunque la disparidad aún no se comprende bien, los datos de misiones recientes han proporcionado limitaciones básicas sobre la evolución de la atmósfera de Titán.

Capas de la atmósfera, imagen de la sonda Cassini

En términos generales, a la distancia de Saturno , la insolación solar y el flujo de viento solar son suficientemente bajos como para que los elementos y compuestos volátiles en los planetas terrestres tiendan a acumularse en las tres fases . [66] La temperatura de la superficie de Titán también es bastante baja, alrededor de 94 K (–179 C/–290 F). [67] [68] En consecuencia, las fracciones de masa de sustancias que pueden convertirse en constituyentes atmosféricos son mucho mayores en Titán que en la Tierra . De hecho, las interpretaciones actuales sugieren que solo alrededor del 50% de la masa de Titán son silicatos , [69] y el resto consiste principalmente en varios hielos de H 2 O ( agua ) y NH 3 ·H 2 O ( hidratos de amoníaco ). El NH 3 , que puede ser la fuente original del N 2 atmosférico de Titán ( dinitrógeno ), puede constituir hasta el 8% de la masa de NH 3 ·H 2 O. Lo más probable es que Titán esté diferenciado en capas, donde la capa de agua líquida debajo del hielo I h ​​puede ser rica en NH 3 . [ jerga ]

Imagen en color real de las capas de neblina en la atmósfera de Titán

Existen restricciones provisionales, y la pérdida actual se debe principalmente a la baja gravedad [70] y al viento solar [71] ayudado por la fotólisis . La pérdida de la atmósfera primitiva de Titán se puede estimar con la relación isotópica 14 N– 15 N , porque el 14 N más ligero se pierde preferentemente de la atmósfera superior bajo fotólisis y calentamiento. Debido a que la relación original 14 N– 15 N de Titán está mal restringida, la atmósfera primitiva puede haber tenido más N 2 por factores que van desde 1,5 a 100 con certeza solo en el factor inferior. [70] Debido a que N 2 es el componente principal (98%) de la atmósfera de Titán, [72] la relación isotópica sugiere que gran parte de la atmósfera se ha perdido a lo largo del tiempo geológico . Sin embargo, la presión atmosférica en su superficie sigue siendo casi 1,5 veces la de la Tierra cuando comenzó con un presupuesto volátil proporcionalmente mayor que la Tierra o Marte . [68] Es posible que la mayor parte de la pérdida atmosférica haya ocurrido dentro de los 50 millones de años de acreción , a partir de un escape altamente energético de átomos ligeros que se llevaron una gran parte de la atmósfera ( escape hidrodinámico ). [71] Tal evento podría ser impulsado por los efectos de calentamiento y fotólisis de la mayor producción de fotones de rayos X y ultravioleta (XUV) del Sol primitivo.

Debido a que Calisto y Ganimedes son estructuralmente similares a Titán, no está claro por qué sus atmósferas son insignificantes en relación con la de Titán. Sin embargo, el origen del N 2 de Titán a través de la fotólisis geológicamente antigua del NH 3 acretado y desgasificado , en oposición a la desgasificación del N 2 de los clatratos acrecionarios , puede ser la clave para una inferencia correcta. Si el N 2 se hubiera liberado de los clatratos, 36 Ar y 38 Ar, que son isótopos primordiales inertes del Sistema Solar, también deberían estar presentes en la atmósfera, pero ninguno de ellos se ha detectado en cantidades significativas. [73] La concentración insignificante de 36 Ar y 38 Ar también indica que la temperatura de ~40 K requerida para atraparlos y al N 2 en los clatratos no existía en la subnebulosa de Saturno . En cambio, la temperatura puede haber sido superior a 75 K, lo que limita incluso la acumulación de NH 3 como hidratos . [74] Las temperaturas habrían sido incluso más altas en la subnebulosa joviana debido a la mayor liberación de energía potencial gravitatoria , la masa y la proximidad al Sol, lo que redujo en gran medida el inventario de NH3 acumulado por Calisto y Ganímedes. Las atmósferas de N2 resultantes pueden haber sido demasiado delgadas para sobrevivir a los efectos de la erosión atmosférica que ha soportado Titán. [74]

Una explicación alternativa es que los impactos cometarios liberan más energía en Calisto y Ganimedes que en Titán debido al mayor campo gravitatorio de Júpiter . Eso podría erosionar las atmósferas de Calisto y Ganimedes, mientras que el material cometario en realidad formaría la atmósfera de Titán. Sin embargo, la relación 2 H– 1 H (es decir, D–H) de la atmósfera de Titán es(2,3 ± 0,5) × 10 −4 , [73] casi 1,5 veces menor que la de los cometas . [72] La diferencia sugiere que es poco probable que el material cometario sea el principal contribuyente a la atmósfera de Titán. [7] [75] La atmósfera de Titán también contiene más de mil veces más metano que monóxido de carbono , lo que apoya la idea de que el material cometario no es un contribuyente probable ya que los cometas están compuestos de más monóxido de carbono que metano.

Titán: se detectaron tres tormentas de polvo entre 2009 y 2010. [76]

Véase también

Referencias

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