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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 importante como para influir en 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 proporción 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 en la superficie es aproximadamente un 50% más alta que en la Tierra con 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 visto desde el espacio es producido por otras sustancias químicas más complejas en pequeñas cantidades, posiblemente tolinas , precipitados orgánicos similares al alquitrán. [8]

Historia observacional

La presencia de una atmósfera significativa fue sospechosa por primera vez por el astrónomo español Josep Comas i Solà , quien observó un claro oscurecimiento de las extremidades de 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; La abundancia de metano en la atmósfera de Titán era diez veces mayor y la presión en la superficie era al menos el doble de lo que había predicho. La alta presión superficial significaba que el metano sólo podía formar una pequeña fracción de la atmósfera de Titán. [11] En 1980, la Voyager 1 hizo las primeras observaciones detalladas de la atmósfera de Titán, revelando que su presión superficial era mayor que la de la Tierra, 1,5 bares (aproximadamente 1,48 veces la de la Tierra). [12]

La misión conjunta Cassini-Huygens de 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 abundante nitrógeno en la atmósfera Provino de materiales de la nube de Oort , asociados con cometas , y no de los materiales que formaron Saturno en épocas anteriores. [13] Se determinó que en Titán podrían surgir sustancias químicas orgánicas complejas, [14] incluidos 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 y la química prebiótica de Titán en varios lugares. [20] El avión similar a un dron realizará mediciones de procesos geológicos y de la composición de la superficie y la atmósfera. [21]

Descripción general

Perfil de la atmósfera de Titán en comparación 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 aproximadamente 1,48 veces mayor que 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 por área de superficie. Soporta capas de neblina opaca que bloquean la mayor parte de la luz visible del Sol y otras fuentes y oscurece las características de la superficie de Titán. La atmósfera es tan espesa y la gravedad tan baja que los humanos podrían volar a través de ella batiendo "alas" unidas a sus brazos. [23] La menor gravedad de Titán significa que su atmósfera está mucho más extendida 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 frente a 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 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 desde la superficie, el equipo de Huygens comparó el proceso con "tomar fotografías de un estacionamiento 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 troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. Sin embargo, la gravedad superficial más baja de Titán crea una atmósfera más extendida, [27] con alturas de escala de 15 a 50 km (9 a 31 millas) en comparación con 5 a 8 km (3,1 a 5 millas) en la Tierra. [7] Los datos de la Voyager , combinados con datos de Huygens y modelos radiativo-convectivos, proporcionan una mayor comprensión de la estructura atmosférica de Titán. [28]

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 ocurren en su interior y que luego 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 , produciendo una espesa niebla tóxica de color naranja. [34] 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 colores falsos sobre el polo norte de Titán.

Campo magnético

El campo magnético interno de Titán es insignificante, y tal vez incluso inexistente, aunque estudios realizados en 2008 demostraron que Titán retiene restos del campo magnético de Saturno en las breves ocasiones en que pasa fuera de la magnetosfera de Saturno y queda directamente expuesto al viento solar . [35] [36] Esto puede ionizar y arrastrar algunas moléculas desde la parte superior de la atmósfera. Se detectó un caso interesante como ejemplo del impacto de la eyección de masa coronal sobre la magnetosfera de Saturno, lo que provocó que la órbita de Titán quedara expuesta al viento solar impactado en la envoltura magnética. Esto conduce a una mayor precipitación de partículas y a la formación de densidades electrónicas extremas en la ionosfera de Titán. [37] 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. [36] Eso en realidad puede intensificar las reacciones que causan la pérdida atmosférica, en lugar de proteger la atmósfera del viento solar . [38]

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. [39] 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 . [40] 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 cianopolinos y sus derivados. Sorprendentemente, ya se ha demostrado que iones negativos como estos mejoran la producción de moléculas orgánicas más grandes en nubes moleculares más allá de nuestro Sistema Solar, [41] una similitud que resalta la posible relevancia más amplia de los iones negativos de Titán. [42]

Vórtice del polo sur de Titán: una nube de gas HCN arremolinada (29 de noviembre de 2012).

circulación atmosférica

Se encuentra un patrón de circulación de aire que fluye en la dirección de rotación de Titán, de oeste a este. Además, también se ha detectado 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. [43] La circulación atmosférica se explica por una gran circulación de Hadley que se produce de polo a polo. [2]

ciclo del metano

Nubes de Titán

Similar al ciclo hidrológico de la Tierra, Titán presenta un ciclo de metano. [44] [45] Este ciclo del metano da como resultado formaciones superficiales que se asemejan a las formaciones que encontramos en la Tierra. En las regiones polares de Titán se encuentran lagos de metano y etano . El metano se condensa en nubes en la atmósfera y luego precipita en la superficie. Este metano líquido luego fluye hacia los lagos. Parte del metano de los lagos se evaporará con el tiempo y volverá a formar nubes en la atmósfera, iniciando de nuevo el proceso. Sin embargo, dado que el metano se pierde en la termosfera, tiene que haber una fuente de metano para reponer el metano atmosférico. [45] 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 ser reabastecido de alguna manera mediante un depósito en el propio Titán o dentro de él. La mayor parte del metano de Titán se encuentra en la atmósfera. El metano se transporta a través de la trampa fría en la tropopausa. [46] Por lo tanto, la circulación de metano en la atmósfera influye en el equilibrio de radiación y la química de otras capas de la atmósfera. Si hay una reserva de metano en Titán, el ciclo sólo sería estable en escalas de tiempo geológicas. [7]

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

La evidencia de que la atmósfera de Titán contiene mil veces más metano que monóxido de carbono parecería descartar contribuciones significativas de los impactos de los cometas, porque los cometas están compuestos de más monóxido de carbono que metano. También parece improbable que Titán haya acumulado una atmósfera a partir de la nebulosa temprana de Saturno en el momento de su formación; en tal caso, debería tener abundancias atmosféricas similares a las de la nebulosa solar, incluidos hidrógeno y neón . [47] Muchos astrónomos han sugerido que el origen último del metano en la atmósfera de Titán es el propio Titán, liberado a través de erupciones de criovolcanes . [48] ​​[49] [50]

Otra posible fuente de reposición de metano en la atmósfera de Titán son los clatratos de metano . [51] Los clatratos son compuestos en los que una red de hielo rodea una partícula de gas, de forma muy parecida a una jaula. En este caso, el gas metano está rodeado por una jaula de cristales de agua. [52] Estos clatratos de metano podrían estar presentes debajo de la superficie helada de Titán, habiéndose formado mucho antes en la historia de Titán. [53] A través de la disociación de los clatratos de metano, el metano podría liberarse a la atmósfera, reponiendo el suministro. [52] [51]

El 1 de diciembre de 2022, los astrónomos informaron haber visto nubes, probablemente hechas de metano , moviéndose a través de Titán, utilizando el Telescopio Espacial James Webb . [54] [55]

Nubes polares, hechas de metano , en Titán (izquierda) en comparación con las nubes polares de la Tierra (derecha).

Cielos diurnos y crepusculares (amanecer/atardecer)

Modelos de brillo del cielo [56] de un día soleado en Titán. El Sol se ve ponerse 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 visto 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 se pone detrás de Titán.

Se espera que el brillo del cielo y las condiciones de visualización sean bastante diferentes a las de la Tierra y Marte debido a la mayor distancia de Titán del Sol (~10  AU ) y las complejas capas de neblina en su atmósfera. Los vídeos del modelo de brillo del cielo muestran cómo se vería un día soleado típico sobre la superficie de Titán basándose en modelos de transferencia radiativa . [56]

Para los astronautas que ven con luz visible , el cielo diurno tiene un color claramente naranja oscuro y parece uniforme en todas las direcciones debido a la importante dispersión Mie de las numerosas capas de neblina a gran altitud. [56] Se calcula que el cielo diurno es entre 100 y 1000 veces más oscuro que el de una tarde en la Tierra, [56] lo que es similar a las condiciones de observación de una niebla tóxica espesa o de un denso humo de fuego . Se espera que las puestas de sol en Titán sean "eventos decepcionantes", [56] en los que el Sol desaparece aproximadamente a mitad de camino en el cielo (~50° sobre el horizonte ) sin ningún cambio distintivo de color. Después de eso, el cielo se oscurecerá lentamente hasta llegar a 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 . [56]

En luz infrarroja cercana , las puestas de sol se parecen a una puesta de sol marciana o a una puesta de sol polvorienta en el desierto. [56] 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 del blanco al "rojo" durante la tarde. [56] El brillo del cielo de la tarde es ~100 veces más tenue que el de la Tierra. [56] A medida que se acerca la tarde, se espera que el Sol desaparezca bastante cerca del horizonte. La profundidad óptica atmosférica de Titán es la más baja con 5 micrones . [57] Entonces, 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 las puestas de sol marcianas tomadas por los rovers de Marte , se ve que se desarrolla una corona en forma de abanico sobre el Sol debido a la dispersión de la neblina o el polvo a gran altura. [56]

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 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 , [58] 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. [58] Aunque Saturno aparece varias veces más grande en el cielo que la Luna en el cielo de la Tierra, el contorno de Saturno queda enmascarado por el Sol más brillante durante el día. Saturno puede volverse visible por la noche, pero sólo en una longitud de onda de 5 micrones. Esto se debe a dos factores: la pequeña profundidad óptica de la atmósfera de Titán de 5 micrones [57] [59] y las fuertes emisiones de 5 μm del lado nocturno de Saturno. [60] 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. [56] [58] Los anillos de Saturno están ocultos a la vista debido a la alineación del plano orbital de Titán y el plano de los anillos. [58] Se espera que Saturno muestre fases, similares a las fases de Venus en la Tierra, que iluminen parcialmente la superficie de Titán durante la noche, excepto en los eclipses . [58]

Desde el espacio exterior , las imágenes de Cassini desde el infrarrojo cercano hasta las longitudes de onda ultravioleta han demostrado que los períodos de crepúsculo ( ángulos de fase > 150°) son más brillantes que el día en Titán. [61] Esta observación no se ha observado en ningún otro cuerpo planetario con una atmósfera espesa. [61] El crepúsculo de Titán que eclipsa el lado diurno se debe a una combinación de la atmósfera de Titán que se extiende cientos de kilómetros sobre la superficie y la intensa Mie frontal que se dispersa desde la neblina. [61] Los modelos de transferencia radiativa no han reproducido este efecto. [56]

Evolución atmosférica

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

Capas de la atmósfera, imagen de la nave espacial Cassini

En términos generales, a la distancia de Saturno , la insolación solar y el flujo del viento solar son suficientemente bajos como para que los elementos y compuestos que son volátiles en los planetas terrestres tiendan a acumularse en las tres fases . [62] La temperatura de la superficie de Titán también es bastante baja, alrededor de 94 K (-179 C/-290 F). [63] [64] 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 sólo alrededor del 50% de la masa de Titán son silicatos , [65] 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 ( dinitrógeno ) de Titán , 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

Hay restricciones provisionales disponibles, y la pérdida actual se debe principalmente a la baja gravedad [66] y al viento solar [67] 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 mediante fotólisis y calentamiento. Debido a que la proporción original de 14 N- 15 N de Titán está poco restringida, la atmósfera primitiva puede haber tenido más N 2 en factores que oscilan entre 1,5 y 100, con certeza sólo en el factor inferior. [66] Debido a que el N 2 es el componente principal (98%) de la atmósfera de Titán, [68] la proporción isotópica sugiere que gran parte de la atmósfera se ha perdido a lo largo del tiempo geológico . Sin embargo, la presión atmosférica sobre su superficie sigue siendo casi 1,5 veces mayor que la de la Tierra, ya que comenzó con un presupuesto volátil proporcionalmente mayor que la Tierra o Marte . [64] Es posible que la mayor parte de la pérdida atmosférica se haya producido dentro de los 50 millones de años posteriores a la acreción , debido a un escape altamente energético de átomos ligeros que se llevó una gran parte de la atmósfera ( escape hidrodinámico ). [67] 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 temprano.

Debido a que Calisto y Ganímedes 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 acrecionado y desgasificado , en contraposición a la desgasificación del N 2 de los clatratos de acreción , puede ser la clave para una inferencia correcta. Si se hubiera liberado N 2 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 los dos se ha detectado en cantidades significativas. [69] La concentración insignificante de 36 Ar y 38 Ar también indica que la temperatura de ~40 K necesaria para atraparlos y el N 2 en los clatratos no existía en la subnebulosa de Saturno . En cambio, la temperatura pudo haber sido superior a 75 K, limitando incluso la acumulación de NH 3 en forma de hidratos . [70] Las temperaturas habrían sido aún más altas en la subnebulosa joviana debido a la mayor liberación de energía potencial gravitacional , masa y proximidad al Sol, reduciendo en gran medida el inventario de NH 3 acumulado por Calisto y Ganímedes. Las atmósferas de N 2 resultantes pueden haber sido demasiado delgadas para sobrevivir a los efectos de la erosión atmosférica que ha resistido Titán. [70]

Una explicación alternativa es que los impactos de los cometas liberan más energía en Calisto y Ganímedes que en Titán debido al mayor campo gravitacional de Júpiter . Eso podría erosionar las atmósferas de Calisto y Ganímedes, mientras que el material del cometa en realidad construiría la atmósfera de Titán. Sin embargo, la proporción 2 H – 1 H (es decir, D – H) de la atmósfera de Titán es(2,3 ± 0,5) × 10 −4 , [69] casi 1,5 veces menor que el de los cometas . [68] La diferencia sugiere que es poco probable que el material cometario sea el principal contribuyente a la atmósfera de Titán. [7] [71] La atmósfera de Titán también contiene más de mil veces más metano que monóxido de carbono, lo que respalda 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: tres tormentas de polvo detectadas en 2009-2010. [72]

Ver también

Referencias

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