天文学家在泰坦的平流层中检查二氰乙炔冰

新研究探讨了泰坦平流层中二氰乙炔冰云的外观。

冰云的令人困惑的外观似乎淡淡的空气促使NASA科学家建议比以前认为的不同的过程 - 可能与在地球杆上看到的人相似 - 可能是在土星的月亮泰坦形成云。

位于泰坦的平流层中，云是由碳和氮的化合物制成，称为二氰乙炔（C4N2），化学鸡尾酒中的成分，颜色巨型月亮的朦胧，棕色 - 橙色的氛围。

十年前，美国宇航局的航天家1艘航天器的红外乐器发现了一个在泰坦上的冰云。从那以后，科学家们有什么困惑：他们检测到云所需的二氰基乙炔气体的少于1％以凝结。

NASA的Cassini任务的最近观察结果产生了类似的结果。使用Cassini的复合红外光谱仪 - 或CIRS，可以识别大气酿造的磷光化学品的光谱指纹 - 研究人员发现了一种由相同的冷冻化学品制成的大型高空云。然而，就像在Voyager发现的那样，当涉及到这种化学品的蒸气形态时，CIRS报告说，泰坦的平流层和沙漠一样干燥。

“这种冰云的外观反对我们对泰坦的云形式所了解的一切，”纳萨在马里兰州格林贝尔州格林贝尔州的戈达德太空飞行中心和领导作者的CIRS CORISON。

来自美国宇航局的Cassini任务的科学家认为，在冰粒内的“固态”化学解释了泰坦平流层中二氰基乙炔（C4N2）冰云的外观。颗粒具有涂覆有氰化氢外层（HCN）冰的外层的氰基乙炔（HC3N）的内层。（左）当光子的光子穿透外壳时，它可以与HC3N相互作用，产生C3N和H.（中心），然后将C3N与HCN反应，得到（右）C4N2和H.另一种反应，也产生C4N2冰的另一反应H也是可能的，但不太可能。学分：美国宇航局的戈达德太空飞行中心

形成云的典型过程涉及凝结。在地球上，我们熟悉水蒸发和凝结的循环。在泰坦的对流层中发生了同样的循环 - 泰坦大气层的天气形成层 - 但用甲烷而不是水。

在平流层中发生了不同的凝结过程 - 对流层高于对流层 - 在泰坦的北部和南冬杆。在这种情况下，随着全局循环模式强制在杆处向下的温热气体，云浓缩。然后，气体随着极性平流层的冷却器和冷却器层而冷却。

无论哪种方式，当空气温度和压力有利于蒸汽凝结成冰的云时，云形成。蒸汽和冰达到平衡点 - 平衡点 - 由空气温度和压力决定。由于这种均衡，科学家们可以计算出现冰的蒸汽量。

“对于浓缩的云，这种均衡是强制性的，就像引力规律一样，戈德德的Emeritus科学家罗伯特·萨缪尔森（Robert Samuelson）表示，戈达德的Emeritus Sciencer和本文的共同作者。

但这些数字不会对由二氰乙炔制成的云计算。科学家认为，他们需要至少100倍的蒸汽来形成冰云，其中Cassini的CIRS观察到云顶。

早期建议的一个解释是蒸汽可能存在，但Voyager的仪器在检测到它所需的临界波长范围内不够敏感。但是，当CIRS也没有找到蒸气，安德森和她的戈达德和卡特克同事提出了一个完全不同的解释。而不是通过冷凝形成云，他们认为C4N2冰形式是因为在其他种类的冰颗粒上进行的反应。研究人员称之为“固态化学”，因为反应涉及冰，或固体化学品形式。

所提出的方法的第一步是由相关的化学氰乙炔（HC3N）制成的冰颗粒的形成。随着这些微小的冰块向下移动到泰坦的平流层，它们被氰化氢（HCN）涂覆。在该阶段，冰颗粒具有核心和由两种不同化学品组成的壳体。偶尔，紫外线光隧道的光子进入冷冻壳，触发冰中的一系列化学反应。这些反应可以在核心或壳内开始。两种途径可以产生二氰基乙烯冰和氢作为产物。

研究人员从涉及地球杆上的臭氧耗尽的云层的形成，使固态化学的想法。虽然地球的平流层具有少量的水分，但在正确的条件下可以形成棉绒褐色的云层（也称为极地平流层）。在这些云层中，含氯化学物质已经进入大气的污染粘附到水冰的晶体，导致释放臭氧分子的化学反应。

“认为我们可能发现泰坦和地球上的类似固态化学过程的例子非常令人兴奋，”安德森说。

研究人员表明，在泰坦，反应发生在冰颗粒内，从大气中隔离。在这种情况下，二氰乙炔冰不会与大气直接接触，这将解释为什么冰和蒸汽形式不在预期的平衡中。

“泰坦和地球的极地平流层的组成不能更多地差异，”戈德通道的Cirs首席研究员Cirs Prinipal调查员说。“看看两个大气中的底层物理导致类似的云化学，这是惊人的。”

该研究结果在Geophysical Chines封信中公布。

出版物：C。M. Anderson等，“固态光化为泰坦Stratospheric C4N2冰云的形成机制，”地球物理研究信件，2016; DOI：10.1002 / 2016GL067795.