Μακρινό υπεριώδες φως και οργανικά αερολύματα στον Τιτάνα και στις πρώιμες γήινες ατμόσφαιρες
Ο Τιτάνας, ο μεγαλύτερος δορυφόρος του συστήματος του Κρόνου, είναι διάσημος επειδή καλύπτεται εξ ολοκλήρου από στρώματα παχιά πορτοκαλί ομίχλης, τα οποία αποτελούνται από οργανικά αερολύματα. Αυτά τα οργανικά σωματίδια παράγονται μέσω διαφόρων ειδών αντιδράσεων στην πλούσια σε μεθάνιο αναγωγική ατμόσφαιρα του Τιτάνα, που οδηγούνται από το ηλιακό υπεριώδες φως και τα σωματίδια υψηλής ενέργειας του Κρόνου.
Από την αρχαία Γη πριν από 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια, πριν από την άνοδο των επιπέδων οξυγόνου λόγω των φωτοσυνθετικών οργανισμών, η Γη μπορεί να είχε μια αναγωγική ατμόσφαιρα πλούσια σε μεθάνιο παρόμοια με τον σημερινό Τιτάνα. Η αρχαία Γη μπορεί να είχε καλυφθεί από πορτοκαλί στρώματα ομίχλης που θα μπορούσαν να παρέχουν πρόδρομα υλικά για τη ζωή. Επιπλέον, επειδή τα οργανικά θολώματα μπορούν να απορροφήσουν και να διασκορπίσουν το ηλιακό φως, παίζουν σημαντικό ρόλο στον έλεγχο του παγκόσμιου κλίματος. Επομένως, η μελέτη της διαδικασίας σχηματισμού οργανικών αερολυμάτων θα μπορούσε να προσφέρει γνώση όχι μόνο για την προέλευση της ζωής αλλά και για τη συμπεριφορά του ατμοσφαιρικού συστήματος.
Αν και η αποστολή Cassini-Huygens της NASA και της ESA, που λειτούργησε από το 1997 έως το 2017, έχουν αποκαλύψει πολλές από τις διαδικασίες παραγωγής οργανικών αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά ερωτήματα που πρέπει να απαντηθούν. Συγκεκριμένα, δεν γνωρίζουμε πώς τα σωματίδια αερολύματος πήζουν και αναπτύσσονται μέσω της μεσαίας ατμόσφαιρας του Τιτάνα (που αντιστοιχεί σε υψόμετρο 700 – 150 km). Σε αντίθεση με την ανώτερη ατμόσφαιρα του Τιτάνα (πάνω από περίπου 1000 km), όπου παράγονται μεγάλα μόρια υδρογονανθράκων από πολυάριθμες αντιδράσεις ιόντων που προκαλούνται από ακραία υπεριώδη (EUV) και σωματίδια υψηλής ενέργειας, το πολύ υπεριώδες (FUV) έχει σχετικά μεγαλύτερα μήκη κύματος (120 – 300 nm). και είναι η κυρίαρχη πηγή ενέργειας στη μεσαία ατμόσφαιρα.
Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό όταν εξετάζουμε την πρώιμη Γη, επειδή, στην πρώιμη Γη, το FUV θα ήταν επίσης η κυρίαρχη πηγή για την ώθηση της παραγωγής οργανικών αερολυμάτων. Προηγούμενες μελέτες, ωστόσο, χρησιμοποιούσαν μόνο EUV και σωματίδια υψηλής ενέργειας. Έτσι, η χρήση του FUV για την προσομοίωση των φυσικών και χημικών διεργασιών στις μεσαίες ατμόσφαιρες είναι πιο σημαντική όταν πρόκειται για την κατανόηση του κλίματος της αρχαίας Γης. Επιπλέον, επιφανειακές αντιδράσεις αναμένεται να συμβούν σε μεσαίες ατμόσφαιρες, στις οποίες δεν έχει δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο παρελθόν.
Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Peng Hong του Chiba Institute of Technology ανέπτυξε μια λάμπα H2/He που μπορεί να ακτινοβολήσει φως FUV παρόμοιο με το ηλιακό φάσμα και να προσομοιώσει την παραγωγή οργανικών αερολυμάτων στο εργαστήριό της ακτινοβολώντας το FUV σε μεθάνιο-CO2 μίγματα αερίων. Μέτρησαν τον ρυθμό παραγωγής οργανικών αερολυμάτων και ανέλυσαν τη χημική σύσταση στερεών και αερίων. Βρήκαν ότι ο ρυθμός ανάπτυξης του αερολύματος μειώθηκε σημαντικά για το CO2 - συνθήκες πλούτου, παρόμοιες με μια πρώιμη Γη, και διαπίστωσε ότι τα παραγόμενα οργανικά αερολύματα αποτελούνται κυρίως από αλειφατικούς άνθρακες σε αντίθεση με προηγούμενα πειράματα που χρησιμοποιούν EUV και σωματίδια υψηλής ενέργειας, υποδηλώνοντας ότι οι αντιδράσεις αέριου πολυμερισμού θεωρούνταν προηγουμένως οι κυρίαρχες αντιδράσεις για την παραγωγή μονομερών μπορεί να μην είναι αποτελεσματική για τη δημιουργία στερεών σωματιδίων από αέρια.
Για να το επιβεβαιώσουν, ανέπτυξαν ένα αριθμητικό μοντέλο για την προσομοίωση των χημικών αντιδράσεων μέσα στον θάλαμο και βρήκαν ότι το CH3 Επιπλέον, ένα είδος ετερογενών αντιδράσεων που συμβαίνουν στην επιφάνεια των στερεών, είναι πιο αποτελεσματικές από τις αντιδράσεις πολυμερισμού υδρογονανθράκων στην αέρια φάση.
Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι στη μέση ατμόσφαιρα του Τιτάνα, οι ετερογενείς αντιδράσεις θα ήταν η κύρια διαδικασία για την ανάπτυξη σωματιδίων αερολύματος και τα οργανικά στρώματα αερολύματος στην πρώιμη Γη θα ήταν πιο λεπτά από ό,τι είχε εκτιμηθεί προηγουμένως. Καθώς οι πλανήτες με αναγωγικές ατμόσφαιρες πλούσιες σε μεθάνιο είναι πολύ συνηθισμένοι στο σύμπαν, συμπεριλαμβανομένου του Πλούτωνα (που εξερευνήθηκε πρόσφατα από την αποστολή New Horizons) και των εξωπλανητών, η γνώση που αποκτήθηκε από αυτήν τη μελέτη θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε αυτούς τους πλανήτες.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Experimental study of heterogeneous organic chemistry induced by far ultraviolet light:Implications for growth of organic aerosols by CH3 προσθήκη στις ατμόσφαιρες του Τιτάνα και της πρώιμης Γης, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Peng Hong από το Chiba Institute of Technology and The University of Tokyo, και τους Yasuhito Sekine, Tsutoni Sasamori και Seiji Sugita από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο.
