近距离观察土卫六的化学产物

土卫六的大气层是太阳系中最复杂的化学环境之一

在这张图片中,土卫六浓密的大气层将这颗卫星包裹在棕黄色的薄雾之下。这张照片是由美国宇航局的卡西尼号飞船拍摄的,从土卫六的薄雾中可以看到土星的第三大卫星土卫六和它的光环。从侧面看,这些环在图像中呈现为一条水平线。光环在土星上投下阴影,就像图片底部的黑线。2011年5月21日,卡西尼飞船的窄角相机在距离土卫六约140万英里(230万公里)的地方拍摄了这张照片。资料来源:NASA/ jpl -加州理工学院/空间科学研究所

两篇发表在《天体物理学杂志》上的新论文描述了碳氢化合物产生的过程土星通过模拟土卫六表面甲烷浓度如何随时间变化,他预测了土卫六的化学工厂已经运行了多久。这些论文有来自美国国家航空航天局卡西尼号2005年,欧洲航天局的惠更斯号探测器降落在土卫六表面。

土星的巨大卫星土卫六隐藏在厚厚的烟雾弥漫的大气层中,科学家们都知道这是太阳系中最复杂的化学环境之一。它是一个生产碳氢化合物的“工厂”,这些碳氢化合物像雨点一样落在土卫六冰冷的表面,让土卫六笼罩在烟尘中,地表温度低得可怕,只有零下270度左右华氏温度形成了液态甲烷和乙烷湖。

然而,这个化工厂最重要的原料是甲烷,一种由一个碳组成的分子原子它与四个氢原子结合,不应该持续很长时间,因为它不断被阳光破坏,并转变成更复杂的分子和粒子。美国国家航空航天局资助的科学家们进行了一项新研究,试图估算这座工厂运行了多久。这项研究结果以两篇论文的形式发表在4月20日出版的《天体物理学杂志》上。

这些论文使用了NASA卡西尼号探测器上的两个仪器和欧洲航天局惠更斯号探测器上的一个仪器的数据,惠更斯号探测器于2005年1月降落在土卫六表面。这三个工具建造美国宇航局戈达德太空飞行中心的医学博士。论文由康纳尼克松马里兰大学的,大学公园使用红外签名(光谱)的甲烷从卡西尼的复合红外光谱仪估计多少“重”甲烷包含罕见同位素在土卫六的大气层。

同位素是一种重量或质量不同的元素。例如,碳13比最常见的碳12更重(也更稀有)。有时,甲烷分子中的碳13原子会取代碳12原子。因为由碳12生成的甲烷稍微轻一些,所以将其转化为更复杂的碳氢化合物的化学反应要快一些。这意味着碳-12甲烷的消耗速度略快于碳-13甲烷,因此土卫六大气层中重甲烷的浓度增长缓慢。

雾霾层(紫色线)似乎漂浮在土卫六的主要大气雾霾之上

这张假彩色图像显示了一层薄薄的、分离的雾层(紫色线),似乎漂浮在土卫六的主要大气雾层之上。卡西尼号飞船的窄角相机于2004年7月3日拍摄了这张照片。资料来源:美国宇航局/喷气推进实验室/空间科学研究所

通过模拟重甲烷浓度如何随时间变化,科学家们预测了土卫六的化工厂运行了多长时间。

“根据我们的基线模型假设,甲烷的年龄上限为16亿年,大约是土卫六本身年龄的三分之一,”尼克松说,他目前驻扎在NASA戈达德。“然而,如果甲烷也像之前的一些研究表明的那样从大气顶层逃逸出来,那么其年龄肯定要短得多——可能只有1000万年——才能与观测结果相符。”“这两种情况都假设甲烷是在一次气体释放中进入大气层的,可能是由于土卫六内部的重组,较重的物质向中心下沉,较轻的物质向表面上升。

“然而,如果甲烷被不断地从某个来源补充,那么它的同位素就会总是显得‘新鲜’,我们不能在我们的模型中限制年龄,”尼克松补充说。可能的来源包括甲烷包合物,基本上是一个“笼”或冰分子晶格中的甲烷分子。在地球冰冷的海洋深处发现了甲烷笼形物,一些科学家认为在土卫六的水-冰壳下面可能有一个液态水和氨(作为防冻剂)混合的海洋。如果是这样的话,甲烷可能会在拟议中的水氨浆“冰火山”爆发时从笼状笼中释放出来,或者更简单地说,可能会从地壳的裂缝中缓慢渗出。

第二篇论文由德克萨斯州圣安东尼奥西南研究所的凯瑟琳·曼特和他的同事们撰写,他们还模拟了甲烷的时间演化。在这项工作中,重甲烷的浓度是由卡西尼号的离子和中性质谱仪测量得出的,该质谱仪计算不同质量(重量)的大气分子。惠更斯气相色谱质谱计(也计算不同质量的分子)所做的测量被用来限制逃逸对大气中重甲烷的影响。

他说:“我们计算得出,即使随着时间的推移,从内部补充的甲烷达到或超过进入大气化学工厂的数量,这个过程也一定已经持续了最多10亿年。”“如果这个过程开始得更早一些,我们将会看到甲烷在湖泊表面和大气中积累,超过今天所观察到的。”

这些论文加在一起,为土卫六甲烷大气的历史增加了重要的新视角和限制条件,证实了它一定是在土卫六本身很久之后形成的。先前考虑土卫六内部演化的研究预测,上一次大规模的甲烷喷发发生在3.5亿至13.5亿年前,而对陨石坑的计数显示,目前土卫六表面的年龄为2亿至10亿年。(弹坑计数的原理是,一个较老的表面有更多的弹坑,就像你在彩弹游戏中玩的时间越长,你就会得到越多的命中率。)

土卫六表面存在液态碳氢化合物湖泊的证据,可能是甲烷或乙烷

这张伪彩色图像显示了土卫六表面存在液态碳氢化合物湖泊的证据,可能是甲烷或乙烷。这些湖泊被描绘成黑暗的区域,但并不是肉眼所能看到的,因为用了雷达来穿透泰坦表面的厚厚的薄雾。卡西尼号雷达设备于2006年7月22日拍摄了这张照片。该图像的中心位于北纬80度、西经35度附近,直径约140公里(84英里)。这条雷达图像被缩短,以模拟最高纬度地区的倾斜视图,从它的西边的一点看。图中最小的细节大约500米(1640英尺)宽。来源:美国航天局/喷气推进实验室/美国地质调查局

考虑到这两篇论文,目前的工作首次从大气本身来估计甲烷的年龄,不到10亿年。

这项研究得到了NASA卡西尼任务和NASA卡西尼数据分析项目NNX09AK55G的支持。卡西尼-惠更斯号任务是美国宇航局、欧洲航天局和意大利航天局的合作项目。喷气推进实验室是位于帕萨迪纳的加州理工学院的一个分部,它为美国宇航局的科学任务理事会(位于华盛顿)管理这项任务。

图片:美国国家航空航天局/喷气推进实验室加州理工学院/空间科学研究所;美国航天局/喷气推进实验室/空间科学研究所;美国航天局/喷气推进实验室/美国地质调查局

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