Cassini数据确认PAHS在泰坦的下阴霾的生产中发挥着重要作用

研究人员确认了泰坦高层大气中的复杂碳氢化合物的存在

美国宇航局的卡西尼号宇宙飞船观察土星最大的卫星的夜晚一面,看到阳光散射穿过土卫六大气的外围,形成了一个彩色环。在这张照片的顶部可以看到土卫六的北极罩,在底部可以探测到南极涡旋的迹象。参见PIA08137了解更多关于北极帽的信息。参见PIA14919和PIA14920了解更多关于南极涡旋的信息。这张照片面向土卫六面向土星的一面(3200英里,或5150公里宽)。土卫六的北方是向上的,并向右旋转了9度。使用红、绿、蓝光谱滤镜拍摄的图像被组合在一起,形成了这种自然色彩视图。这些图像是2012年6月6日卡西尼号宇宙飞船广角相机拍摄的,距离土卫六大约13.4万英里(21.6万公里)。图像尺度是每像素8英里(13公里)。图片来源:NASA /姓名/ SSI

数据从卡西尼泳装通过美国宇航局的视觉和红外测绘光谱仪,研究人员确认了多环芳香烃(PAHs)在土卫六下层雾霾的形成过程中发挥了重要作用,导致雾霾形成的化学反应是从高空的大气中开始的。

科学家们正在研究来自美国国家航空航天局美国“卡西尼号”(Cassini)的任务已经确认了火星大气层上层存在复杂碳氢化合物土星泰坦是美国最大的卫星,后来演变成使它呈现出独特的橙褐色云雾的成分。这些被称为多环芳香烃(PAHs)的复杂环状碳氢化合物的存在,解释了覆盖土卫六表面的最低烟雾层中气溶胶粒子的来源。科学家们认为,这些多环芳烃化合物在向下漂移时聚集成更大的颗粒。

“泰坦的大气中有大量的甲烷,泰坦的烟雾就像洛杉矶的类固醇烟雾,”斯科特·爱丁顿说,他是卡西尼号的副项目科学家,在加利福尼亚州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室工作。这些利用卡西尼号数据的新论文阐明了构成土卫六烟雾的重而复杂的碳氢化合物分子是如何从大气中较简单的分子中形成的。现在它们已经被确认,卡西尼号任务的持续时间将使研究它们随土卫六季节的变化成为可能。”

在太阳系的所有天体中,土星最大的卫星土卫六的大气层与地球的最为相似。和我们的行星一样,土卫六的大气主要由分子氮组成。然而,与地球的大气不同,土卫六的大气中只含有少量的氧气和水。另一种分子甲烷,与地球大气中的水类似,占土卫六大气的2%。科学家推测,这颗卫星的大气层可能与地球早期的大气层类似,在原始生命有机体通过光合作用使其富含氧气之前。

当Silull或高度活力的颗粒来自土星的磁性气泡时,泰坦大气层的层数高于约600英里(1000公里),氮气和甲烷分子被分解。这导致巨大的正离子和电子的形成,它引发了一种化学反应链,产生各种烃 - 其中广泛的泰坦大气中检测到。这些反应最终导致碳基气溶胶的产生,原子和分子的大量聚集体,这些原子和分子中发现的雾霾的较低层,远低于300英里(500公里)。该过程类似于地球,其中烟雾开始于阳光破碎排放到空气中的碳氢化合物。所得块重组以形成更复杂的分子。

多环芳烃在泰坦上产生霾的过程中起着重要作用

这幅图展示了在土卫六(土星最大的卫星)上形成气溶胶的各种步骤。
当Silurn磁极的阳光或高度充电能粒子击中泰坦大气层的层次超过约600英里(1000公里),氮气和甲烷分子被分解。这导致形成巨大的正离子和电子,其引发产生各种烃的化学反应链。这些碳氢化合物中的许多已经在泰坦的大气中检测到,包括多环芳烃(PAHS),其是从较小烃的聚集形成的大碳基分子。在泰坦的大气中检测到的一些PAH也含有氮原子。
多环芳烃是一系列越来越大的化合物的第一步。模型显示了多环芳烃是如何凝结并形成大的聚集体的,由于它们的重量更大,它们倾向于下沉到低层大气中。土卫六较低的大气层中较高的密度有利于这些原子和分子的进一步生长。这些反应最终导致了碳基气溶胶的产生,这是一种原子和分子的大聚集物,存在于覆盖着泰坦的薄雾的较低层,远低于300英里(500公里)。图片来源:ESA/ATG medialab

欧洲航天局(European Space Agency)的惠更斯号(Huygens)探测器于2005年抵达土卫六表面,但其下落的数据对土卫六下层雾霾中的气溶胶进行了研究,但其来源仍不清楚。新的研究分析了卡西尼号2007年7月和8月收集的视觉和红外测绘光谱仪(VIMS)的数据,可能会解决这个问题。《天体物理学杂志》上刊登了一项关于土卫六上层大气的新研究描述了对多环芳烃的检测,多环芳烃是由较小碳氢化合物聚集而成的大型碳基分子。

“We can finally confirm that PAHs play a major role in the production of Titan’s lower haze, and that the chemical reactions leading to the formation of the haze start high up in the atmosphere,” said this paper’s lead author Manuel López-Puertas from the Astrophysics Institute of Andalucia in Granada, Spain. “This finding is surprising: we had long suspected that PAHs and aerosols were linked in Titan’s atmosphere, but didn’t expect we could prove this with current instruments.”

科学家团队一直在研究泰坦大气中的各种分子的排放,当时他们偶然发现了数据中的特殊特征。光谱中的一个特征线 - 来自甲烷排放 - 具有略微异常的形状,并且涉嫌掩饰的科学家们隐藏了一些东西。

来自意大利博洛尼亚的大气科学与气候研究所(国家研究委员会的一部分)的Bianca Maria Dinelli是第一作者关于地球物理研究信的相关论文。她和她的同事们进行了艰苦的调查,以确定负责异常的化学物质。额外的信号仅在白天发现,因此它清楚地与太阳照射有关。

“该信号的中心波长约为3.28微米,是芳族化合物 - 烃分子的典型碳原子在环状结构中粘合,”纳米利说。

科学家们测试了这种未知的排放物是否可能是由苯产生的。苯是最简单的只包含一个环的芳香族化合物,此前在土卫六的大气层中发现过。然而,苯相对较低的丰度并不足以解释所观察到的排放。

在他们排除苯后,科学家试图用更复杂的PAH繁殖观察到的发射。他们检查他们的数据对NASA AMES PAH红外光谱数据库。并且它们是成功的:数据可以通过许多不同PAH的混合物解释为排放,其含有平均34个碳原子和约10个环。

“多环芳烃非常有效地吸收太阳的紫外线辐射,重新分配分子内的能量,最终将其发射到红外波长,”合著者Alberto Adriani说,他来自位于罗马的意大利国家天体物理研究所(INAF)的空间天体物理和行星学研究所。他是卡西尼- vims联合调查小组的成员,并开始了这次调查。他管理收集和处理VIMS数据的团队。

这些碳氢化合物还特别能在土卫六上层大气的稀薄环境中发出大量的红外辐射,因为在那里分子之间的碰撞并不频繁。这些分子本身是一种中间产物,是太阳辐射使土卫六上层大气中的小分子电离后产生的,这些小分子随后凝结并下沉。

卡西尼-惠更斯任务是美国宇航局、欧洲航天局和意大利ASI航天局的合作项目。喷气推进实验室为美国宇航局科学任务理事会管理卡西尼-惠更斯任务。视觉和红外测绘光谱仪团队是基于亚利桑那大学图森分校。位于帕萨迪纳的加州理工学院负责管理JPL.适用于美国宇航局。

相关的出版物:

  • B. M. Dinelli,“泰坦高层大气中的未识别排放,”地球物理研究字母,第40卷,第8卷,2013年4月28日1489-1493;DOI:10.1002 / GRL.50332
  • M.López-puertas等,等,“泰坦高层大气中的多环芳烃大量丰富的多环芳烃”2013,APJ,770,132;DOI:10.1088 / 0004-637X / 770 / 2/132

图片提供:美国宇航局/姓名/ SSI;ESA / ATG媒体实验室

1评论“卡西尼数据证实多环芳烃在泰坦上产生低霾的过程中起着重要作用”

  1. 我们必须尽快离开这个星球。否则我们和所有的生物、植物、动物都将很快灭绝——!”....

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