Des chercheurs de la mission Cassini de la NASA ont trouvé des preuves d'une glace hybride toxique dans un nuage vaporeux au-dessus du pôle sud de la plus grande lune de Saturne, Titan.

La découverte est une nouvelle démonstration de la chimie complexe qui se produit dans l'atmosphère de Titan - dans ce cas, formation de nuages ​​​​dans la stratosphère de la lune géante et fait partie d'un ensemble de processus qui aident finalement à fournir un assortiment de molécules organiques à la surface de Titan.

Invisible à l'œil humain, le nuage a été détecté aux longueurs d'onde infrarouges par le spectromètre infrarouge composite, ou CIRS, sur le vaisseau spatial Cassini. Situé à une altitude d'environ 100 à 130 miles (160 à 210 kilomètres), le nuage est bien au-dessus des nuages ​​de pluie de méthane de la troposphère de Titan, ou région la plus basse de l'atmosphère. Le nouveau nuage couvre une grande zone près du pôle sud, d'environ 75 à 85 degrés de latitude sud.

Des expériences en laboratoire ont été utilisées pour trouver un mélange chimique qui correspondait à la signature spectrale du nuage, l'empreinte chimique mesurée par l'instrument CIRS. Les expériences ont déterminé que la glace exotique dans le nuage est une combinaison de la simple molécule organique de cyanure d'hydrogène et du grand benzène chimique en forme d'anneau. Les deux produits chimiques semblent s'être condensés en même temps pour former des particules de glace, plutôt que d'être superposés l'un sur l'autre.

"Ce nuage représente une nouvelle formule chimique de la glace dans l'atmosphère de Titan, " a déclaré Carrie Anderson du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, un co-investigateur du CIRS. "Ce qui est intéressant, c'est que cette glace nocive est constituée de deux molécules qui se sont condensées à partir d'un riche mélange de gaz au pôle sud."

Précédemment, Les données du CIRS ont permis d'identifier la glace de cyanure d'hydrogène dans les nuages ​​au-dessus du pôle sud de Titan, ainsi que d'autres produits chimiques toxiques dans la stratosphère lunaire.

Dans la stratosphère de Titan, un schéma de circulation globale envoie un courant de gaz chauds de l'hémisphère où c'est l'été au pôle hiver. Cette circulation change de sens lorsque les saisons changent, conduisant à une accumulation de nuages ​​à n'importe quel pôle connaît l'hiver. Peu de temps après son arrivée à Saturne, Cassini a trouvé des preuves de ce phénomène au pôle nord de Titan. Plus tard, vers la fin des 13 années du vaisseau spatial dans le système Saturne, une accumulation similaire de nuages ​​a été repérée au pôle sud.

La façon simple de penser à la structure des nuages ​​est que différents types de gaz se condenseront en nuages ​​de glace à différentes altitudes, presque comme des couches dans un dessert parfait. Quel nuage exactement se condense où dépend de la quantité de vapeur présente et des températures, qui deviennent de plus en plus froids à des altitudes plus basses dans la stratosphère. La réalité est plus compliquée, cependant, parce que chaque type de nuage se forme sur une plage d'altitudes, il est donc possible que certaines glaces se condensent simultanément, ou co-condenser.

Anderson et ses collègues utilisent le CIRS pour trier l'ensemble complexe d'empreintes infrarouges de nombreuses molécules dans l'atmosphère de Titan. L'instrument sépare la lumière infrarouge en ses couleurs composantes, comme des gouttes de pluie créant un arc-en-ciel, et mesure les forces du signal aux différentes longueurs d'onde.

« Le CIRS agit comme un thermomètre de télédétection et comme une sonde chimique, capter le rayonnement thermique émis par des gaz individuels dans une atmosphère, " a déclaré F. Michael Flasar, le chercheur principal du CIRS à Goddard. "Et l'instrument fait tout à distance, en passant près d'une planète ou d'une lune."

Le nouveau nuage, que les chercheurs appellent le nuage polaire sud à haute altitude, a une signature chimique distinctive et très forte qui est apparue dans trois séries d'observations de Titan prises de juillet à novembre 2015. Étant donné que les saisons de Titan durent sept années terrestres, c'était la fin de l'automne au pôle sud tout le temps.

Les signatures spectrales des glaces ne correspondaient à celles d'aucun produit chimique individuel, l'équipe a donc commencé des expériences en laboratoire pour condenser simultanément des mélanges de gaz. En utilisant une chambre à glace qui simule les conditions dans la stratosphère de Titan, ils ont testé des paires de produits chimiques qui avaient des empreintes digitales infrarouges dans la partie droite du spectre.

En premier, ils laissent un gaz se condenser avant l'autre. Mais le meilleur résultat a été obtenu en introduisant à la fois du cyanure d'hydrogène et du benzène dans la chambre et en leur permettant de se condenser en même temps. Par lui-même, le benzène n'a pas d'empreinte digitale distincte dans l'infrarouge lointain. Lorsqu'on l'a laissé co-condenser avec du cyanure d'hydrogène, cependant, l'empreinte dans l'infrarouge lointain de la glace co-condensée correspondait étroitement aux observations du CIRS.

Des études supplémentaires seront nécessaires pour déterminer la structure des particules de glace co-condensées. Les chercheurs s'attendent à ce qu'ils soient grumeleux et désordonnés, plutôt que des cristaux bien définis.

Anderson et ses collègues ont déjà trouvé un exemple similaire de glace co-condensée dans les données du CIRS de 2005. Ces observations ont été faites près du pôle nord, environ deux ans après le solstice d'hiver dans l'hémisphère nord de Titan. Ce nuage s'est formé à une altitude beaucoup plus basse, au-dessous de 93 miles (150 kilomètres), et avait une composition chimique différente :cyanure d'hydrogène et cyanoacétylène, l'une des molécules organiques les plus complexes trouvées dans l'atmosphère de Titan.

Anderson attribue les différences entre les deux nuages ​​aux variations saisonnières aux pôles nord et sud. Le nuage du nord a été repéré environ deux ans après le solstice d'hiver du nord, mais le nuage du sud a été repéré environ deux ans avant le solstice d'hiver austral. Il est possible que les mélanges de gaz aient été légèrement différents dans les deux cas ou que les températures se soient un peu réchauffées au moment où le nuage polaire nord a été repéré, ou les deux.

"L'un des avantages de Cassini était que nous avons pu survoler Titan encore et encore au cours de la mission de treize ans pour voir les changements au fil du temps, " a déclaré Anderson. "C'est une grande partie de la valeur d'une mission à long terme."

Le vaisseau spatial Cassini a terminé sa mission Saturne le 15 septembre, 2017.