I ricercatori della missione Cassini della NASA hanno trovato prove di un ghiaccio ibrido tossico in una nuvola sottile sopra il polo sud della luna più grande di Saturno, Titano.

La scoperta è una nuova dimostrazione della complessa chimica che si verifica nell'atmosfera di Titano, in questo caso, formazione di nubi nella stratosfera della luna gigante e parte di una serie di processi che alla fine aiutano a fornire un buffet di molecole organiche sulla superficie di Titano.

Invisibile all'occhio umano, la nuvola è stata rilevata a lunghezze d'onda infrarosse dallo spettrometro a infrarossi composito, o CIR, sulla sonda Cassini. Situato ad un'altitudine di circa 100-130 miglia (160-210 chilometri), la nuvola è molto al di sopra delle nuvole di pioggia di metano della troposfera di Titano, o regione più bassa dell'atmosfera. La nuova nuvola copre una vasta area vicino al polo sud, da circa 75 a 85 gradi di latitudine sud.

Sono stati utilizzati esperimenti di laboratorio per trovare una miscela chimica che corrispondesse alla firma spettrale della nuvola, l'impronta digitale chimica misurata dallo strumento CIRS. Gli esperimenti hanno determinato che il ghiaccio esotico nella nuvola è una combinazione della semplice molecola organica di acido cianidrico insieme al grande benzene chimico a forma di anello. Le due sostanze chimiche sembrano essersi condensate contemporaneamente per formare particelle di ghiaccio, piuttosto che uno sovrapposto all'altro.

"Questa nube rappresenta una nuova formula chimica del ghiaccio nell'atmosfera di Titano, " ha detto Carrie Anderson del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, un co-investigatore del CIRS. "La cosa interessante è che questo ghiaccio nocivo è composto da due molecole che si sono condensate insieme da una ricca miscela di gas al polo sud".

In precedenza, I dati CIRS hanno aiutato a identificare il ghiaccio di acido cianidrico nelle nuvole sopra il polo sud di Titano, così come altre sostanze chimiche tossiche nella stratosfera lunare.

Nella stratosfera di Titano, un modello di circolazione globale invia una corrente di gas caldi dall'emisfero in cui è estate al polo invernale. Questa circolazione inverte la direzione quando le stagioni cambiano, portando ad un accumulo di nuvole in qualsiasi polo sta vivendo l'inverno. Poco dopo il suo arrivo a Saturno, Cassini ha trovato prove di questo fenomeno al polo nord di Titano. Dopo, verso la fine dei 13 anni della navicella nel sistema di Saturno, un simile accumulo di nubi è stato individuato al polo sud.

Il modo più semplice per pensare alla struttura delle nuvole è che diversi tipi di gas si condenseranno in nuvole di ghiaccio a diverse altitudini, quasi come strati in un semifreddo. Esattamente quale nuvola si condensa dove dipende da quanto vapore è presente e dalle temperature, che diventano sempre più fredde a quote più basse nella stratosfera. La realtà è più complicata, però, perché ogni tipo di nuvola si forma su una gamma di altitudini, quindi è possibile che alcuni ghiacci si condensino contemporaneamente, o co-condensare.

Anderson e colleghi usano il CIRS per ordinare il complesso insieme di impronte digitali a infrarossi di molte molecole nell'atmosfera di Titano. Lo strumento separa la luce infrarossa nei suoi colori componenti, come gocce di pioggia che creano un arcobaleno, e misura l'intensità del segnale alle diverse lunghezze d'onda.

"CIRS agisce come un termometro telerilevante e come una sonda chimica, rilevare la radiazione termica emessa dai singoli gas in un'atmosfera, " ha detto F. Michael Flasar, l'investigatore principale del CIRS a Goddard. "E lo strumento fa tutto da remoto, mentre passa vicino a un pianeta o una luna."

La nuova nuvola, che i ricercatori chiamano nube polare sud d'alta quota, ha una firma chimica distintiva e molto forte che si è manifestata in tre serie di osservazioni di Titano effettuate da luglio a novembre 2015. Poiché le stagioni di Titano durano sette anni terrestri, era autunno inoltrato al polo sud per tutto il tempo.

Le firme spettrali dei ghiacci non corrispondevano a quelle di nessuna singola sostanza chimica, così il team ha iniziato esperimenti di laboratorio per condensare contemporaneamente miscele di gas. Utilizzando una camera di ghiaccio che simula le condizioni nella stratosfera di Titano, hanno testato coppie di sostanze chimiche che avevano impronte digitali a infrarossi nella parte destra dello spettro.

All'inizio, fanno condensare un gas prima dell'altro. Ma il miglior risultato è stato ottenuto introducendo sia acido cianidrico che benzene nella camera e consentendo loro di condensare allo stesso tempo. Da solo, il benzene non ha un'impronta digitale distintiva nel lontano infrarosso. Quando è stato permesso di co-condensare con acido cianidrico, però, l'impronta digitale nel lontano infrarosso del ghiaccio co-condensato era una stretta corrispondenza con le osservazioni del CIRS.

Saranno necessari ulteriori studi per determinare la struttura delle particelle di ghiaccio co-condensate. I ricercatori si aspettano che siano bitorzoluti e disordinati, piuttosto che cristalli ben definiti.

Anderson e colleghi hanno precedentemente trovato un esempio simile di ghiaccio co-condensato nei dati CIRS del 2005. Queste osservazioni sono state fatte vicino al polo nord, circa due anni dopo il solstizio d'inverno nell'emisfero settentrionale di Titano. Quella nuvola si è formata a un'altitudine molto più bassa, sotto 93 miglia (150 chilometri), e aveva una composizione chimica diversa:acido cianidrico e cianoacetilene, una delle molecole organiche più complesse che si trovano nell'atmosfera di Titano.

Anderson attribuisce le differenze tra le due nuvole alle variazioni stagionali ai poli nord e sud. La nuvola settentrionale è stata avvistata circa due anni dopo il solstizio d'inverno settentrionale, ma la nube meridionale è stata avvistata circa due anni prima del solstizio d'inverno australe. È possibile che le miscele di gas fossero leggermente diverse nei due casi o che le temperature si fossero un po' scaldate quando è stata avvistata la nube polare nord, o entrambi.

"Uno dei vantaggi di Cassini era che siamo stati in grado di sorvolare Titano ancora e ancora nel corso della missione di tredici anni per vedere i cambiamenti nel tempo, " ha detto Anderson. "Questa è una parte importante del valore di una missione a lungo termine".

La sonda Cassini ha terminato la sua missione su Saturno il 15 settembre, 2017.