Es gibt Sand auf Titan, woher kommt er?

Obwohl die Cassini Der Orbiter beendete seine Mission am 15. September 2017. Die Daten, die er über Saturn und seinen größten Mond, Titan, gesammelt hat, sind weiterhin erstaunlich und erstaunlich. Während der dreizehn Jahre, die es damit verbrachte, den Saturn zu umkreisen und Vorbeiflüge seiner Monde durchzuführen, sammelte die Sonde eine Fülle von Daten über die Atmosphäre, die Oberfläche, die Methanseen und die reichhaltige organische Umgebung des Titanen, über die Wissenschaftler weiterhin nachdenken.

Zum Beispiel geht es um die mysteriösen „Sanddünen“ auf Titan, die von Natur aus organisch zu sein scheinen und deren Struktur und Herkunft ein Rätsel geblieben sind. Um diese Rätsel zu lösen, führten ein Team von Wissenschaftlern der John Hopkins University (JHU) und des Forschungsunternehmens Nanomechanics kürzlich eine Studie über die Dünen von Titan durch und kamen zu dem Schluss, dass sie sich wahrscheinlich in den Äquatorregionen von Titan gebildet haben.

Ihre Studie „Woher kommt Titansand? Erkenntnisse aus den mechanischen Eigenschaften von Titansandkandidaten“ wurde kürzlich online veröffentlicht und bei der eingereicht Journal of Geophysical Research: Planeten. Die Studie wurde von Xinting Yu, einem Doktoranden am Department of Earth and Planetary Sciences (EPS) der JHU, geleitet und umfasste die EPS-Assistenzprofessoren Sarah Horst (Yus Berater) Chao He und Patricia McGuiggan mit Unterstützung von Bryan Crawford von Nanomechanics Inc.

Um es abzubauen, wurden Titans Sanddünen ursprünglich von entdeckt Cassinis Radargeräte in der Shangri-La-Region in der Nähe des Äquators. Die Bilder, die die Sonde erhielt, zeigten lange, lineare dunkle Streifen, die wie windgepeitschte Dünen aussahen, ähnlich denen auf der Erde. Seit ihrer Entdeckung haben Wissenschaftler angenommen, dass sie aus Kohlenwasserstoffkörnern bestehen, die sich aus der Titanatmosphäre auf der Oberfläche niedergelassen haben.

In der Vergangenheit haben Wissenschaftler vermutet, dass sie sich in den nördlichen Regionen um die Methanseen von Titan bilden und durch die Winde des Mondes in die Äquatorregion verteilt werden. Aber woher diese Körner tatsächlich kamen und wie sie in diesen dünenartigen Formationen verteilt wurden, ist ein Rätsel geblieben. Wie Yu dem Space Magazine per E-Mail erklärte, ist dies jedoch nur ein Teil dessen, was diese Dünen mysteriös macht:

„Erstens hatte niemand erwartet, vor der Cassini-Huygens-Mission Sanddünen auf Titan zu sehen, da globale Zirkulationsmodelle voraussagten, dass die Windgeschwindigkeiten auf Titan zu schwach sind, um die Materialien zu blasen, um Dünen zu bilden. Durch Cassini haben wir jedoch riesige lineare Dünenfelder gesehen, die fast 30% der äquatorialen Regionen von Titan bedecken!

„Zweitens sind wir uns nicht sicher, wie Titansand gebildet wird. Dünenmaterialien auf Titan unterscheiden sich völlig von denen auf der Erde. Auf der Erde sind Dünenmaterialien hauptsächlich Silikatsandfragmente, die aus Silikatgesteinen verwittert sind. Auf Titan sind Dünenmaterialien komplexe organische Stoffe, die durch Photochemie in der Atmosphäre gebildet werden und zu Boden fallen. Studien zeigen, dass die Dünenpartikel ziemlich groß sind (mindestens 100 Mikrometer), während die durch Photochemie gebildeten organischen Partikel in der Nähe der Oberfläche noch ziemlich klein sind (nur etwa 1 Mikron). Wir sind uns also nicht sicher, wie die kleinen organischen Partikel in die großen Sanddünenpartikel umgewandelt werden (Sie benötigen eine Million kleiner organischer Partikel, um ein einziges Sandpartikel zu bilden!).

„Drittens wissen wir auch nicht, wo die organischen Partikel in der Atmosphäre verarbeitet werden, um die Dünenpartikel zu bilden. Einige Wissenschaftler glauben, dass diese Partikel überall zu Dünenpartikeln verarbeitet werden können, während andere Forscher der Ansicht sind, dass ihre Bildung mit Titans Flüssigkeiten (Methan und Ethan) zusammenhängen muss, die sich derzeit nur in den Polarregionen befinden. “

Um dies zu beleuchten, führten Yu und ihre Kollegen eine Reihe von Experimenten durch, um Materialien zu simulieren, die sowohl auf terrestrischen als auch auf eisigen Körpern transportiert werden. Dies bestand aus der Verwendung mehrerer natürlicher Erdsande wie Silikatsandstrand, Karbonatsand und weißem Gyspumsand. Um die auf Titan gefundenen Materialien zu simulieren, verwendeten sie im Labor hergestellte Tholine, Methanmoleküle, die UV-Strahlung ausgesetzt wurden.

Die Herstellung von Tholinen wurde speziell durchgeführt, um die auf Titan üblichen Arten von organischen Aerosolen und photochemischen Bedingungen wiederherzustellen. Dies wurde unter Verwendung des experimentellen Systems Planetary HAZE Research (PHAZER) an der Johns Hopkins University durchgeführt – für das die Hauptforscherin Sarah Horst ist. Der letzte Schritt bestand in der Verwendung einer Nanoidentifikationstechnik (überwacht von Bryan Crawford von Nanometrics Inc.), um die mechanischen Eigenschaften der simulierten Sande und Tholine zu untersuchen.

Dies bestand darin, die Sandsimulanzien und Tholine in einen Windkanal zu legen, um ihre Mobilität zu bestimmen und zu prüfen, ob sie in denselben Mustern verteilt werden konnten. Wie Yu erklärte:

„Die Motivation hinter der Studie besteht darin, zu versuchen, das dritte Rätsel zu lösen. Wenn die Dünenmaterialien durch Flüssigkeiten verarbeitet werden, die sich in den Polarregionen von Titan befinden, müssen sie stark genug sein, um von den Polen in die Äquatorregionen von Titan transportiert zu werden, wo sich die meisten Dünen befinden. Die Tholine, die wir im Labor hergestellt haben, sind jedoch in äußerst geringen Mengen vorhanden: Die Dicke des von uns hergestellten Tholinfilms beträgt nur etwa 1 Mikron, etwa 1 / 10-1 / 100 der Dicke von menschlichem Haar. Um dies zu bewältigen, verwendeten wir eine sehr faszinierende und präzise nanoskalige Technik namens Nanoindentation, um die Messungen durchzuführen. Obwohl die erzeugten Vertiefungen und Risse alle im Nanometerbereich liegen, können wir die mechanischen Eigenschaften wie den Elastizitätsmodul (Indikator für die Steifheit), die Nanoindentationshärte (Härte) und die Bruchzähigkeit (Indikator für die Sprödigkeit) des Dünnfilms genau bestimmen. “

Am Ende stellte das Team fest, dass die auf Titan gefundenen organischen Moleküle im Vergleich zu den weichsten Sanden der Erde viel weicher und spröder sind. Einfach ausgedrückt, die Tholine, die sie produzierten, schienen nicht die Kraft zu haben, die immense Entfernung zwischen den nördlichen Methanseen von Titan und der Äquatorregion zurückzulegen. Daraus folgerten sie, dass die organischen Sande auf Titan wahrscheinlich in der Nähe ihres Standortes gebildet werden.

"Und ihre Bildung beinhaltet möglicherweise keine Flüssigkeiten auf Titan, da dies eine enorme Transportentfernung von über 2000 Kilometern von den Polen des Titanen zum Äquator erfordern würde", fügte Yu hinzu. „Die weichen und spröden organischen Partikel würden zu Staub zermahlen, bevor sie den Äquator erreichen. Unsere Studie verwendete eine völlig andere Methode und bestätigte einige der Ergebnisse, die aus Cassini-Beobachtungen abgeleitet wurden. “

Letztendlich stellt diese Studie eine neue Richtung für Forscher dar, wenn es um die Untersuchung von Titan und anderen Körpern im Sonnensystem geht. Wie Yu erklärte, waren die Forscher in der Vergangenheit größtenteils eingeschränkt Cassini Daten und Modellierung zur Beantwortung von Fragen zu den Sanddünen von Titan. Yu und ihre Kollegen konnten jedoch im Labor hergestellte Analoga verwenden, um diese Fragen zu beantworten, obwohl die Cassini Mission ist jetzt zu Ende.

Darüber hinaus wird diese jüngste Studie sicherlich von immensem Wert sein, da die Wissenschaftler weiterhin darüber nachdenken Cassinis Daten im Vorgriff auf zukünftige Missionen zu Titan. Diese Missionen zielen darauf ab, die Sanddünen, Methanseen und die reichhaltige organische Chemie von Titan genauer zu untersuchen. Wie Yu erklärte:

„Unsere Ergebnisse können nicht nur dazu beitragen, den Ursprung der Dünen und Sande des Titanen zu verstehen, sondern sie werden auch wichtige Informationen für potenzielle zukünftige Landemissionen auf Titan liefern, wie zum Beispiel Dragonfly (einer von zwei Finalisten (von zwölf Vorschlägen), für die ausgewählt wurde weitere Konzeptentwicklung durch das New Frontiers-Programm der NASA). Die Materialeigenschaften der organischen Stoffe auf Titan können tatsächlich erstaunliche Hinweise liefern, um einige der Rätsel auf Titan zu lösen.

„In einer Studie, die wir letztes Jahr in JGR-Planeten (2017, 122, 2610–2622) veröffentlicht haben, haben wir herausgefunden, dass die Interpartikelkräfte zwischen Tholinpartikeln viel größer sind als gewöhnlicher Sand auf der Erde, was bedeutet, dass die organischen Stoffe auf Titan viel größer sind kohäsiv (oder klebriger) als Silikatsand auf der Erde. Dies impliziert, dass wir eine größere Windgeschwindigkeit benötigen, um die Sandpartikel auf Titan zu blasen, was den Modellforschern helfen könnte, das erste Rätsel zu lösen. Es legt auch nahe, dass Titansande durch einfache Koagulation organischer Partikel in der Atmosphäre gebildet werden könnten, da sie viel einfacher zusammenzuhalten sind. Dies könnte helfen, das zweite Geheimnis der Sanddünen von Titan zu verstehen. "

Darüber hinaus hat diese Studie Auswirkungen auf die Untersuchung anderer Körper als Titan. "Wir haben organische Stoffe auf vielen anderen Körpern des Sonnensystems gefunden, insbesondere auf eisigen Körpern im äußeren Sonnensystem, wie Pluto, Neptuns Mond Triton und Komet 67P", sagte Yu. „Und einige der organischen Stoffe werden ähnlich wie Titan photochemisch hergestellt. Und wir haben auch auf diesen Körpern windgeblasene Merkmale (sogenannte äolische Merkmale) gefunden, sodass unsere Ergebnisse auch auf diese Planetenkörper angewendet werden können. “

In den kommenden zehn Jahren werden voraussichtlich mehrere Missionen die Monde des äußeren Sonnensystems erforschen und Dinge über ihre reichen Umgebungen enthüllen, die dazu beitragen könnten, die Ursprünge des Lebens hier auf der Erde zu beleuchten. zusätzlich James Webb Weltraumteleskop (wird voraussichtlich 2021 eingesetzt) ​​wird auch seine fortschrittlichen Instrumente einsetzen, um die Planeten des Sonnensystems zu untersuchen, in der Hoffnung, diese brennenden Fragen zu beantworten.

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