Essa nuvem “impossível” é feita de gelo.

O aspecto intrigante de uma nuvem de gelo fez com que os cientistas da NASA sugerissem que um processo diferente do que se pensava – possivelmente semelhante a um processo visto nos polos da Terra – poderia estar formando nuvens em Titã, uma das luas de Saturno. Localizada na estratosfera de Titã, a nuvem é feita de um composto de carbono e nitrogênio conhecido como dicianoacetileno (C4N2).

Um ingrediente no coquetel químico que dá cor à nebulosa atmosfera marrom-alaranjada da lua gigante. Décadas atrás, o instrumento infravermelho na nave espacial Voyager 1 da NASA viu uma nuvem de gelo igual a essa em Titã. O que tem intrigado os cientistas desde então é que eles detectaram menos de 1% do gás dicianoacetileno necessário para a nuvem condensar. Observações recentes da missão Cassini da NASA produziram um resultado semelhante. Usando o espectrômetro infravermelho da Cassini, ou CIRS – que pode identificar as impressões digitais espectrais de produtos químicos individuais na mistura atmosférica.

Pesquisadores descobriram uma grande nuvem, de alta altitude, feita da mesma substância química congelada. No entanto, assim como a Voyager detectou, quando se trata da forma de vapor deste produto químico, o CIRS informou que a estratosfera de Titã é tão seca quanto um deserto. “O aparecimento desta nuvem de gelo vai contra tudo o que sabemos sobre a maneira que as nuvens se formam em Titã”, diz Carrie Anderson, co-pesquisadora do CIRS no NASA Goddard Space Flight Center, em Greenbelt, Maryland, nos EUA, e principal autora do estudo.

Décadas atrás, o instrumento infravermelho na nave espacial Voyager 1 da NASA viu uma nuvem de gelo igual a essa em Titã. O que tem intrigado os cientistas desde então é que eles detectaram menos de 1% do gás dicianoacetileno necessário para a nuvem condensar.

Observações recentes da missão Cassini da NASA produziram um resultado semelhante. Usando o espectrômetro infravermelho da Cassini, ou CIRS – que pode identificar as impressões digitais espectrais de produtos químicos individuais na mistura atmosférica – pesquisadores descobriram uma grande nuvem, de alta altitude, feita da mesma substância química congelada. No entanto, assim como a Voyager detectou, quando se trata da forma de vapor deste produto químico, o CIRS informou que a estratosfera de Titã é tão seca quanto um deserto.

“O aparecimento desta nuvem de gelo vai contra tudo o que sabemos sobre a maneira que as nuvens se formam em Titã”, diz Carrie Anderson, co-pesquisadora do CIRS no NASA Goddard Space Flight Center, em Greenbelt, Maryland, nos EUA, e principal autora do estudo.

Como se formam as nuvens

O processo típico de nuvens em formação envolve a condensação. Na Terra, estamos familiarizados com o ciclo de evaporação e condensação da água. O mesmo tipo de ciclo acontece na troposfera de Titã – a camada de formação de clima da atmosfera da lua – mas com metano, em vez de água.

Um processo de condensação diferente ocorre na estratosfera – a região acima da troposfera – nos polos norte e sul de Titã. Neste caso, as camadas de nuvens condensam conforme o padrão global de circulação força os gases quentes para baixo até o polo. Os gases então condensam conforme eles afundam através de camadas mais frias da estratosfera polar.

De qualquer maneira, forma-se uma nuvem quando a temperatura do ar e a pressão são favoráveis para o vapor se condensar em gelo. O vapor e o gelo atingem um ponto de equilíbrio determinado pela temperatura do ar e a pressão. Devido a este equilíbrio, os cientistas podem calcular a quantidade de vapor onde o gelo estiver presente.

“Para nuvens que condensam, este equilíbrio é obrigatório, como a lei da gravidade”, explica Robert Samuelson, cientista emérito do Goddard Space Flight Center da Nasa e co-autor do artigo.

Reações químicas

Mas os números não batem para a nuvem feita de dicianoacetileno. Os cientistas determinaram que seria necessário pelo menos 100 vezes mais vapor para formar uma nuvem de gelo onde o topo da nuvem foi observado pelo CIRS da Cassini.

Uma explicação sugerida no início era que o vapor pode estar presente, mas o instrumento da Voyager não era suficientemente sensível na gama de comprimento de onda crítico necessário para detectá-lo. Mas quando o CIRS também não encontrou o vapor, Anderson e seus colegas do Goddard e da Caltech propuseram uma explicação completamente diferente.

Em vez da nuvem ter se formado por condensação, eles acham que o gelo C4N2 se forma por causa de reações que ocorrem em outros tipos de partículas de gelo. Os pesquisadores chamam isso de “química do estado sólido”, porque as reações envolvem a forma sólida do produto químico.

O primeiro passo no processo proposto é a formação de partículas de gelo feitas a partir de cianoacetileno (HC3N), um composto químico relacionado. Conforme estes pequenos pedaços de gelo se movem para baixo através da estratosfera de Titã, eles são revestidos por ácido cianídrico (HCN). Nesta fase, a partícula de gelo tem um núcleo e um invólucro constituído por dois produtos químicos diferentes. Ocasionalmente, um fóton de luz ultravioleta entra no invólucro congelado e desencadeia uma série de reações químicas no gelo. Estas reações podem começar tanto no núcleo quanto no interior do invólucro. Ambas as vias podem produzir dicianoacetileno congelado e hidrogênio como produtos.

Exemplo terrestre

Os pesquisadores tiveram a ideia da química do estado sólido a partir da formação de nuvens envolvidas no decréscimo de ozônio acima dos polos da Terra. Embora a estratosfera da Terra tenha pouca umidade, nuvens estratosféricas polares podem se formar sob as condições certas. Nessas nuvens, produtos químicos portadores de cloro, que entraram na atmosfera como poluição, entram nos cristais de gelo de água, resultando em reações químicas que liberam moléculas de cloro que destroem o ozônio.

“É muito emocionante pensar que podemos ter exemplos de processos químicos em estado sólido semelhantes na Terra e em Titã”, diz Anderson.

Os pesquisadores sugerem que, em Titã, as reações ocorrem no interior das partículas de gelo, sequestradas da atmosfera. Nesse caso, o dicianoacetileno congelado não iria fazer contato direto com a atmosfera, o que explicaria por que o gelo e as formas de vapor não estão no equilíbrio esperado.

“As composições das estratosferas polares de Titã e da Terra não poderiam ser mais diferentes”, aponta Michael Flasar, pesquisador principal do CIRS no Goddard. “É incrível ver o quão bem a física subjacente de ambas as atmosferas levou a nuvens com uma química análoga”.

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