Pomarańczowy świat (cz. 1)

Czas czytania: 13 min.

Dziś odwiedzimy, moim zdaniem, najciekawsze miejsce w Układzie Słonecznym (oczywiście poza Ziemią). Miejsce, które jest podobne do Ziemi, a jednocześnie nie przypomina niczego, do czego jesteśmy przyzwyczajeni i co jest nam znane.

Ten – nieco śmierdzący – ale fascynujący świat to: Tytan. To obcy świat, w pełni znaczeniu tego słowa.  

Zanim jednak w drugiej części zanurzymy się w obcym morzu. Trochę o samym Tytanie.

Tytan jest największym księżycem Saturna (nie mylić z Tytanią – największym księżycem Urana). Jest to jednocześnie drugi największy księżyc w Układzie Słonecznym (po Ganimedesie). Tytan jest również większy od Merkurego o nieco ponad 6% (ma jednak tylko 40% jego masy). Tytan posiada atmosferę, której struktura najbardziej przypomina ziemską ze wszystkich obiektów w układzie. Na tym jednak kończą się wszelkie podobieństwa.
Atmosfera Tytana jest bardzo dobrze poznana dzięki misji Cassini-Huygens, do której jeszcze wrócę.
Tytan został odkryty w 1655 r. przez holenderskiego astronoma – Christiaana Huygensa. Obiega Słońce w średniej odległości 9,54 AU, jednocześnie okrążając Saturna obecnie w odległości 1,2 mln km (nieco ponad 3 razy dalej niż Księżyc Ziemię). Badania wskazują, że podobnie jak nasz Księżyc od Ziemi, Tytan oddala się od Saturna. Obieg Tytana wokół Saturna zajmuje mu 15 dni i 22 godziny, tyle ile jego obrót wokół własnej osi. Jest on zablokowany pływowo (jedna jego strona, jest cały czas zwrócona w stronę Saturna, podobnie jak Księżyc względem Ziemi – jest to dość powszechne zjawisko). Tytan jest o 80% masywniejszy od Księżyca. Jego grawitacja jest jednak mniejsza! Grawitacja powierzchniowa Księżyca to ok 0,16 (g) – przyjmijmy 1 g za grawitację powierzchniową Ziemi. Grawitacja powierzchniowa Tytana wynosi ok. 0,14 g. Badania pola grawitacyjnego Tytana nie dają jasnej odpowiedzi, czy posiada równowagę hydrostatyczną (cecha planet karłowatych).
Tytan posiada za to atmosferę. I to nie byle jaką. Atmosfera tego księżyca jest gęstsza od atmosfery ziemskiej, dużo gęstsza. Gęstość atmosfery na Tytanie przy powierzchni jest o ok. 50% wyższa od ziemskiej! Standardowe ciśnienie ziemskie to średnio ok. 1013 hPa (hektopaskale, które podawane są w każdej prognozie pogody), ciśnienie na Tytanie to już średnio ok. 1470 hPa. Można przyjąć, że tak gruba i gęsta atmosfera rekompensuje słabszą grawitację. Czysto teoretycznie, przy tak gęstej atmosferze i jednocześnie niskiej grawitacji, prawdopodobnie byłby możliwy swobodny lot człowieka, z przypiętymi skrzydłami o odpowiedniej powierzchni 😉. To w jaki sposób obiekt taki jak Tytan posiada tak rozbudowaną i złożoną atmosferę, nie ma aktualnie dobrego wyjaśnienia.
Tytan ma również pory roku, które pokrywają się z czasem obiegu Saturna wokół Słońca wynoszącym ok. 29,5 lat ziemskich. Ciekawostką jest, że Tytan znajduje się w rezonansie orbitalnym 3:4 z innym księżycem Saturna – Hyperionem.

Gruba i gęsta atmosfera Tytana sprawiają, że jest on dość smętnym miejscem. Masa całej jego atmosfery jest o ok. 19% większa, od całej atmosfery Ziemskiej! Do Tytana dociera zaledwie ok. 1% światła słonecznego, jakie otrzymuje Ziemia. Ostatecznie do powierzchni (a tym samym do mórz i jezior) dociera zaledwie 0,1% światła jakie otrzymuje Ziemia. Na Tytanie panuje dość stabilny balans pomiędzy efektem cieplarnianym, a „anty-cieplarnianym”. Efekt cieplarniany zwiększa średnią temperaturę księżyca o 21 K, efekt anty-cieplarniany obniża ją o 9 K. W efekcie bilans cieplny działa na korzyść Tytana dodając mu ok. 12 K (w porównaniu do braku atmosfery). Ostateczna średnia temperatura na Tytanie to
-180°C (w miejscu lądowania lądownika Huygens odnotowana temp. to -179,3°C). Tytan podobnie jak Wenus jest tzw. superrotatorem co oznacza, że jego atmosfera obraca się szybciej niż on sam. Badania wpływu tego zjawiska na klimat tego księżyca i mechanikę jego atmosfery wciąż trwają.
Skład atmosfery Tytana na poziomie troposfery (najniższa warstwa) to: 94,2% azotu, 5,65% metanu i wodór. Reszta to różnorakiej maści węglowodory, argon i hel. Gruba atmosfera złożona z węglowodorów blokuje 90% widma światła słonecznego, w tym światła widzialnego. Do powierzchni Tytana dociera zaledwie 10% (z czego większość w postaci podczerwieni).

Teraz zaczyna się zabawa. Zawsze gdy myślę o Tytanie, wydaje mi się on jednym olbrzymim laboratorium chemii organicznej na skalę planetarną. Panuje powszechna opinia, że atmosfera Tytana składem przypomina tę na Ziemi sprzed miliardów lat. Na Tytanie występują metanowe chmury. Przy powierzchni występuje gęsta azotoorganiczna mgła. Jak wspomniałem już wcześniej, atmosfera blokuje większość docierającego światła – w tym większość światła widzialnego (co ma również taki efekt, że w górnych warstwach jest cieplejsza niż przy powierzchni). Wszystko to sprawia, że na Tytanie jest ciemno i dość jednostajnie pod względem kolorów widzianych przez człowieka. Na Tytanie występuje cykl dnia i nocy, mimo to dla człowieka, w dzień na Tytanie, będzie kilkaset razy ciemniej niż w południe na Ziemi. Dobrym analogiem jest widoczność podczas zadymienia. Niebo byłoby ciemnopomarańczowe we wszystkich kierunkach.
Jeśli chodzi o Saturna, muszę was rozczarować. W ciągu dnia światło Saturna jest ok. 1000 razy słabsze niż słoneczne (a ono samo też jakoś mocno nie powala), jest więc przyćmiony. W ciągu nocy Saturn owszem będzie widoczny… ale tylko w średniej podczerwieni. Mimo to, że byłby on kilka razy większy na tamtejszym niebie niż Księżyc na ziemskim, to i tak jego zarys byłby niewidoczny w świetle widzialnym. Sam Saturn owszem będzie „wytwarzał” światło znane jako Saturnshine, ale będzie ono jedynie sprawiać, że nocą niebo po „saturniańskiej” stronie Tytana będzie jaśniejsze niż po ciemnej stronie. Światło to, będzie jednak bardzo rozproszone. Pierścienie Saturna również będą niewidoczne ze względu na kąt obserwacji – skierowane krawędzią do orbity księżyca. Także widoki na samym Tytanie raczej nie powalają, niestety. Jest to mdły, przygaszony, jednolity, śmierdzący, zewsząd ciemnopomarańczowy świat bez kolorów.

Jest jednak coś, co sprawia, że jest to jeden z najbardziej interesujących obiektów w Układzie Słonecznym. Jest to nieprawdopodobnie bogata chemia węglowodorów, płynne rzeki, jeziora i morza węglowodorów. Do odkryć na tym niesamowitym globie, przyczyniła się głównie misja Cassini-Huygens.

Cassini była sondą kosmiczną, która odbyła niesamowitą, trwającą 13 lat podróż po układzie Saturna (łącznie spędziła w kosmosie prawie 20 lat – do pełnej rocznicy zabrakło dosłownie miesiąca). Ciekawostką jest, że rakietą która wyniosła Cassini i Huygensa w kosmos, była rakieta Titan IV 😉. Podczas swojej absolutnie niezwykłej misji sonda odwiedziła Wenus (przelot zaledwie 623 km!), układ Jowisza, aż w końcu dotarła do układu Saturna. Odwiedziła wiele z jego księżyców, wykonała 127 przelotów wokół Tytana (z czego każdy otrzymał numer katalogowy oznaczony jako T wraz z numerem przelotu np. T020), z czego najbliższy na odległość 880 km od powierzchni – lot odbył się już w termosferze Tytana. Zejście do atmosfery Tytana było lotem T070 – w rzeczywistości był to 71 przelot. Był to lot eksperymentalny, mający wykryć ewentualne pole magnetyczne księżyca, co nie miało miejsca. Aktualnie uważa się, że Tytan nie posiada takiego pola. Na Tytanie na chwilę obecną nie wykryto również pola magnetycznego skorupy (które wykryto np. na Marsie). Trzeba przyznać, że przelot ten był niezwykle ryzykowny. Chociaż nie wykrył magnetosfery, to przyczynił się do potwierdzenia i częściowego zbadania jonosfery Tytana, której struktura okazała się bardziej złożona niż jonosfera ziemska. Cassini przeleciał pomiędzy dwiema warstwami jonosfery (komory rezonansowe). Ma to poważne implikacje dla przyszłych misji na Tytana. Posiadanie rozbudowanej jonosfery, może utrudniać komunikację urządzeń na powierzchni. Musi być uwzględniona przy dobraniu siły nadajnika (pamiętajmy, że pierwsze transmisje radiowe na Ziemi, prawdopodobnie nie przebiły się przez ziemską jonosferę). Sonda wykonała również pierwsze mapy powierzchni Tytana, co do czasu misji było nieosiągalne.

Cassini swoją epicką przygodę zakończył w równie spektakularny sposób. Ostatecznie zakończył misję badawczą „zanurzając się” w atmosferze samego Saturna. Niemal do samego końca przesyłając dane. Ostatnim aktem było badanie cząsteczek górnej warstwy atmosfery gazowego giganta. Mimo, że upłynęło niemal 7 lat od Wielkiego Finału misji, dane przesłane przez sondę wciąż są analizowane i systematyzowane. Pamiętajmy – 13 lat lotu po układzie księżycowym Saturna.

To jednak nie wszystko, ponieważ oprócz sondy Cassini do Tytana dotarł również lądownik Huygens – przygotowany przez ESA. Huygens wylądował na Tytanie 14 stycznia 2005 r. Lądowanie wznieciło chmurkę aerozoli organicznych – co jest dowodem na to, że świat ten aż kipi od związków organicznych. Huygens wylądował w regionie zwanym dzisiaj Adiri, w okolicach równika. Spodziewano się, że może wylądować w cieczy. Na mapach radarowych było to ciemniejsze miejsce, co mogło wskazywać na ciecz, co ostatecznie nie miało miejsca. Konsystencja podłoża w jakim wylądował Huygens nie jest do końca pewna. Z pewnością nie było to lite podłoże. Niektóre wskazania (samych mechanizmów Huygensa) wskazują na konsystencję crème brûlée. Późniejsze analizy wskazują, że mogła to być zła interpretacja samej maszyny, a podłoże – to bardziej piasek złożony z wodnego lodu, przypominający coś jak zamarznięty śnieg. Ciśnienie zmierzone przez lądownik wynosiło 1467,6 hPa. Wilgotność „powietrza” określona została na 50% (wilgotność metanowa – nie wodna). Analiza otoczenia lądownika wskazuje, że istotnie najprawdopodobniej było to dno jeziora na które aktywnie oddziaływały ciecze. Mogło to być dno jeziora okresowego, które występują również na Ziemi.
Huygens zarejestrował wiatr na Tytanie. Za ruchy jego atmosfery odpowiadają głównie trzy czynniki. Pierwszym jest Słońce. Pomimo, że odległe i słabe, w dużej mierze odpowiada za cyrkulację atmosfery w skali makro całego globu. Mechanika atmosfery jaką wykryła Cassini i Huygens jest bardzo skomplikowana. Jest ona skorelowana z porami roku na Tytanie i jego obiegiem wokół Słońca (ok. 30 letni cykl). Drugim czynnikiem jest superrotacja atmosfery i jej oddziaływanie (tarcie) z powierzchnią Tytana. Wiadomo, że na Tytanie występują podobne zjawiska związane z tarciem atmosfery jak te ziemskie. Trzecim czynnikiem jest oddziaływanie pływowe Saturna (pamiętajmy, że Tytan cały czas, skierowany jest jedną stroną do gazowego giganta).
Ostatnią kwestią jest jego oddziaływanie z magnetosferą i plazmosferą Saturna. Tytan podczas swojego obiegu wokół Saturna przebywa w jego magnetosferze ok. 95% czasu. Oznacza to, że regularnie z niej „wychodzi”. Oddziaływanie magnetosfery i plazmosfery Saturna z Tytanem cały czas podlega badaniom. Nie jest jasne czy bardziej mu szkodzi, czy go chroni.
Cassini zbadała Tytana w czasie gdy znajdował się „poza” polem magnetycznym Saturna. Badanie wskazało, że atmosfera Tytana magnesuje się i wytwarza linie pola magnetycznego. Stan ten utrzymuje się ok. 3 godzin. Badanie to pokazuje, że pole magnetyczne Saturna, może chronić Tytana przez wiatrem słonecznym i naładowanymi cząsteczkami.
Z drugiej jednak strony, podczas silnych burz słonecznych, naładowane cząsteczki mogą być „prowadzone” wzdłuż ogona magnetosfery Saturna i bombardować biednego Tytana. I takie zdarzenie zostało zaobserwowane. Powoduje ono zwiększenie gęstości jonosfery (ujemne za sprawą wysokoenergetycznych elektronów). Dodatkowo stwierdzono, że pewne niuanse orbitalne Saturna i Tytana, mogą sprawiać, że plazmosfera Saturna będzie szkodliwie wpływać na atmosferę Tytana, przyspieszając jej utratę, zamiast ją chronić.
Huygens miał pierwotnie wykonać 700 zdjęć. Z planowanej liczby na Ziemię dotarła połowa z nich. Jako przyczynę podano niesprawne funkcjonowanie jednego z kanałów komunikacyjnych sondy. Trzeba bowiem pamiętać, że lądownik nie przesyłał danych i zdjęć bezpośrednio na Ziemię. Zdjęcia i dane z Huygensa zostały pierwotnie przesłane do sondy Cassini (nie bez problemów, ponieważ okazało się, że sonda będzie za szybko „uciekać” sygnałowi, co spowoduje utratę danych). Cassini musiała nieco zmienić orbitę i zwolnić. Manewr został wykonany już w trakcie lotu. Odłączenie lądownika od Cassini nastąpiło z miesięcznym opóźnieniem. Jak ekstremalnie trudna była to operacja, niech świadczy fakt, że sygnał radiowy pomiędzy Tytanem a Ziemią potrzebuje ok. 78 minut na dotarcie. Huygens działał łącznie 4 godziny z czego 2,5 h podczas opadania przez atmosferę Tytana, w trakcie którego przeprowadzał już analizy naukowe. Na powierzchni spędził, działając, 90 min. Dłużej niż szacowane początkowo 30 min.

Jeziora, morza i rzeki na Tytanie są mieszaninami różnych węglowodorów, z których największy udział ma ciekły metan. Tu pojawia się podstawowe pytanie: czy morza, rzeki i jeziora węglowodorowe Tytana są przyjazne życiu. Odpowiedź brzmi: to zależy.
Ziemskie życie nie ma szans na Tytanie (niektóre z substancji występujących na nim są toksyczne np. cyjanowodór). Z drugiej strony na Tytanie istnieje całe spektrum węglowodorów zwanych zbiorczo tholinami. Mają kolor czerwonawo-brązowy (pamiętajmy powszechny, przytłaczający pomarańcz). Tholiny na Tytanie mają charakter głównie azotoorganiczny, co już samo w sobie implikuje ciekawe możliwości. Na współczesnej Ziemi nie powstają one naturalnie – mamy zbyt utlenione środowisko. Udowodniono, że mogą one chronić przed promieniowaniem UV (rekompensować brak warstwy ozonowej). Mogą one budować aminokwasy lub zasady azotowe nukleotydów. Pozytywem jest to, że chemia na Tytanie niemal w całości opiera się na chemii węglowej, czyli typowej chemii organicznej. Poszukując możliwości życia na Tytanie, nie musimy się więc uciekać do chemii alternatywnych.

Problemem jest jednak kilka kwestii. Głównym i zasadniczym jest charakter samego płynnego metanu. Woda ma charakter polarny – jest dipolem. Sprawia to, że jest jednym z najbardziej skutecznych rozpuszczalników. Cząsteczka metanu jest niepolarna i tu pojawia się bardzo poważny kłopot. Wszystko co żyje tu na Ziemi, jest w coś zapakowane. Granicę tego „pakunku” na Ziemi wyznacza kulka zwana liposomem. Nie będę tu wchodzić w szczegóły chemii komórkowej, ale dipolarna struktura wody ma tutaj fundamentalne znaczenie. No i pojawia się problem… czy taka „kulka” lub cokolwiek innego może pojawić się w niepolarnej cieczy metanowej…  Być może.

Kandydatami są nitryle i aminy. Polarne cząsteczki, które mogą tworzyć membrany w nie dipolowej cieczy jaką jest metan. Trzeba wziąć też pod uwagę bardzo niską temperaturę panującą na Tytanie. No i naukowcy z  Cornell University usiedli i dali radę. Jest cząsteczka wykryta przez Cassiniego na Tytanie, która idealnie wpasowuje się w model tworzenia membrany w płynnym metanie: jest to akrylonitryl. Na Ziemi raczej nie jest zbyt sympatycznym związkiem chemicznym (ekstremalnie łatwopalny i silne toksyczny – powoduje silne poparzenia, niestety dobrze wchłania się przez skórę). Jest jednak wykorzystywany przemysłowo.
Na Tytanie może jednak tworzyć rodzaj błony komórkowej nazwanej azotosomem. Trwa spór nad możliwością samoorganizowania się akrylonitrylu w membrany. Problem z ciekłym etanem jest jeszcze większy. Tholiny jakie zostały wykryte i przebadane, niemal zupełnie nie wykazują tendencji do rozpuszczania w ciekłym etanie.

Drugą kwestią, jest potrzeba uzyskania energii. Głównym „nośnikiem” energii dla ziemskich komórek jest glukoza. Na Tytanie może być z tym problem. Ale i tutaj pojawia się substancja, która spełnia wymagania biologiczne w warunkach na Tytanie. Związkiem tym jest acetylen (etyn). Acetylen daje możliwość wykorzystania wodoru z atmosfery, do uzyskania energii. Silną przesłanką za faktycznym istnieniem takiego zjawiska na Tytanie jest fakt, że na Ziemi żyją bakterie na acetylenie. Na Ziemi są to co prawda bakterie beztlenowe, jednak we wspomnianym procesie wykorzystują wodę (swoją drogą woda pod postacią lodu jest niemal wszędzie na Tytanie). Jest to niezwykle interesujący obiekt badań i istnieje realna możliwość wykorzystania w tej reakcji wodoru atmosferycznego (być może z wykorzystaniem ciekłego etanu, bądź któregoś z innych licznych węglowodorów). Potwierdzeniem wyżej wspomnianej reakcji, mogą być zmiany w proporcjach wykrytego na Tytanie acetylenu.
Pamiętajmy też, że mimo, że Słońce jest odległe, to na Tytanie wciąż możliwe są reakcje fotolizy (co rozbudowuje szereg możliwych reakcji chemicznych).

W tym miejscu chciałbym zakończyć. Opuścimy już suche równikowe równiny, na których wylądował Huygens.

W następnej części zabieram żółtą łódź podwodną i udaję się w niezwykłą podróż po morzach i jeziorach węglowodorów, niezwykłego księżyca.