Photochemie in der Atmosphäre des Titan

Die Chemie der Atmosphäre von Titan wird durch Photochemie (siehe letzter Blog) geprägt. Es ist zu kalt, als dass andere chemische Reaktionen eine große Rolle spielen würden und es gibt auf der Oberfläche auch kein Gestein, dass wie bi der Venus, Erde oder Mars mit in die Atmosphärenkreisläufe eingreifen könnte. Es gibt aber Emissionen von der Planetenoberfläche in die Atmosphäre.
Um es klar zu sagen: die genauen Details der Reaktionen kenne ich nicht und sie würden wohl auch diesen Artikel sprengen. Doch die wesentlichen Reaktionen kann man skizzieren.

Die Atmosphäre des Titan besteht aus Stickstoff und Methan. In dieser Region des Sonnensystems ist es so kalt, das die meisten Stoffe fest sind. Auch Stickstoff und Methan würden bei nur etwas tieferen Temperaturen gasförmig sein. Beide Gase kennen wir auch von der Erde. Stickstoff bleibt übrig, weil er chemisch so inert ist, dass er sich mit nichts verbindet. Er findet sich auch in den Atmosphären von Erde, Venus und Mars. Er entsteht bei Titan jedoch zumindest partiell durch Photolyse von Ammoniak:

NH₃ + Photon ? N₂* + H

Die erzeugten NH₂ Radikale reagieren dann weiter zu Hydrazin und anderen instabilen Radikalen, die sich stabilisieren indem sie in Stickstoff und Wasserstoff zerfallen. Methan ist auch ein Gas das man in vielen Atmosphären findet. So bei der Venus, der Erde und auch dem Mars. Die Atmosphären von Jupiter bis Neptun enthalten es und auch auf Pluto wurde es entdeckt. Es ist mit Sicherheit das verbreiteteste Gas im Sonnensystem.

UV-Strahlung unter 145 nm Wellenlänge spaltet Methan auf:

CH₄ + Photon ? CH₃* + H*

Weitere mögliche Reaktionen sind nun:

CH₃* + H* ? Ch₂ + H₂

CH₃* ? CH₂ + H*

CH₂ ist zwar ein instabiles Molekül, in ihm ist der Kohlenstoff nur zweiwertig wie im Kohlenmonoxid, aber es ist kein Radikal mehr.

CH₂ kann nun mit Wasserstoff zurückreagieren zu CH₄. Anderer Wege führen zur Kondensation:

2 CH₃ ? C₂H₆

2 CH₂ ? C₂H₄

Dabei verliert das erzeugte Ethan und Ethen durch Photolyse jedoch Wasserstoff:

C₂H₄ -> C₂H₂ + 2 H* oder H₂

Das erzeugte Ethin ist in der Titanatmsophäre stabil. Mehr noch. Es katalysiert die Spaltung von Methan durch die eigene Photolyse:

C₂H₂ + Photon ? C₂H* + H*

C₂H₂ + Photon ? C₂ + H₂

C₂H + CH₄ ? C₂H₂ + CH₃*

C₂ + CH₄ ? C₂H* + CH₃*

Weiterer Reaktionen können nun mit dem Stickstoff erfolgen. Dabei entstehen HC₃N, C₂N₂ und C₄N₂ – alle diese Moleküle sind hoch ungesättigt und enthalten kaum Wasserstoff. Sie sind jedoch recht selten, obwohl Stickstoff 98% der Atmosphäre stellt, eben wegen der Reaktionsträgheit des Stickstoff (die Dreifachbindung ist auch durch Licht nur schwer spaltbar).

Doch auch die anderen Bestandteile sind recht selten. Der häufigste nach dem Methan (ca. 1,8%) ist das Ethan mit 0,002%. Die höheren Moleküle sind in der Titanatmosphäre nicht mehr gasförmig. Schon Methan kann je nach Jahreszeit als Regen fallen. Sie sinken nach unten und bilden einen Nebel aus Aerosolen, der das optische Bild von Titan bildet. Die Aerosole werden mit dem Regen ausgewaschen und fallen als Schlamm zum Boden.

Das Herabsinken schützt zugleich die Moleküle vor der UV-Strahlung und damit vor der Zerstörung. Die Aufnahmen von Cassini zeigen sehr deutlich Formationen die durch ein flüssiges Medium geformt wurden (wahrscheinlich Methan). Die Aufnahmen von Huygens beim Abstieg auch dunkel gefärbte Gebiete bei denen sich etwas abgelagert hat. Wahrscheinlich gibt es, da dieser Prozess schon seit Milliarden Jahre läuft zumindest an bestimmten Stellen recht große Ansammlungen an organischem Material. (organisch im chemischen Sinne, nicht in dem Sinne, das hier Biomoleküle sind).

Wers genauer wissen will, dem ist dieses Buch ans Herz gelegt. Ist aber nichts für Dünnbrettbohrer. The Outer Planets and Their Moons: Comparative Studies of the Outer Planets Prior to the Exploration of the Saturn System by Cassini-Huygens (Space Sciences Series of Issi). Die Taschenbuchausgabe ist auch finanzierbar.