Forskare med NASA:s Cassini-uppdrag hittade bevis på en giftig hybridis i ett skumt moln högt över sydpolen på Saturnus största måne, Titan.

Fyndet är en ny demonstration av den komplexa kemin som förekommer i Titans atmosfär - i det här fallet, molnbildning i den jättelika månens stratosfär – och en del av en samling processer som i slutändan hjälper till att leverera ett smörgåsbord av organiska molekyler till Titans yta.

Osynlig för det mänskliga ögat, molnet upptäcktes vid infraröda våglängder av Composite Infrared Spectrometer, eller CIRS, på rymdfarkosten Cassini. Beläget på en höjd av cirka 100 till 130 miles (160 till 210 kilometer), molnet är långt över metanregnmolnen i Titans troposfär, eller den lägsta delen av atmosfären. Det nya molnet täcker ett stort område nära sydpolen, från cirka 75 till 85 grader sydlig latitud.

Laboratorieexperiment användes för att hitta en kemisk blandning som matchade molnets spektrala signatur - det kemiska fingeravtrycket som mäts av CIRS-instrumentet. Experimenten slog fast att den exotiska isen i molnet är en kombination av den enkla organiska molekylen cyanväte tillsammans med den stora ringformade kemikalien bensen. De två kemikalierna verkar ha kondenserats samtidigt för att bilda ispartiklar, snarare än att den ena läggs ovanpå den andra.

"Detta moln representerar en ny kemisk formel för is i Titans atmosfär, " sa Carrie Anderson från NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, en CIRS medutredare. "Vad som är intressant är att den här skadliga isen är gjord av två molekyler som kondenseras tillsammans ur en rik blandning av gaser vid sydpolen."

Tidigare, CIRS-data hjälpte till att identifiera vätecyanid-is i moln över Titans sydpol, samt andra giftiga kemikalier i månens stratosfär.

I Titans stratosfär, ett globalt cirkulationsmönster skickar en ström av varma gaser från halvklotet där det är sommar till vinterpolen. Denna cirkulation ändrar riktning när årstiderna ändras, vilket leder till en ansamling av moln vid vilken pol som än har vinter. Strax efter ankomsten till Saturnus, Cassini hittade bevis på detta fenomen på Titans nordpol. Senare, nära slutet av rymdfarkostens 13 år i Saturnussystemet, en liknande molnuppbyggnad sågs vid sydpolen.

Det enkla sättet att tänka på molnstrukturen är att olika typer av gas kommer att kondensera till ismoln på olika höjder, nästan som lager i en parfaitdessert. Exakt vilket moln som kondenserar var beror på hur mycket ånga som finns och på temperaturerna, som blir kallare och kallare på lägre höjder i stratosfären. Verkligheten är mer komplicerad, dock, eftersom varje typ av moln bildas över en rad höjder, så det är möjligt för vissa isar att kondensera samtidigt, eller samkondensera.

Anderson och kollegor använder CIRS för att sortera igenom den komplexa uppsättningen av infraröda fingeravtryck från många molekyler i Titans atmosfär. Instrumentet separerar infrarött ljus i dess komponentfärger, som regndroppar som skapar en regnbåge, och mäter signalens styrka vid de olika våglängderna.

"CIRS fungerar som en fjärravkännande termometer och som en kemisk sond, plocka ut värmestrålningen som avges av enskilda gaser i en atmosfär, " sade F. Michael Flasar, CIRS:s huvudutredare på Goddard. "Och instrumentet gör allt på distans, medan du passerar en planet eller måne."

Det nya molnet, som forskarna kallar det höghöjda sydpolära molnet, har en distinkt och mycket stark kemisk signatur som dök upp i tre uppsättningar Titanobservationer från juli till november 2015. Eftersom Titans säsonger varar i sju jordår, det var sen höst på sydpolen hela tiden.

Isarnas spektrala signaturer matchade inte dem för någon enskild kemikalie, så laget började laboratorieexperiment för att samtidigt kondensera blandningar av gaser. Med hjälp av en iskammare som simulerar förhållandena i Titans stratosfär, de testade par av kemikalier som hade infraröda fingeravtryck i den högra delen av spektrumet.

I början, de låter den ena gasen kondensera före den andra. Men det bästa resultatet uppnåddes genom att införa både vätecyanid och bensen i kammaren och låta dem kondensera samtidigt. Av sig själv, bensen har inte ett distinkt långt infrarött fingeravtryck. När den fick samkondensera med vätecyanid, dock, det långt infraröda fingeravtrycket från den samkondenserade isen var en nära match för CIRS-observationerna.

Ytterligare studier kommer att behövas för att bestämma strukturen hos de samkondenserade ispartiklarna. Forskarna förväntar sig att de ska vara knöliga och oordnade, snarare än väldefinierade kristaller.

Anderson och kollegor hittade tidigare ett liknande exempel på samkondenserad is i CIRS-data från 2005. Dessa observationer gjordes nära nordpolen, ungefär två år efter vintersolståndet på Titans norra halvklot. Det molnet bildades på en mycket lägre höjd, under 93 miles (150 kilometer), och hade en annan kemisk sammansättning:vätecyanid och cyanoacetylen, en av de mer komplexa organiska molekylerna som finns i Titans atmosfär.

Anderson tillskriver skillnaderna i de två molnen till årstidsvariationer vid nord- och sydpolen. Det norra molnet sågs ungefär två år efter det norra vintersolståndet, men det södra molnet sågs ungefär två år före södra vintersolståndet. Det är möjligt att blandningarna av gaser var något olika i de två fallen eller att temperaturen hade värmts upp något när det nordpolära molnet upptäcktes, eller båda.

"En av fördelarna med Cassini var att vi kunde flyga förbi Titan om och om igen under det trettonåriga uppdraget för att se förändringar över tiden, ", sa Anderson. "Detta är en stor del av värdet av ett långsiktigt uppdrag."

Rymdfarkosten Cassini avslutade sitt Saturnuppdrag den 15 september, 2017.