¿Podría una luna joviana o saturniana mantener su atmósfera si el sistema estuviera dentro de la zona habitable?

A su primera pregunta... de este documento, podemos ver que hay 3 tipos de escape atmosférico:

• Escape de jeans : Los factores de temperatura y velocidad de escape determinan los gases y la cantidad que se pierde. Usando el gráfico proporcionado en los comentarios y moviendo a Titán a lo largo del eje x hacia abajo de la posición de la Tierra, podemos ver que Titán perderá la mayoría de los gases excepto el xenón.

• Intercambio de carga : la radiación solar crea electrones e iones cargados positivamente en las atmósferas superiores al arrancar electrones de átomos o moléculas. Titán está protegido ~95% del tiempo por el campo magnético de Saturno, y el otro 5% del tiempo la atmósfera de Titán está magnetizada, creando un campo magnético inducido artificialmente durante un corto período de tiempo. Esto evita una pérdida atmosférica masiva. Por lo tanto, si Titán se coloca en una órbita similar a la de la Tierra, Titán perderá mucha atmósfera debido al viento solar.

• Escape atmosférico vertical/erosión por impacto : Los objetos energéticos que golpean un planeta erosionan su atmósfera creando una columna de gas caliente. Si Titán es golpeado, perderá una cantidad considerable de su atmósfera. Sin embargo, esto tiene poco que ver con su escenario, así que no lo consideremos.

Así que podemos ver que si Titán se traslada a la zona habitable, perderá una parte considerable, o posiblemente casi toda, de su atmósfera.

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Con respecto a su segunda pregunta, el factor principal de la pérdida atmosférica en ese escenario, para un cuerpo celeste pequeño (relativamente hablando) en la zona habitable del Sol es el viento solar. Si miramos los planetas interiores, podemos ver que todos tienen algún tipo de campo magnético. Mercurio tiene uno relativamente fuerte; Venus tiene una débil, inducida; La Tierra tiene un fuerte campo magnético; Marte tiene restos de su disipado. El campo magnético proporciona protección a la atmósfera del planeta.

Titán no tiene campo magnético. Si se coloca en la zona habitable del Sol, un cuerpo celeste tendría dificultades para satisfacer sus criterios. Entonces, supongamos que la Luna que ponemos en la zona habitable del Sol tiene un campo magnético similar al de la Tierra.

En la zona habitable, podemos decir que la temperatura media del cuerpo rondaría los 300 K, similar a la de la Tierra. Luego, definamos que una atmósfera similar a la de la Tierra estaría compuesta por al menos nitrógeno, oxígeno, vapor de H2O y CO2. Usando el mismo gráfico , podemos comenzar moviendo a Titán debajo de la Tierra y luego moverlo hacia arriba hasta donde se pueda retener el vapor de H2O. Encontramos que un cuerpo celeste con un campo magnético similar al de la Tierra puede retener una atmósfera similar a la de la Tierra si su velocidad de escape es de alrededor de 6~8 km/s.

1ra P : Se ha dicho que un cuerpo astronómico puede mantener su atmósfera si la velocidad de escape es más de seis veces la velocidad promedio de las moléculas.

La gravedad no es el único factor que permite que un objeto retenga una atmósfera. La Luna tiene gravedad pero es virtualmente un vacío, Marte tiene una presión superficial inferior al 1% de la Tierra y continúa perdiendo su atmósfera restante.

Titán tiene la protección del campo magnético de Saturno , y ninguno propio. Si Titán se moviera más cerca del Sol, el viento solar despojaría rápidamente su atmósfera.

Wikipedia: Luna

• Gravedad superficial 1,62 m/s2 (0,1654 g)
• Velocidad de escape 2,38 km/s
• Presión superficial 10−7 Pa (1 picobar) (día), 10−10 Pa (1 femtobar) (noche)
• Temperatura - más baja: Lunar Reconnaissance Orbiter midió las temperaturas más bajas de verano en cráteres en el polo sur a 35 K (−238 °C; −397 °F) y solo 26 K (−247 °C; −413 °F) cerca del solsticio de invierno en el cráter Hermite del polo norte. Esta es la temperatura más fría en el Sistema Solar jamás medida por una nave espacial, más fría incluso que la superficie de Plutón.
• Campo magnético : la Luna tiene un campo magnético externo de aproximadamente 1 a 100 nanoteslas, menos de una centésima parte del de la Tierra.

Wikipedia: Atmósfera de la Luna

"La atmósfera de la Luna es una presencia muy escasa de gases que rodean la Luna. Para la mayoría de los propósitos prácticos, se considera que la Luna está rodeada de vacío. La elevada presencia de partículas atómicas y moleculares en su vecindad en comparación con el medio interplanetario, se refiere a como "atmósfera lunar" para objetivos científicos, es insignificante en comparación con las envolturas gaseosas que rodean la Tierra y la mayoría de los planetas del Sistema Solar. La presión de esta pequeña masa es de alrededor de 3×10−15 atm (0,3 nPa), que varía a lo largo del día. , y en masa total menos de 10 toneladas métricas.2De lo contrario, se considera que la Luna no tiene atmósfera porque no puede absorber cantidades medibles de radiación, no aparece en capas ni circula por sí misma y requiere una reposición constante debido a la alta velocidad a la que sus gases se pierden en el espacio".

Wikipedia Marte

• Gravedad superficial 3,72076 m/s2 10 (12,2072 pies/s2; 0,3794 g)
• Velocidad de escape 5,027 km/s (18100 km/h; 11250 mph)

• Presión superficial 0,636 (0,4–0,87) kPa 0,00628 atm

• $\begin{array}{lc}\text{Surface temp.} & \text{min} & \text{mean} & \text{max} \\ \text{Kelvin} & 130 \text{ K} & 210 \text{ K} & 308 \text{ K} \\ \text{Celsius} & −143 \text{ °C} & −63 \text{ °C} & 35 \text{ °C} \\ \text{Fahrenheit} & −226 \text{ °F} & −82 \text{ °F} & 95 \text{ °F}\end{array}$

• Campo magnético - Incompleto. Marte no tiene un campo magnético global que guíe las partículas cargadas que ingresan a la atmósfera.

Wikipedia: Atmósfera de Marte

"La atmósfera de Marte es la capa de gas que rodea a Marte. Está compuesta principalmente de dióxido de carbono (94,9 %), nitrógeno molecular (2,6 %) y argón (1,9 %). También contiene trazas de vapor de agua, oxígeno, carbono monóxido, hidrógeno y otros gases nobles. La atmósfera de Marte es mucho más delgada que la de la Tierra. La presión superficial es de solo 610 Pascal (0.088 psi; 6.1 mbar), que es menos del 1% del valor de la Tierra. La atmósfera marciana actualmente delgada prohíbe la existencia de agua líquida en la superficie de Marte, pero muchos estudios sugieren que la atmósfera marciana había sido mucho más espesa en el pasado. La atmósfera de Marte ha ido perdiendo masa hacia el espacio a lo largo de la historia, y la fuga de gases aún continúa en la actualidad . ".

Wikipedia: Titán

• Gravedad superficial 1,352 m/s2 (0,138 g) (0,835 Lunas)
• Velocidad de escape 2,639 km/s (0,236 Tierras) (1,11 Lunas)
• Presión superficial 146,7 kPa (1,45 atm)
• Temperatura 93,7 K (−179,5 °C)
• Campo magnético - Temporal, cortesía de Saturno .

Atmósfera: " La luna Titán de Saturno y la luna Io de Júpiter tienen atmósferas y están sujetas a procesos de pérdida atmosférica. No tienen campos magnéticos propios, pero orbitan planetas con campos magnéticos potentes, lo que protege a estas lunas del viento solar cuando su órbita está dentro el arco de choque. Sin embargo, Titán pasa aproximadamente la mitad de su tiempo de tránsito fuera del arco de choque, sujeto a vientos solares sin obstáculos. La energía cinética obtenida de la captación y chisporroteo asociada con los vientos solares aumenta el escape térmico a lo largo del tránsito de Titán, provocando que escape hidrógeno neutro. 15 El hidrógeno escapado mantiene una órbita siguiendo la estela de Titán, creando un toroide de hidrógeno neutro alrededor de Saturno".

 

2da P : ¿Significa esto que si una luna como Titán se moviera a la zona habitable y se calentara a temperaturas habitables, entonces su atmósfera escaparía?

Sí.

El 13 de junio de 2007 (y otras fechas) Titán se aventuró fuera de la protección del campo magnético de Saturno, permaneció magnetizado temporalmente durante 3 horas . Sucedió que Cassini estaba en una buena posición para obtener algunas fotos (desplácese hacia abajo).

El campo magnético de la Tierra la protege del viento solar y preserva nuestra atmósfera.

Algunos videos interesantes (pero menos relacionados con la pregunta) de la atmósfera de Titán:

Un video de la superficie de Titán está disponible en la NASA: " A World Unveiled: Cassini at Titan " (11 de agosto de 2017). El video: " Titan Touchdown " muestra el aterrizaje en la superficie (11 de enero de 2017). Los datos del radar de Cassini convertidos en una película coloreada se muestran en el video: " Volando sobre una tierra extraterrestre de lagos " (12 de diciembre de 2013). También está disponible un video narrado del aterrizaje: " Vista de Titán de Huygens ".

No, no significa que su atmósfera escaparía, aunque parte de ella lo haría debido a la menor gravedad de Titán. Es poco probable que Titán se mueva hacia la zona habitable, pero si lo hiciera, mantendría la mayor parte de su atmósfera durante miles de millones de años. La Tierra ha conservado la mayor parte de su nitrógeno durante miles de millones de años y, aunque la velocidad de escape de Titán es menor, podría retener nitrógeno durante mucho tiempo. El rastro de H2 y He4 en su atmósfera no duraría mucho.

La zona habitable no es solo la órbita de la Tierra. Marte fue una vez habitable aparte de la falta de oxígeno, y también lo fue Venus con la probable excepción de su zona ecuatorial, que habría sido demasiado caliente. Ambos planetas se han aferrado a su CO2, al igual que Titán. Habría algunas modificaciones por un tiempo si Titán se moviera a una órbita marciana. El metano pronto se reduciría, el ahora océano subterráneo de hielo se derretiría, los depósitos subterráneos de CO2 congelado se evaporarían y el efecto invernadero resultante haría que Titán fuera más cálido que Marte, al igual que el antiguo Marte era más cálido que el Marte actual. El vapor de agua se convertiría en un componente atmosférico importante y aumentaría el efecto invernadero.

Se aplican consideraciones similares a Ganímedes y Calisto, excepto que estarían muy escasos de nitrógeno. De qué sirve toda esta especulación, no estoy seguro, ya que nunca va a suceder.