¿Cómo mantiene Titán su atmósfera?

Tienes razón en que es sorprendente que Titán, siendo solo una luna, tenga una atmósfera espesa. Por lo general, la respuesta incluye el magnetismo: la Tierra tiene una atmósfera porque el hierro líquido en el núcleo externo produce un campo magnético. Este campo magnético cambia los caminos de las partículas en el viento solar, preservando así intactos los gases volátiles. Marte solía tener una atmósfera, al igual que la Tierra, pero al estar más lejos del Sol, el magma se congeló y perdió sus propiedades magnéticas.

Titán en sí mismo no tiene un campo magnético, pero Saturno sí. La magnetosfera de Saturno se produce por el movimiento del gas de hidrógeno súper comprimido dentro del planeta (fluido metálico). El campo es tan fuerte que abarca los satélites, incluido Titán.

Saturno no tiene el mismo magma que la Tierra. La Tierra es un planeta rocoso. Esto significa que se formó tan cerca del sol que los gases ligeros (como el hidrógeno) no pudieron fusionarse debido a la alta temperatura y al viento solar. Por lo tanto, los planetas interiores (Mercurio a Marte) están compuestos en su mayoría por roca y metal. Es el hierro líquido en el núcleo externo lo que hace que la Tierra sea magnética.

En cambio, los planetas gaseosos tienen un pequeño núcleo de metal sólido/rocoso (por lo tanto, no hay campo magnético desde allí) y una enorme capa de gases ligeros (hidrógeno y helio). Los gases no suelen ser magnéticos, pero bajo una presión tan enorme toman una estructura "metálica", lo que significa que pueden conducir la electricidad como un metal. Esta misma propiedad les permite generar un campo magnético.

Saturno hace frío, lo que reduce la tendencia de los gases a evaporarse en el espacio.

Temperatura del cuerpo negro de los objetos del sistema solar :

• Tierra: distancia D = 1 AU (288 K) 16°C
• Marte: D = 1,5 (232 K) -40 °C
• Júpiter: D = 5,2 ( 134 K) -138°C
• Saturno: D = 9,5 (103 K) -169°C
• ...........Titan (94 K) -178°C -medido vs calc para otros
• Urano: D = 19,2 (73 K) -199°C

• Neptuno: D = 30,1 (63 K) -209°C

  Ganímedes, con una masa de 1,5X10^23 kg, frente a Titán con 1,3X10^23 kg, no tiene una atmósfera sustancial, pero también es mucho más cálido debido a su proximidad al sol. El nitrógeno hierve a -196 °C, por lo que no es imposible que los días fríos en Titán impliquen tormentas de nitrógeno. El metano y el etano tienen puntos de ebullición aún más altos.

El viento solar (un flujo de partículas cargadas emitidas por la estrella) es la principal causa de que el cuerpo celeste pierda su atmósfera . Entonces, para mantener una atmósfera, el cuerpo celeste necesitaría una magnetosfera, es decir, un campo magnético que desvía los protones y electrones del viento solar y les impide dar a las moléculas una energía para escapar de las capas superiores de la atmósfera.

Según los estudios actuales, la fuente del campo magnético planetario son las corrientes de Foucault en el metal líquido del núcleo externo giratorio, causadas por la convección y la fuerza de Coriolis, las llamadas " dínamo geomagnético ".

Ahora, Luna está geológicamente muerta ahora. Para el caso de Marte, se ha planteado la hipótesis de que su "dínamo" se detuvo por algún motivo, en todo caso es un hecho que Marte tiene un campo magnético débil e irregular. Pero en el caso de Titán (que ni siquiera tiene mucho metal en el núcleo), un gigante gaseoso con un poderoso campo magnético viene a rescatar y protege sus atmósferas del efecto adverso del viento solar.

Como nota interesante de trivia, se ha planteado la hipótesis de que este vecino cinturón de radiación es la causa de la mayor abundancia de hidrocarburos en Titán.

Las respuestas del campo magnético no explican el hecho de que Ganímedes, una luna de Júpiter con tamaño y masa similares a Titán, no tiene atmósfera. Júpiter, como Saturno, tiene un fuerte campo magnético. En mi humilde opinión, la respuesta es más probable que sea la diferencia en las temperaturas superficiales de las dos lunas. La temperatura más baja de la superficie de Titán significa un movimiento más lento de las moléculas de gas en su atmósfera y una menor probabilidad de que excedan su velocidad de escape. Generalmente, un planeta (o una luna para el caso) puede retener un gas si la velocidad de escape es al menos 6 veces mayor que la velocidad promedio de las moléculas en el gas. Introduciendo las cifras de Titán, Ganímedes y el átomo de nitrógeno en estas fórmulas:

Energía cinética

Obtuve$\frac{v_{\text{escape Titan}}}{v_{\text{Nitrogen atom on Titan}}}=6.44$tiempo$\frac{v_{\text{escape Ganymede}}}{v_{\text{Nitrogen atom on Ganymede}}}=4.55$

En pocas palabras, la capacidad del planeta u otro cuerpo para mantener la atmósfera depende de tres factores:

1. su gravedad
2. Temperatura ambiente
3. Composición química de la atmósfera

Puedes estimar que usando la fórmula simple

Dónde$k$es la constante de Boltzmann,$T$es la temperatura absoluta del gas,$G$es la constante gravitacional,$M$es la masa del planeta, y$m$es la masa de una molécula particular. Si las moléculas de gas satisfacen la fórmula anterior, su energía cinética es mucho menor que la profundidad del pozo potencial de la gravedad del planeta, por lo que no pueden escapar. Entonces el planeta mantendrá su atmósfera.

En el caso de la Tierra, por ejemplo, su gravedad no es suficiente para mantener el hidrógeno y el helio, que tienen masas moleculares más pequeñas ($m$=2 masa protónica).

En el caso de una atmósfera fría, la masa del cuerpo celeste capaz de mantenerla puede ser bastante pequeña. Esta es la razón por la que Titán o Plutón tienen una atmósfera pero Mercurio o la Luna no la tienen.