Un estudio da explicación a las imágenes de radar obtenidas por Cassini en Titán que muestran áreas muy brillantes en ríos

El equipo del instrumento RADAR de la sonda Cassini ha detectado algunos canales de ríos sobre la superficie de Titán que brillan de forma tan brillante en las imágenes de radar, que debe existir alguna explicación para este peculiar brillo. El reflejo es producido por los reflejos internos de los peñascos y pequeñas piedras de hielo, tan grandes como pelotas de tenis o incluso pelotas de fútbol que yacen sobre los lechos de los ríos de Titán.
Esa es la hipótesis que se maneja en un estudio que acaba de ser publicado con en Ikarus con el título de "Radar-bright channels on Titan" (Canales brillantes al radar en Titán) de la autoría de Alice Le Gall y cuatro coautores (además del equipo RADAR de Cassini).
El estudio está enfocado específicamente sobre dos lechos de ríos observados en el sobrevuelo T44 sobre Titán, cuando el instrumento RADAR adquirió una franja de imagen a lo largo del borde sudoeste de la región brillante de Titán conocida como Xanadu. Xanadu es un área enorme de Titán, de 2.500 kilómetros de ancho, que usualmente se la refiere como a un continente en Titán, aunque la verdad es que no es exactamente igual a los continentes de la Tierra.
Arriba: Esta imagen de radar del borde sudoeste de la región brillante conocida como Xanadu tiene colinas en comparación con las planicies adyacentes que son más suaves y es atravesada por numerosos valles sinuosos que son probablemente valles de ríos. Un par de esos valles de ríos salen de Xanadu en canales inusualmente brillantes sobre las planicies. La imagen fue tomada durante el sobrevuelo T44 y está a mitad de su resolución total. Crédito: NASA/JPL.
Lo que aparece brillante en la imagen radar lo son por una o dos razones: o son superficies que tienen inclinaciones y casualmente tienen inclinaciones que son perpendiculares a la dirección de observación de Cassini o son superficies rugosas a la misma escala de la longitud de onda del radar de Cassini, que es de 2,3 centímetros, lo que significa que tienen montones de pequeños lados que fortuitamente están alineados perpendicularmente a la dirección de observación de Cassini. Las superficies lisas reflejan la mayor parte de la señal de radio de la nave y por ello lucen oscuras en las imágenes de radar.
Arriba: Detalle del río brillante sobre Titán. La imagen fue obtenida el 28 de mayo de 2008. Crédito: NASA/JPL.
Los ríos brillantes, objetos de estudio de este trabajo, son los más grandes observados sobre Titán, por ejemplo, el de la imagen de arriba tiene más de 100 kilómetros de largo y varios kilómetros de ancho en algunos lugares; se estrecha a medida que va corriente abajo (la dirección de flujo puede ser determinada por el ángulo al cual los tributarios río arriba se unen al canal y por la topografía regional). Aparecen en una ubicación inusual de Xanadu, donde tiene un límite agudo e inusualmente recto con las planicies más oscuras. Existe la hipótesis que el límite probablemente sea una falla tectónica donde la corteza de Titán se rompió y un lado se deslizó hacia abajo mientras que el otro lado se elevó.
Los canales también son increíblemente brillantes al radar. Son más brillantes que cualquier otra cosa en la imagen, excepto por las pendientes en las colinas de Xanadu que daban la cara en dirección a Cassini (con un ángulo de incidencia de 20 grados de la vertical). Su brillo puede ser cuantificado al medir la "sección a lo ancho del radar," la cual es medida a partir del poder de la señal de radar reflejada y reportada en unidades de decibeles o dB. El brillo de estos canales es más grande que 4dB, y en algunos lugares se acerca a 5dB (para tener una idea de comparación, el brillo de las planicies que rodean los canales tienen de -2 a -3dB).
Es difícil, según dice el estudio, explicar que existan secciones más altas de 3dB para la geometría de observación de Cassini durante este sobrevuelo por los tipos de materiales que sabemos que existen en la superficie de Titán -como los hidrocarbonos, hielo de agua con o sin mezcla de amoníaco, el polímero hidrocarbono-amoníaco y compuestos complejos y pegajosos como las tolinas.
La pregunta es qué incrementa la cantidad de ondas de radio producidas por estos dos lechos de río. No puede ser el mismo efecto que en las pendientes de las colinas de Xanadu, ya que la región de más de 100 kilómetros del río no pueden estar inclinada a 20 grados respecto a la horizontal, porque de esa manera tendría que ser una gran montaña, la cual no lo es de acuerdo a las mediciones topográficas.
Por eso los autores piensan que esto se debe a lo que se conoce como reflectores de esquina. Un reflector de esquina es cuando tres paredes de una caja cúbica se unen entre sí a ángulos de 90 grados. No importa a qué ángulo se le direccione una luz, siempre la luz rebotará hacia la fuente. Pero no existe realmente una forma de crear esos reflectores de esquina dentro de un canal de río de forma natural.
Para las lunas de Júpiter, algunos han propuesto que los pequeños vacíos o rocas suspendidas dentro de la superficie de hielo pueden aumentar la reflexión de radar; si funciona en Ganímedes, debería también funcionar en Titán. Pero este mecanismo no puede hacer que la reflexión vaya tan alta como a 4 o 5 dB bajo las condiciones de visibilidad que Cassini tuvo en este sobrevuelo.
Al eliminar todas esas ideas, los autores proponen una nueva solución: peñascos redondeados de hielo. La idea no es disparatada, gracias a esa famosa imagen obtenida de la superficie de Titán por la sonda Huygens se pudieron apreciar piedras de hielo de formas ovaladas y de diferentes tamaños.
Arriba Sitio de aterrizaje de la sonda Huygens. Un mosaico de dos imágenes de las cámaras DISR de resolución media y observación lateral muestran la visión del sitio de aterrizaje de Huygens. Las rocas redondeadas tienen un tamaño que van desde 3 milímetros (los más pequeños observables en la imagen) hasta 20 centímetros. Crédito:ESA/NASA/JPL/Universidad de Arizona.
Arriba: El diagrama explica cómo una esfera transparente puede reflejar la radiación que recibe hacia la fuente que la emite. No importa de dónde provenga la radiación; siempre y cuando la esfera sea razonablemente transparente, una cantidad significativa de radiación será enviada a su fuente. Crédito: Le Gall, entre otros, Icarus 207 (2010) 948-958 .
Le Gall escribe: "A pesar de la reducción de intensidad producida a las tres discontinuidades dieléctricas," es decir, la parte frontal de la esfera, la parte posterior y la parte frontal nuevamente, "este mecanismo puede llevar a un mejoramiento extremo de la reflexión cuando la esfera es lo suficientemente transparente para imposibilitar la atenuación significante del viaje circular entre las superficies frontal y posterior. En la Tierra, las gotas de agua de un tamaño particular producen el fenómeno óptico conocido como 'gloria', que aparece como un halo rodeando la sombra de un avión en las nubes. Para ese efecto esta propiedad de esferas transparentes es comúnmente explotada en la manufactura de pinturas reflectivas y cintas."
Pero la astrónoma Emily Lakdawalla en su blog se plantea si esta explicación puede aplicarse en Titán y expone tres objeciones:
1- Los peñascos vistos por Huygens no son esferas. Si bien son redondos, no lo son perfectamente. Entonces ¿la geometría aún sirve si esos peñascos no son esferas?
2- ¿La geometría funciona para peñascos que son del mismo tamaño de los que vimos en Titán?
3- ¿Los peñascos de Titán son lo suficiente transparentes al radar para este trabajo?
Le Gall usó un modelo matemático para explicar estas cuestiones. Primero se observó si este proceso funciona para los peñascos del tamaño de los vistos en Titán. Así demostró que se obtendría una alta reflectividad en peñascos de los tamaños observados y aún una mayor cantidad si los mismos tuvieran además una mezcla de amoníaco, aunque la reflectividad no funciona muy bien si los peñascos superan los 25 centímetros de diámetro.
También se explica que se necesitaría de pesñascos que no fueran muy diferentes de la forma esférica para producir el efecto óptico conocido como gloria. Aún si los peñascos tuvieran una altura que fuera la mitad de su ancho se podría producir el efecto gloria, aunque no sería tan brillante como el de peñascos esféricos.
Por otra parte, cabría preguntarse si no se debería encontrar el mismo tipo de reflectividad radar en la zona de aterrizaje de Huygens, donde se observaron esos peñascos. Pero las mediciones muestran niveles muy bajos, del orden de -2 a -2,5 y -4 dB en ángulos de vista de 9,5, 16 y 18 grados, respectivamente. Al usar el modelo de distribución de peñascos esféricos de Le Gall, la autora prediciría una reflectividad de 3dB para la zona de Huygens.
Esto está más allá de los valores medidos. Sin embargo, es importante notar que este valor es inferior al más alto medido en la sección de ancho de radar en los canales de T44. Esto sugiere que, si los canales también son áreas de colección de sedimentos, la densidad de los peñascos en su lecho de corriente tiene que ser mayor que la densidad de los peñascos en el sitio de aterrizaje de Huygens para corresponder con la alta medición de reflectividad. Es difícil determinar la abundancia de rocas y distribución, pero los científicos creen que los sedimentos están muy juntos, posiblemente unidos en grupos y tal vez sean más grandes en los canales.
Más información:
Artículo en el blog de la Sociedad Planetaria
Sitio oficial de la misión Cassini
Fuente: Sociedad Planetaria.