Nel caso delle nubi oscure, la densità della nube è tale che essa si autoscherma progressivamente nei confronti del flusso UV. Nelle parti più interne il flusso UV è del tutto trascurabile e i processi di ionizzazione, necessari per la chimica tra specie ionizzate, sono affidati unicamente ai raggi cosmici. Pertanto la frazione di ioni presenti è minore di quella che si riscontra nelle nubi diffuse di un fattore che varia da 100 a 1000.
Questo fatto potrebbe far pensare che all'interno di queste nubi le reazioni chimiche tra specie ionizzate risultino rallentate. Tuttavia, a causa della alta densità della nube, il libero cammino medio delle particelle risulta assai ridotto, mentre è sensibilmente più lunga la loro vita media, per l'assenza (o quasi) del flusso di radiazione che comporta dissociazione. Ne consegue la possibilità di reazioni che formano molecole anche nelle nubi oscure. Ad esempio, nel corso della condensazione cui va incontro una nube diffusa per divenire molecolare, una gran parte degli ioni C+ viene trasformata in CO attraverso una serie di reazioni, alla luce delle quali la molecola CO risulta la più abbondante dopo quella dell'idrogeno (CO/H = 10-4).
Nelle nubi oscure hanno grande importanza i grani di polvere dei quali tali nubi sono ricche (v. Tabella 4). Su tali grani è possibile una chimica di superficie, che spiega, ad esempio, la formazione della molecola H2, la quale, formata a partire da due atomi di idrogeno, è fortemente instabile e, appena formata, decade quasi immediatamente nei due atomi reagenti.
Diametro : 0.1—0.3 micron
Densità spaziale media : 1 particella per 100 m3
Composizione : grafite, silicati di magnesio,carburo di silicio (SiC),
magnetite (Fe2O3),carbonato di magnesio
(MgCO3), carbonato di calcio (CaCO3)
ferro, ghiacci (NH3,CH4)
Tabella 4. I grani di polveri
Questo fatto ha reso per molto tempo inspiegabile la presenza abbondante di H2 nelle nubi interstellari. Se tuttavia tale reazione avviene su una superficie, come i grani di polvere, l'energia in eccesso della molecola al momento della sua formazione può essere ceduta alla superficie prima che intervenga la dissociazione. In tal modo la molecola H2 si stabilizza.
A parte l'H2,la chimica di superficie si rivela capace di formare molecole ben più complesse.