ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2017, том 60, №7-8_
АСТРОФИЗИКА
УДК 523.6
Ш.Ш.Шоёкубов
СКОРОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ В КОМЕТАХ
.....
Институт астрофизики АН Республики Таджи.
(Представлено членом -корреспондентом АН Республики Таджикистан Х.КИбодиновым 30.11.2016 г.)
Путем лабораторного моделирования кометного явления масс-спектральным методом исследованы скорости образования положительных и отрицательных кластерных ионов на поверхности ядра кометы под воздействием корпускулярных частиц солнечного ветра. При вычислении скоростей образования ионов использован метод пропорциональности коэффициентов эмиссии.
Ключевые слова: кометы, кластерные ионы, ионно-молекулярные кластеры, пропорциональность коэффициентов эмиссии, распыление льда.
ix комет ионно-молекулярны
Согласно Шульману [1], если допустить наличие в ядрах комет ионно-молекулярных кластеров противоположных зарядов, то, исходя из единых позиций, можно объяснить такое загадочное явление, как вспышки комет на больших гелиоцентрических расстояниях. По гипотезе Л.М.Шульмана, кластеры существовали в достаточном количестве в протокометном облаке и яви-
б л V
будущие
лись центрами конденсации паров воды в будущие ядра комет или же они образовались на поверхности ядра вследствие поверхностной ионизации и фотоэффекта [1]. Наличие кластерных частиц разного размера было обнаружено масс-спектрометром COSIMA на борту ROSETTA при исследовании кометы 67Р/Чурюмов-Герасименко [2].
В лаборатории экспериментальной астрофизики (ЛЭА) Института астрофизики АН РТ была разработана методика лабораторного моделирования образования ионов и ионно-молекулярных кластеров на поверхности ледяного ядра кометы под действием ионов солнечного ветра и космических лучей [3]. Методом лабораторного моделирования исследовались распыление льдов и скорость образования ионов и ионно-молекулярных кластеров на поверхности ледяного ядра кометы под действием ионов солнечного ветра и космических лучей.
Подробная технология и методика проведения эксперимента описана в работе [3]. Позже нам удалось разработать метод вычисления скорости образования отдельных вторичных ионов в масс-спектре [4].
В вакууме 1.3х10-4 Па на поверхность охлаждаемой жидким азотом (Т= 80 К) металлической подложки, после тщательного обезгаживания путем термической обработки, направлялись пары воды. Пленка льда, образовавшаяся на поверхности подложки в результате конденсации паров (модель ледяного ядра), бомбардировалась положительными ионами щелочного металла калий. Плотность первичного потока была выбрана 3х1012 м-2с-1, (модель воздействия солнечного ветра на поверхность ядра кометы на расстоянии 1 а.е.). Ионная составляющая продуктов распыления льда вытягивалась с поверхности мишени электрическим полем и после дополнительного ускорения фокусировалась по
Адрес для корреспонденции: Шоёкубов Шоаюб Шосиддикович. 7340042, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Бухоро, 22, Институт астрофизики АН РТ. E-mail: shoayub@shohrukh.com.
массам. Для устранения влияния остаточных газов на масс-спектр исследуемой модели кометного ядра исследуемый образец в виде химической чистой воды на поверхность очищенной подложки наносился с большой скоростью, чтобы конкурентная абсорбция остаточных газов в объеме льда была пренебрежимо малой. Толщина бомбардируемого льда была порядка нескольких тысяч молекулярных слоев, что исключало влияние подложки на эмиссию ионов.
120А
100
5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 £3 57 61 '¡65 69 73/ 77 ^81 85 89 93 Масса ионов в атомных единицах масс
Рис.1. Масс-спектр положительных кластерных ионов, наблюдаемых при бомба]
Н2О ионами К+ энергией 1.
: чистого льда
даемых при бомбардиров 5 КэВ.
^т
На рис.1 приведен масс-спектр положительных ионов, обусловленных распылением льда Н2О при б°мбардировке и°нами 3'К с оргией и к*. Из р„су„ка в„д„о, ™ при „о„„ой б°м6ардировке
поверхности льда, наряду с ионами, представляющими собой продукты распада первоначально взятой «материнской» молекулы Н2О (например, ионы Н+, Н+2, О+, ОН+), наблюдаются также пики более сложных молекулярных ионов О2 • и кластерные положительные ионы Н (Н2О)П, содержащие до п = 5 молекул воды, образованных от двух и более «материнских» молекул. Эти ионы образуются в результате ионно-молекулярных реакций между продуктами разрушения материнских молекул за счет
энергии бомбардирующих ион
ионов. ионов.
На рис. 2 показан идентифицированный кластеров, наблюдаемых при бомбардировке ионами ядра кометы, состоящей из чистого льда Н2О.
9К
ектр отрицательных ионно-молекулярных с энергией 1.5 КэВ поверхности модели
ы, состоящей из чистого л
^Ч 74
ПН' /
40
20
аО)2
ОН'СНзОЪ
0Н-(Н20)4
.......I......
0Н"(Н20)5
........I,,, I
9 13
25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 105 Масса ионов в атомных единицах масс
Рис.1. Масс-спектр положительных кластерных ионов, наблюдаемых при бомбардировке чистого льда Н2О
ионами К+ энергией 1.5 КэВ.
В работе [5] было показано, что при поверхностном слое ядра комет и вблизи ледяных зерен и пылевых частиц ее атмосферы должно находиться заметное количество отрицательных ионов, которые надо учитывать при рассмотрении кометной плазмы и ионно-молекулярных реакций, имеющих место в кометах. Там же были указаны возможные каналы образования отрицательно-ионного распыления ядра кометы и ледяных зерен в голове кометы.
Как видно, при ионной бомбардировке с поверхности льда Н2О наряду с положительными ионами эмитируют ионно-молекулярные кластеры отрицательных знаков заряда. Нами идентифицированы кластеры типа ОН-(Н2О)п , содержащие до п = 5 молекул воды. Более высокого порядка п кластеры в составе обоих спектров распыленных ионов, из-за низкого порога чувствительности аппаратуры, обнаружить и идентифицировать не удалось. Аналогичный спектр кластерных ионов наблюдается при бомбардировке льда Н2О ионами 23№+, 8^Ь+, 133Cs+, причем с ростом массы бомбардирую-
кластерных ионов о
растет.
Методом пропорциональности коэффициентов ; гии корпускулярных частиц солнечного ветра [4] вычис. обоих знаков заряда при бомбардировке чистого льда Н20 положительными ионами 39К энергией 1.5
к*.
В таблицах 1 и 2 показаны численные данные положительных и отрицательных кластерных ионов, полученные при бомбардировке пленки чистого льда Н2О положительными ионами 39К энер-
Скорость образования положительных ионов с поверхности чистого льда Н2О при бомбардировке
щих ионов и плотности потока интенсивность пиков кластерных ионов обоих знаков заряда в спектре
нтов эмиссии вторичных ионов в ди ычислены скорости образования вто
иапазоне энер-торичных ионов
39
гией 1.5 КэВ.
Таблица 1
ионами 39К+ энергией 1.5 КэВ.
Масса ионов, т (а.е.м.) Ионы Со-держ. (%) Скорость ионов, N (ион м-2с-1) Масса ионов, т (а.е.м.) Ионы Содерж. (%) Скорость ионов, N (ион м-2с-1)
1 Н+ 48.03 3.63х1010 32 О2+ 0.08 6.04х107
2 Н2+ 0.17 1.28х108 37 Н+(Н20)2 0.93 7.03х108
16 0+ 21.34 1.61х1010 55 Н+(Н20)3 0.62 4.68х108
17 0Н+ 26.68 2.01 х1010 73 Н+(Н20)4 0.26 1.96х108
18 Н20+ 0.62 4.68х108 91 Н+(Н20)5 0.15 1.13х108
19 Н+(Н20) 1.06 8.01х108
В первом столбце указано звания и процентный состав отдельных ионов в виде потока
число ионов т; во втором и третьем столбцах указаны на-ектре; в четвертом столбце указана скорость формирования верхности пленки льда.
Суммарная скорость положительных кластерных ионов в потоке составляет 7.54х1010 ион
ионов в >тока N с по ть поло х клас
Исследование зависимости спектра кластеров от температуры льда показывает, что в интервале температур 112-130 К спектр заметно не изменяется, а при температурах выше 140 К наблюдается уменьшение интенсивности всех пиков кластерных ионов обоих знаков.
2 ' 10 2 1 м" с , а для отрицательных кластерных ионов 8.94 х10 ион м" с .
Таблица 2
Скорость образования отрицательных ионов с поверхности чистого льда Н2О при бомбардировке
ионами 39К+ энергией 1.5 КэВ.
Масса ионов, m (а.е.м.) Ионы Содерж. (%) Скорость ионов, N (ион м-2с-1) Масса ионов, m (а.е.м.) Ионы Содерж. у (%) Скорость ионов, N (ион м-2с-1)
1 H— 33.6 3.01х1010 33 O2H— 0.02 1.79х107
2 H2— 0.05 4.48х107 35 ОН—(H2O) 1.01 9.04х108
16 O— 45.8 4.10х1010 53 OH(H2O)2 0.81 7.25х108
17 OH— 16.3 1.46х1010 71 OH(H2O)3 0.61 5.46х108
18 H2O— 0.4 3.58х108 89 OH(H2O)4 0.2 1.79х108
19 H(HO) 1.01 9.04х108 107 OH(H2O)5 0.07 6.27х107
32 O2— 0.01 8.96х106
Такой ход температурной зависимости эмиссии молекулярных кластеров показывает, что они возникают на поверхностном слое льда и эмитируются в виде сформировавшихся ионно-молекулярных кластеров, а не формируются в газовой фазе атмосферы модели ядра в результате взаимодействия вторичных ионов с сублимировавшимися молекулами воды. При повышении температуры льда от 112 до 130 К скорость сублимации и плотность сублимировавшихся молекул в газовой фазе в приповерхностном слое растет на порядок величины. Если бы кластеры возникали в газовой фазе, их интенсивность должна была бы расти с температурой пропорционально плотности паров воды. Уменьшение интенсивности регистрируемых кластерных ионов при больших температурах объясняется их рассеянием на пути от поверхности льда до коллектора приемника. Рассеяние происходит в результате ухудшения вакуума в приповерхностном слое.
Выводы
Из полученных экспериментальных данных по определению скорости образования кластерных ионов следует, что на поверхностном слое ледяных кометных ядер под действием корпускулярных потоков Солнца и космических лучей могут образоваться ионно-молекулярные кластеры противоположных знаков заряда типа Н+(Н2О) и ОН-(Н2О). Скорость формирования отрицательных кластеров имеют количественное преимущество над положительными.
Поступило 30.11.2016 г.
лъенное преимущество над поле
1. Шульман Л.М. Ионно-мо. АН УСС
ЛИТЕРАТУРА юлекулярные кластеры в ядрах комет. Института теоретической физики 'ССР, 1982. - Киев. Препринт ИТФ 81-141Р.
2. Langevin Y., Hilchenbach M., Ligier N., Merouane S. et al. Typology of dust particles collected by the COSIMA mass spectrometer in the inner coma of 67P/Churyumov Gerasimenko. - Icarus, June 2016, v. 271, pp. 76-97.
3. Хашимов Н.М., Шоёкубов Ш.Ш. Лабораторное моделирование образования ионно-молекулярных кластеров в кометных ядрах. - ДАН Тадж ССР, 1986, т. 29, № 7, с. 402-405.
4. Shoyoqubov Sh., Shoyoqubov, Sh., Ibrohimov A.A. Dynamics and rate of complex ions formation in comets. - Advances in Space Research, 2015, v. 56, pp. 2449-2454.
5. Добровольский О.В., Хашимов Н.М., Ибадинов Х.И. Об отрицательных ионах в кометах. - ДАН ТаджССР, 1981, т. 24, №9, с. 543-546.
Ш.Ш.Шоё^убов
СУРЪАТИ БАВУЧ,УДОИИ ИОЩОИ КЛАСТЕРЙ ДАР КОМЕТА^О
Институти астрофизикаи Академияи илм^ои Цумхурии Тоцикистон
Бо усули моделсозии лабораторй ва тахлили масс-спектралй, суръати ба вучудоии ионхои мусбат ва манфии кластериро, ки дар сатхи яхии ядрои кометахо дар зери таъсири заррахои корпускулавии шамоли офтобй ба вучуд меоянд, таджик карда шудааст. Дар хисобкунии сураъати бавучудоии ионхои кластерй усули мутаносибии коэффициентхои эмми-сияи ионхо истифода шудааст.
Калима^ои калидй: кометахо, иощои кластеры, ион-молекулахои кластеры, мутаносибиии коэф-фициенти эмиссияхо, пошхурии спектралии ях.
с-уА Аг>
Sh.Sh.Shoyoqubov RATE OF FORMATION ION CLUSTERS IN COMETS
Institute of Astrophysics, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan In this paper by mass spectral analysis of the rate of formation of positive and negative cluster ions
on the surface of the laboratory modeled comet nucleus under the influence of corpuscular particles of solar
wind is discusses. The method of proportionality of emission coefficients is used in calculations.
Key words: mmets, ion clusters, ion-molecular clusters, proportionality of emission coefficients, spray ice.
ers, ion-molecular clusters, proportionality i