АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2012, том 46, № 6, с. 442-459
УДК 523
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ В НАУКЕ О ПЛАНЕТАХ: ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ И АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТ
© 2012 г. P. Wuгz1, D. ЛЬр1апа1р', M. тика1, M. Яковлева1, V.A. Feгnandes1,
A. Чумиков2, Г. Г. Манагадзе2
Институт физики, Бернский университет, Берн, Швейцария 2Институт космических исследований, Москва, Россия Поступила в редакцию 16.12.2010 г.
Знание химического, элементного, и изотопного состава планетарных объектов позволяет исследовать их происхождение и эволюцию в пределах контекста нашей Солнечной системы. Для такого научного исследования решающим фактором являются посадочные зонды. Приборы, установленные на посадочной платформе, могут лучше ответить на ряд различных научных вопросов, чем приборы, находящиеся на орбите или на Земле. Исследование состава поверхности по результатам элементного, изотопного и химического анализов лучше всего осуществляется с помощью специально предназначенной для этого системы масс-спектрометров. Масс-спектрометры были частью оборудования в период предыдущих полетов на Луну, причем они успешно использовались для исследования атмосфер Марса, Венеры, Юпитера, Титана и при полетах к кометам. Необходимость применения усовершенствованных систем масс-спектрометров предсказывалась для многих полетов к планетам, которые в настоящее время планируются или осуществляются.
ВВЕДЕНИЕ
Пытаясь понять настоящее состояние нашей Солнечной системы при всем различии планетарных объектов, каждый ученый сталкивается с несколькими главными научными вопросами: 1) необходимостью понять, как физические и химические процессы определяют характеристики планетарных объектов; 2) необходимостью исследовать, как планетарные системы образуются и эволюционируют; 3) необходимостью определить, как и где развивается их существование и каким образом оно видоизменяет их планетарное местонахождение и 4) необходимостью понять, как законы физики и химии могут привести к разнообразным явлениям, наблюдаемым в Солнечной системе.
Знание химического состава объектов для решения всех этих научных вопросов является важным фактором, поскольку этот состав является прямым результатом главных процессов в Солнечной системе: процесса аккреции межзвездной материи планетезимали и затем в планетарные тела; процесса первоначального нагрева благодаря аккреции и тепловому метаморфизму малых планетарных тел; процесса планетарной дифференциации, как в малых, так и в больших планетарных телах; местных геологических процессов, которые создают или видоизменяют поверхности планет; процесса взаимодействия твердых веществ с жидкостями (например, водой); процесса взаимодействия твердых поверхностей с атмосферой в присутствии вновь образовавшейся или
ранее образовавшейся атмосферы; процесса изменения поверхности благодаря биологической активности.
Поскольку наружная поверхность планеты часто очень сильно изменяется из-за атмосферных процессов (например, образуются кратеры или различные текучие среды), полезно также оценить состояние вещества планеты под ее поверхностью, т.е. неизмененного вещества планеты. Такой подход поможет проверить и соотнести друг с другом орбитальные и наземные спектральные наблюдения за планетарным телом, поскольку это представляет собой доступ только к самым наружным слоям поверхностей (см., например, обсуждение в работе Wurz и др., 2010) Кроме того, однозначные ответы на научные вопросы, как правило, требуют проведения не одного измерения или применения нескольких аналитических методов. Особенно когда появляется необходимость сделать выводы по минералогии, масс-спектрометрическая информация должна быть дополнена оптической спектроскопией в инфракрасной области спектра.
Поскольку поверхности планет являются самой доступной частью любого объекта Солнечной системы, они являются логическими целями для полетов к ним космических летательных аппаратов и для приборов, предназначенных для исследования поверхности планеты. Однако для обоснования спуска аппарата на планету необходимо проведение анализов вещества поверхности in situ. Эти научные вопросы становятся неразре-
шимыми при наблюдениях с орбиты и должны быть существенно дешевле, чем целевой полет с возвращением и с доставкой пробы. Этот целевой полет имеет дополнительный риск по доставке собранных проб (образцов) на Землю, но в то же время это является благоприятным условием для сочетания такого полета с возвращением и с доставкой контейнера с пробами, собранными in situ, как это было сделано при полете по российской программе Фобос-Грунт (Zelenyi и др., 2010) (пуск АМС закончился неудачей). Доставка пробы с планетарного тела на Землю становится чрезвычайно трудной из-за большого расстояния этого объекта от Земли. Тогда как доставка на Землю проб с Луны "довольно легка", а, например, доставка проб с Марса представляет собой уже достаточно сложную задачу для такого полета, тем более, доставка проб, например, со спутника Европа вообще маловероятна. Более того, некоторые пробы могут приходить в негодность во время их транспортировки на Землю, например, такие пробы, как пыле-ледяная смесь на поверхности кометы или образец льда с галилейской луны. Таким образом, чтобы достичь успехов в планетарной науке, необходимо разрабатывать высоко работоспособную аппаратуру для работы in situ планетарного тела.
В следующих разделах мы сообщим о современном уровне разработки масс-спектрометрии в наших лабораториях для планетарной науки, концентрируя внимание на двух областях: i) исследование атмосфер и летучести; и ii) исследование твердых поверхностей и приповерхностного грунта/реголита.
Масс-спектрометрическое исследование атмосфер
Масс-спектрометр нейтрального газа на спускаемом аппарате позволяет наблюдать за атмосферой, находясь непосредственно внутри нее, что невозможно осуществить с орбиты. В связи со значительно более высокой плотностью на поверхности планетарного тела масс-спектрометр, установленный на спускаемом аппарате, позволяет выполнять химический анализ совсем небольших и рассеянных элементов, которые невозможно обнаружить с помощью дистанционной спектроскопии. Кроме того, с помощью спускаемого аппарата можно изучать взаимодействие атмосферы с поверхностью. В связи с фиксированным географическим местом скоротечные изменения состава атмосферы (например, конденсация/сублимация и химическое взаимодействие с поверхностью) могут своевременно масштабировать суточный, сезонный и годовой периоды вполне достаточного операционного времени у спускаемого аппарата. Эти анализы чаще всего выполняются масс-спектрометрами, но не исключительно ими.
Понимание состава атмосферы является ключевым элементом в понимании планеты. Атмосферы большинства планет земной группы, Юпитера, Сатурна и их спутников Титана и Энце-лада были исследованы методом масс-спектро-метрии. Элементный, изотопный и химический составы, включая все микропримеси, представляют собой большой научный интерес, давая ключ к разгадке эволюции планетарных объектов. Масс-спектрометрический анализ атмосферы является относительно прогрессивным продвижением вперед, поскольку проба для исследования уже находится в газовой фазе. В зависимости от атмосферного давления процесс входа газа в аппаратуру нуждается в особом внимании, и, кроме того, имеющиеся камеры обогащения, например для инертного газа, должны обладать такими характеристиками, которые позволяют повысить точность анализа.
Другой областью исследований нейтрального газа в космосе с помощью масс-спектрометров являются анализы газов, ранее внедрившихся в твердые вещества, т.е. анализ выделенных из них газов. Обычно это включает в себя сбор приповерхностных проб, удаление летучих веществ из проб в печи (например, работы ten Kate и др., 2010), или извлечение газа растворением в кислоте, или с помощью других селективных процессов. Кроме того, для отделения летучих составляющих могут быть использованы газ-хроматогра-фические (ГХ) колонны, которые обладают определенными преимуществами при анализе сложных химических или биологических смесей. Методика ГХ отделения летучих составляющих широко используется как в лаборатории, так и в космосе для приготовления проб при отсутствии возможностей анализа выделенного газа (см., например, работы Swindle и др., 1995; Goesmann и др., 2007).
При детальном изучении аппаратуры для планетарных исследований (автор Meyer и др., 1995) было сделано заключение, что для исследования атмосферы необходимо проводить измерения содержания элементов H, C, N, O и инертных газов в атмосфере с минимальной точностью в 10%. Определение отношений содержаний изотопов D/H, 13C/12C, 15N/14N, 18O/16O и 17O/16O должно проводиться с точностью по крайней мере в 1% (комплексный отчет COMPLEX report, 1994; Swindle и др., 1995), а измерения изотопов желательно было бы проводить с точностью 0.1%. Кроме того, необходимо проводить измерение содержания малых элементов и микропримесей в атмосфере, но необходимо также проводить измерение особых изменений, произошедших на планетарных объектах, при исследовании (например, CH4, O3, HCN, ...). Необходимость проводить измерения с инертными газами требует
наличия достаточного динамического диапазона у прибора, поскольку определение отношения содержаний изотопов инертного газа требует точности по крайней мере на уровне одного процента. Это усложняется тем обстоятельством, что по крайней мере один из изотопов является малораспространенным изотопом, при том что сами по себе инертные газы находятся в атмосфере в небольшом количестве или в виде микропримесей. Измерение содержаний инертных газов может потребовать некоторых других возможностей прибора, таких как наличие камер обогащения.
Исследование состава поверхности планетарных тел
Для изучения происхождения и эволюции планетарного тела нам нужно узнать об элементном составе породы и грунта на поверхности планетарного тела. Исходя из элементного состава, мы можем получить нормативную модальную минералогию этой поверхности тела. Если точечная проба соразмерна с зерном грунта или минерала, тогда может быть выполнен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.