УДК 523
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПЫЛЕНИЯ ЛЕДЯНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ИОНОВ H+: ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ H И O В ПРИЛОЖЕНИИ К СПУТНИКАМ ЮПИТЕРА
© 2015 г. В. С. Бронский1, С. Н. Шилобреева1, В. И. Шематович2, А. В. Хохлов3
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН, Москва
2Институт астрономии (ИНАСАН) РАН, Москва 3Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, Москва
e-mail: vbronsky@gmail.com Поступила в редакцию: 16.09.2014 г.
С помощью компьютерного моделирования проведен статистический анализ существующих моделей для расчета коэффициентов распыления ледяных поверхностей под воздействием ионов Н+, а также получены численные значения коэффициентов распыления в широком диапазоне энергии воздействующего иона и их доверительные интервалы. Установлено, что наименее чувствительной к вариации параметров является аппроксимационная модель (Fama и др., 2008) с рассчитанным доверительным интервалом ±20%. Рассчитаны коэффициенты распыления водяного льда (р = = 0.94, T = 80 K) под воздействием ионов H+ в диапазоне энергии от нескольких эВ до 10 кэВ и проведена верификация полученных результатов с экспериментальными данными. Показано, что максимальный коэффициент распыления равен 0.9 Н20/ион при энергии налетающих ионов H+ 200 эВ. Моделирование зависимости коэффициентов распыления молекул Н20 от температуры ледовой поверхности показало, что в интервале температур 40—100 K вариации величины коэффициента распыления малы. С ростом температуры поверхности увеличивается и коэффициент распыления. В максимуме распределения при T = 40—100 K коэффициент распыления Y(E = 200 эВ) = = 0.9 Н20/ион, при T = 200 K — 1.1 Н20/ион. Проведено моделирование распределения по кинетической энергии распыленных молекул Н20 и атомов Н и O в диапазоне энергий 1 — 100 кэВ налетающих ионов Н+. Полученные результаты могут быть использованы для моделирования изменения изотопного состава экзосферы спутников Юпитера в процессе распыления. Рассчитанные соотношения коэффициентов распыления изотопов Н, D и 180, 160 с поверхности для спутников Юпитера (Европа, Ганимед, Каллисто) под воздействием ионов Н+ в диапазоне энергии от нескольких эВ до 10 кэВ равны (1.7 ± 0.3) х 10-5 и 0.18 ± 0.03 соответственно. Полученные соотношения отличаются от исходных изотопных на поверхности спутников Юпитера. Установлено, что это отличие значимое и может приводить к перераспределению изотопов на поверхности спутников Юпитера. Показано, что изменение изотопного соотношения D/Н на поверхности спутников Юпитера зависит от величины плотности потока облучаемых ионов.
Ключевые слова: распыление, моделирование, лед, изотопы водорода и кислорода, спутники Юпитера.
DOI: 10.7868/S0320930X15030020
ВВЕДЕНИЕ
Перераспределение атомов и молекул на поверхности космических тел, облучаемых потоками ионов, электронов или фотонов, может происходить в результате многих процессов, таких как физическая и химическая адсорбция, десорбция, диффузия, распыление, радиолиз и др. Одним из основных процессов изменения поверхностей на небесных телах во внешних областях Солнечной системы, включая спутники планет-гигантов, ледяные объекты пояса Койпера и облака Оорта, является радиолиз (Johnson и др., 2004). Данный процесс воздействия и изменения свойств и морфологии
ледяных поверхностей небесных тел называются космическим выветриванием. Дистанционные и/или прямые измерения состава нейтральных и заряженных частиц в разреженных газовых оболочках небесных тел позволяют оценить собственно относительные концентрации основных нейтральных компонент в исследуемой газовой оболочке и сделать заключение об относительном составе родительских молекул, покидающих ледяную поверхность спутника вследствие радиолиза солнечным УФ-излучением и/или магнитосферной плазмой. Теоретическая модель газовой оболочки ледяного небесного тела (Шематович, 2006; 2008; 8Иеша-ШуюИ и др., 2005), построенная с учетом процес-
сов радиолиза ледяной поверхности, может использоваться для интерпретации результатов измерений состава нейтральных и заряженных компонент в разреженных атмосферах галилее-вых спутников Юпитера, выполненных космическим аппаратом Galileo в системе Юпитера, полученных недавно новых измерений при помощи космического аппарата Cassini состава экзосфер и ионосфер ледяных спутников в системе Сатурна, а также ожидаемых результатов измерений химического многообразия в коме и на поверхности ядра кометы Чурюмова—Герасименко при помощи космического аппарата ESA Rosetta и в системе Плутон—Харон при помощи космического аппарата NASA New Horizons.
Одним из важнейших процессов радиолиза ледяных поверхностей небесных тел является процесс распыления ледяной поверхности плазмой из магнитосферы и/или солнечного ветра (Sieveka и др., 1982; Johnson, 2008). Планеты-гиганты обладают протяженными магнитосферами, соответственно кольца и спутники, образующие системы таких планет, непосредственно погружены в магнитосферную плазму, поддерживаемую вращающимся магнитным полем планеты. Следовательно, поверхности ледяных спутников и ледяных частиц колец подвержены как воздействию магнитосферных ионов и электронов с высокими энергиями, так и облучению солнечным УФ-излу-чением. Одним из наблюдаемых проявлений данных воздействий на ледяные поверхности небесных тел является образование газовых оболочек, обычно весьма разреженных из-за малого гравитационного поля рассматриваемых небесных тел. Лабораторные данные показывают, что молекулы O2 и H2 непосредственно образуются при воздействии плазмы и УФ-излучения на водяной лед (Brown идр., 1982; Westley и др., 1995), что известно как процесс радиолиза водяного льда плазмой и излучением (Johnson, 2004).
В данной статье рассматривается процесс распыления поверхности под воздействием ионов H+, так как они являются основной компонентой ионизирующего облучения, достигающего поверхности безатмосферных космических тел. Данный процесс был изучен экспериментально (Pedrys и др., 1987; Johnson и др., 1990; Baragiola и др., 2003) и теоретически (Cassidy и др., 2005; Dukes и др., 2011) для различных мишеней и типов ионного излучения (H+, He+), в том числе для объектов Солнечной системы (спутники Юпитера, Сатурна, Луна и др.).
Развитие столкновительных каскадов и распыление атомов и молекул с поверхности твердых тел изучались с помощью аналитических расчетов (Lep-oire и др., 1983; Reimann и др., 1984; Schou и др., 1995; 2001) и методами компьютерного моделирования (Taglauer и др., 1976; Biersack и др., 1978; Eckstein, 2007) для случаев аморфных и кристаллических твердых тел. При использовании аналитических ме-
тодов с помощью теории переноса Больцмана вычисляют средние величины коэффициентов распыления, а компьютерное моделирование позволяет прослеживать траектории отдельных частиц в твердых телах. Результаты обоих приближений хорошо согласуются между собой, если в них используются одни и те же предположения (например, механизмы распыления: выбивание, линейные или нелинейные каскады и т.д.).
Эксперименты показали, что распыление атомов и молекул с поверхности под воздействием ионов H, He зависит от многих параметров (Schou и др., 2001; Barghouty и др., 2011), таких как: энергия ударяющих ионов, их масса, угол падения, температура поверхности и др. Кроме того, большинство выбитых из решетки атомов и молекул реагирует с соседними атомами и напрямую не выходят с поверхности мишени (Johnson, 1989; Cassidy и др., 2010). Столкнувшись с другими атомами мишени, выбитые продукты могут затем десорбировать или даже вступать в химические реакции.
Распыление атомов и молекул с ледяных поверхностей под воздействием ионов H, He и О может происходить под влиянием как упругих, так и неупругих (электронных) процессов (Lanzerotti идр., 1978; Brown и др., 1982; Bringa и др., 1995). Как впервые было показано в работе (Johnson и др., 1980) процесс электронного распыления связан с десорбцией с поверхности и радиолизом льда. Также было обнаружено, что выход атомов и молекул с поверхности в связи с этим может быть очень большим (до 1000 H^/ион для 100 кэВ О+). При низких температурах (<110 K) доминирующей компонентой в суммарном выходе являются молекулы H2O, но с увеличение температуры начинают преобладать молекулы H2 и O2. В работе Baragiola (2003) показано, что коэффициенты распыления молекул H2O для ионов H+, He+, Ar+ и O+ с энергией 30 кэВ не зависят от температур льда в диапазоне 60—100 K и полный коэффициент распыления поверхности протонами не зависит от плотности потока H+ в диапазоне до 1016 ат/см2.
Эффекты изотопного перераспределения, происходящие в процессе распыления мало исследованы. Однако существует фундаментальная проблема изотопных аномалий на поверхности метеоритов, спутников планет и других космических тел, которые могут быть вызваны различными процессами на поверхностях этих тел. Одним из процессов, приводящих к изотопному перераспределению, может быть распыление под воздействием ионного облучения.
В последнее время было предложено и усовершенствованно множество аналитических уравнений и моделей, позволяющих рассчитывать коэффициенты распыления для различных пар ион-мишень, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки (Sigmund и др., 1969; Yamamura идр., 1983; Fama и др., 2008).
Задачей данного исследования является выбор наиболее точных моделей для расчета коэффициентов распыления льда и моделирование с их помощью эффектов перераспределения изотопов Н и О в процессе распыления ледяных поверхностей под воздействиеу ионов Н+. В качестве космического объекта для моделирования были выбраны спутники Юпитера, для которых известны спектры облучения поверхностей космической плазмой.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ ЛЕДЯНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Принято считать, что распыление твердых тел ионами происходит вследствие 3-х основных механизмов: прямого выбивания атомов мишени ионами, линейных каскадов атомных столкновений и нелинейных каскадов или термических пиков (Мартыненко, 1982; Бериш, 1984). Для большинства ионов с энергиями до 10—50 кэВ и массами до 60 а.
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.