Dowody na elektryczną aktywność komety 67P: ku elektrochemicznemu pojmowaniu zjawiska komet

Franklin Anariba, doktor filozofii

Epizod 1: Rozdzielenie ładunków w środowisku plazmowym komety 67P

Pozwolę sobie wprowadzić kontekst tej serii epizodów na temat komety 67P. Misja Rosetta dostarcza nam ogrom raportów naukowych, pełnych cennych informacji o składzie komy oraz jadra komety 67P/Churyumov-Gerasimenko, określanej jako 67P. W tej serii epizodów zamierzam wypunktować istotne odkrycia z różnych artykułów naukowych, będące istotne w puntku widzenia Elektrycznego Wszechświata. Jest to krytyczny przegląd, którego intencją jest uznanie wkładu wszystkich autorów, bez przeinaczeń, a celem jest poinformowanie ogółu czytelników o alternatywnej interpretacji zaraportowanych odkryć.

Zostało to dokonane poprzez komentowanie najnowszych odkryć, dostarczonych przy użyciu różnych instrumentów i technik, włączając w to Detektor Jonów i Elektronów (RPC-IES), Analizer Składu (RPC-ICA), będący spektrometrem masy, zdolnym do detekcji jonów dodatnich, oraz Spektrometr Czujnika Neutralnej Analizy Ciśnienia (ROSINA-COPS). Moja analiza pochodzi z obserwacji komety 67P z heliocentrycznej odległości 2 do 4 jednostek astronomicznych (AU). W takiej odległości kometa 67P wykazywała niską aktywność, jako, że była z dala od peryhelium, jednak fakt ten może być krytyczny w zrozumieniu zjawisk, które w przeciwnym razie byłyby trudne do rozpoznania. Mój komentarz opiera się na opublikowanych danych i ich interpretacji przez samych autorów, które przy okazji reinterpretuję z perspektywy elektrochemicznej.

Jak można samemu spostrzec, czytając większość naukowych raportów na temat komety 67P, głównym paradygmatem jest ten zaproponowany przez Whipple jakiś czas temu, który można nazwać modelem kondensacyjno-sublimacyjnym. Nie zamierzam go tutaj odrzucać, jako, że uważam go za ważny w pobliżu peryhelium, jeżeli kometa ma przenosić duże ilości ulotnego lodu na lub pod powierzchnią. Zamiast tego, moim celem jest zwrócenie uwagi wszystkich na inne mechanizmy, jakie mogą być odpowiedzialne za obecność wody i innych związków chemicznych w komie komety. Jednym z mechanizmów jest implantacja protonów, przywoływany w próbach wyjaśniania obecności lodu wodnego w kraterach księżycowych. Może on odpowiadać za obecność niewielkich ilości lodu wodnego na powierzchni komet przy jednoczesnej ogromnej gęstości jonów w komie. Kolejny mechanizm, w większości nieznany społecznościom astronomicznym, bazuje na zasadach elektrochemii, które nazwałem elektro-odzieraniem. Mechanizm ten może dominować na dużych odległościach heliocentrycznych, z dala od peryhelium, gdy napięcie elektryczne pomiędzy kometą a otaczającą otoczką plazmową Słońca może być największe. Mechanizm ten może również odpowiadać za obecność pary wodnej w komie. Przywołanie tych dwóch różnych mechanizmów jest istotne, gdyż jak dotąd nie znaleziono znaczących ilości lodu wodnego na powierzchni jądra komety 67P, ani też pod nią. Co więcej, niedawne odkrycia cząsteczkowego tlenu w komie komety 67P wraz z jego powiązaniem z pochodzeniem i obecnością pary wodnej, wskazują na elektrochemiczną metodę produkcji.

Ponieważ będę omawiał zróżnicowane rzeczy, ważne jest, aby wyklarować i zdefiniować istotną terminologię, używaną w modelu kondensacyjno-sublimacyjnym, który omawia pochodzenie komet oraz ich oddziaływanie z plazmą w pobliżu jądra. W modelu tym, powiązane z wiatrem słonecznym międzyplanetarne pole magnetyczne (IMF) oddziałuje z komą komety, powodując powstanie fali uderzeniowej, wywołanej nawarstwieniem się pola magnetycznego z kierunku Słońca. Zgodnie z proponowanym obecnie mechanizmem, na granicy wiatru słonecznego i otoczki plazmowej komety powstaje wyindukowana magnetosfera, która jest częściowo zjonizowana i przewodząca prąd. Zjawisko to obserwuje się szczególnie w pobliżu peryhelium, gdzie komety z reguły wykazują największą aktywność. Co równie ważne w tym modelu, uważa się, że obojętne cząsteczki w komie sublimują z jądra, a następnie ulegają fotojonizacji na skutek ekstremalnego promieniowania ultrafioletowego (UV) ze Słońca, powodującego rozdzielenie ładunków i formowanie się otoczki plazmowej wokół jądra.

Dodatkowo wiatr słoneczny, zawierający kationy, takie jak protony (H⁺) i cząstki helu (He²⁺) oraz elektrony, jest uważany za odkrywający ważną rolę w powstawaniu gazu jonowego poprzez bombardowanie jądra, zapewniając tym samym mechanizm wymiany ładunków. Uważa się, że mass loading powstaje jednocześnie, gdy nowo powstałe jony gazu, poruszające się z początku powoli (~ 1km/a), są porywane lub przyspieszane przez powiązane z wiatrem słonecznym międzyplanetarne pole elektryczne do swojej średniej prędkości ~ 450km/s. Mass loading staje się znaczne w odległości mniejszej niż 1000 km od jądra komety.

Typowa średnia prędkość wiatru słonecznego zawiera się pomiędzy 300 a 600 km/s. Jego energia kinetyczna może być zamieniona w potencjalną przy pomocy następujących równań:

Energia potencjalna (EP) = energia kinetyczna (EK)
eV = 1/2 (masa protonu) × (prędkość protonu)²

Możemy użyć tych równań do prędkości wiatru słonecznego odpowiadają 470,4 do 1881,7 eV. Dla przykładu, potencjał jonizacji dla wodoru (H) atom (H) gaz → H⁺ + e^- wynosi 13,6 eV.

Siła Lorentza powoduje przyspieszanie nowo powstałych jonów prostopadle do kierunku wiatru słonecznego i międzyplanetarnego pola magnetycznego, powodując żyrowanie jonów naokoło i wzdłuż linii pola magnetycznego, dając rozkład w kształcie pierścienia. Jedną z konsekwencji mass loadingu lub efektu porywania jest spowalnianie wiatru słonecznego, na mocy zachowania pędu, oraz wzbudzenie aktywności fal cyklotronowych. Żyrowanie jonów wokół wiatru słonecznego można opisać parametrami cyklotronu Larmora:

Promień żyrowania (R_g) = masa jonu × prędkość jonu / (ładunek elektryczny × pole magnetyczne wiatru słonecznego) Okres żyrowania (t_g) = 2 π × R_g / prędkość jonu
częstotliwość żyrowania lub cyklotronowa (f_g) = 1 / t_g kątowa częstotliwość cyklotronowa (ω_g) =

Mając to wszystko w pamięci, chciałbym spojrzeć na dwa niedawne raporty na temat dynamiki plazmy kometarnej. W manuskrypcie zatytułowanym Obserwacje nowego typu fal o niskich częstotliwościach na komecie 67P/Churyumov-Gerasimenko, autorstwa Richtera i innych [1], w którym podano pomiary środowiska plazmowego wewnętrznej komy, w odległości nawet do 10 km, ogólne obserwacje ujawniły znaczną aktywność elektronów. Odkrycia podsumowano poniżej:

Wiatr słoneczny (SW) niesie mierzalne pole magnetyczne rzędu ~ 2 nT, podczas, gdy pole wewnętrznej komy komety 67P wykazuje wartość ~ 4 nT, co wskazuje, że gęstość energii magnetycznej jest większa w pobliżu jądra.
Oscylacje pola magnetycznego rzędu 40MHz dominują środowisko plazmowe jądra i nie wykazują preferowanego kierunku propagacji.
Gęstość prądu elektrycznego ustalono na 4,8 × 10^-9 A/m².

Ustalenia te są szczególnie interesujące i intrygujące. Po pierwsze, istnieje aktywność elektryczna w pobliżu jądra. Następnie, większość jonów, wykrytych w komie 67P, to kationy wody (H₂O⁺), wykazujące częstotliwość cyklotronową w zakresie 0,8 do 4 MHz, znacznie odmienną od przeważającej 40 MHz. Wyniki te są niespodziewane, wskazując na istnienie nowego mechanizmu. Autorzy dodali, że należy wspomnieć, iż sugerowane źródło fal nie porusza się wraz z wiatrem słonecznym (...) jest ono niemal stałe względem układu odniesienia jądra komety. Autorzy odrzucili klasyczne niestabilności unoszeniowe jonów jako źródło oscylacji magnetycznych, proponując zamiast tego zjawisko poruszania się cząstek, powstałych w fotojonizacji, poprzecznie do pola magnetycznego, ale wzdłuż wiatru słonecznego, płynącego wzdłuż pola elektrycznego, co nazywane jest gęstością prądu skrośnego do pola. Innymi słowy, pole elektryczne kontroluje jony z komety, ale w inny sposób niż ma to miejsce w przypadku znanego zjawiska mass loadingu.

W raporcie Nilssona i innych [2], zatytułowanym Ewolucja środowiska jonowego komety 67P/Churyumov-Gerasimenko, w którym traktowano o pomiarze środowiska plazmowego przy użyciu spektrometru masy, zdolnego do wykrywania jonów dodatnich, kieruję uwag na następujące ustalenia:

Wykryte jony to głównie kationy wody o dwóch różnych energiach potencjalnych. Zimne jony wodne posiadają energię potencjalną rzędu 10 do 50 eV i wychodzą z obszaru pomiędzy Słońcem a jadrem komety. Natomiast przyspieszone jony wodne posiadają energię od 120 do 5000 eV i nadbiegają od strony Słońca.
Strumień jonów wodnych wzrasta o cztery rzędy wielkości, gdy odległość heliocentryczna maleje z 3,6 do 2 jednostek astronomicznych. W tym czasie strumień słoneczny rośnie o czynnik 2.
Wiatr słoneczny nie zwalnia znacząco, co sugeruje, że mass loading jest zaniedbywalny.

Co ciekawe, autorzy dodają: prosty scenariusz może wyglądać tak, że pochwycone jony początkowo poruszają się wzdłuż niezaburzonego pola elektrycznego wiatru słonecznego, podczas, gdy nowo powstałe elektrony dryfują, prowadząc do rozdzielenia ładunków [pogrubienie dodane]. Pole elektryczne owego rozdzielenia miałoby początkowo składową przeciwną do pola wiatru słonecznego oraz przeciwną do Słońca. Jest to spójne zarówno z przepływem jonów wodnych oraz spowolnieniem wiatru słonecznego. Implikacje są trzy:

Rozdział ładunków następuje na skutek pola elektrycznego, co jest wskazówką istnienia różnicy potencjałów.
Jeżeli przyspieszone jony wodne (H₂O⁺) przybywają z kierunku Słońca, elektrony muszą kierować się ku Słońcu.
Duża ilość generowanych kationów wodnych może wskazywać na inny proces ich powstawania, oprócz tradycyjnie proponowanej fotojonizacji ultrafioletem.

Podsumowując epizod 1, wzięte razem fakty ukazują obraz bardzo dynamicznego środowiska plazmowego wokół jądra komety, z potencjalnymi konsekwencjami w rodzaju rozdzielania kationów i anionów na skutek działania różnicy potencjałów.

Epizod 2: Szybkie elektrony i pola elektryczne w środowisku plazmowym komety 67P

W drugim epizodzie serii rozpisuję się na temat obecności aktywności elektrycznej w pobliżu jądra 67P. Czynię to komentując dwa niedawne ważne raporty. W manuskrypcie zatytułowanym Pomiary porywania jonów z komety 67P/Churyumov-Gerasimenko za pomocą detektora jonów i elektronów Rosetty (IES)., autorstwa Goldsteina i innych [3], środowisko plazmowe badane jest w odległości 3,5 AU od Słońca i w odległości 28 km od jądra. Podsumowując raport:

Po raz pierwszy zrobiono detekcję kationów wody o niskich energiach słabo odgazowującej się komety z dala od Słońca.
Rozmieszczenie populacji kationów wodnych wykazuje zmienność względem czasu.
Nie obserwuje się kątowego rozmieszczenia jonów wodnych, co sugeruje, że powstają one lokalnie i nie są przyspieszane polem elektrycznym wiatru słonecznego, co byłoby spodziewane przy mass loadingu.
Co ciekawe, ulegające mass loadingowi jony orz protony słoneczne poruszają się w przeciwnych kierunkach, podczas, gdy elektrony nie podlegają wpływom.

Implikacje tych spostrzeżeń bazują na założeniu, że mass loading odgrywa ważną rolę na tak dużych odległościach heliocentrycznych i przy malutkiej gęstości komy. Zaraportowano na przykład, że jony wiatru słonecznego są odbijane, ale nie spowalniane, jak się tego można by spodziewać w przypadku zjawiska mass loadingu, co sugeruje, że proces ten jest zaniedbywalnie mały. Zatem fakty te można zinterpretować jako wskazania, że złożone i dynamiczne, bogate w elektrony środowisko w pobliżu jądra znajdującego się tak daleko od Słońca, przy zaniedbywalnym mass loadingu, sugeruje dominację innego mechanizmu ruchu jonów.

Idąc tym tropem, godny najwyższego zainteresowania jest raport Clarka i innych, zatytułowany Środowisko super-termicznych elektronów komety 67P/ Churyumov-Gerasimenko: obserwacje detektora jonów i elektronów Rosetty [5]. Określenie super-termiczne wskazuje na silnie ogrzane elektrony, posiadające dużą energię kinetyczną. W manuskrypcie autorzy piszą, iż super-termiczne, lub szybkie elektrony są przyspieszane przez nieznany mechanizm z kilku do nawet 100 eV i pełnią ważną rolę w elektrono-obojętnej chemii, jak również w ładowaniu [elektrycznym] drobin pyłu. Co więcej, poprzednie badania wykazały, że takie przyspieszone elektrony są wszechobecne, jednak nie doszło do porozumienia na temat mechanizmu. Wysunięto kilka propozycji:

Super-termiczne elektrony są prawdopodobnie powiązane z wstępującymi fluktuacjami fal cyklotronowych, unoszących się w kierunku warkocza. Innymi słowy, energia dostarczana jest przez mass loaded jony, wędrujące od strony Słońca ku warkoczowi komy.
Super-termiczne elektrony są przyspieszane w podobny sposób, jak elektrony poza międzyplanetarnymi bezkolizyjnymi falami uderzeniowymi.
Satelita Active Magnetospheric Particle Tracer Explorer (AMPTE) pokazała, że za elektrony te odpowiadają niższe, hybrydowe fale cyklotronowe z mass loaded jonów. Słowo hybrydowe odnosi się do częstotliwości cyklotronowych, pomiędzy protonami a elektronami.
Niektóre opracowania przypisują przyspieszanie super-termicznych elektronów fotojonizacji, podczas, gdy inne wskazują, że rola tego procesu jest zaniedbywalna.

Jest jasne, że nie ma zgody na temat głównego mechanizmu, stojącego za przyspieszaniem super-termicznych elektronów, zwłaszcza w przypadku komety 67P, która ma 100-krotnie cieńszą komę, niż kometa Halley'a. W tym kontekście, autorzy nas informują:

Bardzo dynamiczna chmura super-termicznych elektronów pokrywa się z obserwowanym szczytem aktywności w pobliżu 1 j.a. Autorzy dodają: To zaskakujące, że tak słabo odgazowująca się kometa w dużej odległości od Słońca wytwarza duże i dynamiczne środowisko super-termicznych elektronów.
Gęstość elektronów w pobliżu jądra waha się od 10 do 100 na cm³.

Biorąc pod uwagę, że w czasie tych obserwacji kometa 67P znajdowała się 3 j.a. od Słońca i miała malutką komę, co przeczy wszystkim wcześniejszym przewidywaniom, jest bardzo prawdopodobne, że ma miejsce inny mechanizm przyspieszania jonów w pobliżu jądra komety.

Raport kontynuowano rozważając potencjalne mechanizmy, które w sposób nieoczywisty mogą odpowiadać za dużą gęstość (i strumień), obserwowaną przez IES. Na przykład:

Fotoelektrony. Odgrywa rolę w jonizacji molekuł i tworzeniu energetyczne, drugorzędne jony poprzez dysocjacje fotoelektronów.
Ambipolarne pole elektryczne. Autorzy zamieścili komentarz, że jeżeli obecne jest wyraźne pole elektryczne, wówczas powinien też być widoczny wyraźny szczyt. Ponownie, wskazuje to na bardzo delikatną strukturę w środowisku plazmowym. Implikacje są takie, że pole elektryczne jest z natury włókniste.
Przyspieszenie spowodowane przez skrośne potencjały fal uderzeniowych. Dość interesujące, skrośne potencjały uderzeniowe, które obserwowano, jak przyspieszały elektrony, mogą być traktowane jako warstwa podwójna w środowisku eksperymencie elektrochemicznym. Jednakże nie ma dowodów na fale uderzeniowe, w tym wsteczne, w odległości 3,5 j.a. od Słońca.
Kompresja pola magnetycznego. Jednakże brak jest danych o kierunku i wielkości powiązanego z wiatrem słonecznym pola magnetycznego.
Niższe, cyklotronowe fale, wywołane jonami ulegającymi mass loadingowi. Aby wyjaśnić swoje dane, autorzy uczepili się tego rozwiązania.

Co zaskakujące, autorzy skonkludowali, że super-termiczne elektrony są przyspieszane przez domieszki fotoelektronów i fal [cyklotronowych], powodowanych niestabilnościami unoszenia jonów. Ich konkluzja jest sprzeczna, gdyż w tekście autorzy donosili o bogatej i dynamicznej chmurze elektronów, wskazującej na dużą gęstość elektronów wokół jądra, mimo bardzo słabej komy komety 67P. Pojawia się zatem pytanie: skąd te elektrony pochodzą? Kolejną sprzecznością jest to, że mass loading pociąga za sobą spowalnianie wiatru słonecznego.

Jednakże autorzy twierdzą, że dane na temat jonów nie wykazują znaczącego spowolnienia wiatru słonecznego, co sugeruje, że mass loading jonów jest zaniedbywalne. Dodatkowo, autor napisał: nie ma, niestety, na pokładzie Rosetty żadnego instrumentu, który zmierzyłby fale elektromagnetyczne o tej częstotliwości odnosząc się do niższych częstotliwości cyklotronowych. Poczynione obserwacje mogą oznaczać, iż wyciągnięte wnioski są przedwczesne. Z perspektywy elektrycznej, przyspieszenie elektronów następuje dzięki umieszczeniu ładunku w polu elektrycznym, co z kolei wskazuje na różnicę potencjałów.

Epizod 3: Pylenie wiatru słonecznego i jego powiązanie z obserwacja wody na komecie 67P

W epizodzie 3 omawiam potencjalne powiązania pomiędzy rozpryskiwaniem na powierzchni przez wiatr słoneczny, detekcją jonów metali i produkcją wody. Obecnie znanych jest 5 procesów, uważanych za przyczynę ekstrahowania atomów alkalicznych z powierzchni komet:

Desorpcja termiczna
Desorpcja symulowana fotonowa
Rozpryskiwanie wiatrem słonecznym (solar wind sputtering)
Parowanie od mikrometeorytów
Fotodysocjacja molekuł rodzicielskich [6]

W manuskrypcie zatytułowanym Rozpryskiwanie pyłu wiatrem słonecznym na komecie 67P/Churyumov-Gerasimenko, autorstwa Wurza i innych [7], użyto podwójnie skupiającego spektrometru masy do wykrywania obojętnych substancji lotnych w komie, które nie były podejrzewane o sublimowanie, częściowe lub całkowite, jak Na, K, Si, Ca oraz S. Rezultaty można podsumować następująco:

Krzem (Si) jest najbardziej obfitym pierwiastkiem, obserwowanym przez spektrometr masowy, co ma sens, gdyż zaobserwowano, że kometa 67P składa się z minerałów ogniotrwałych, jak oliwin.
Większość pierwiastków zaobserwowano ponad mniej oświetloną stroną jądra komety, czyli nad półkulą zimową.
W porównaniu z węglowymi chondrytami, kometa 67P wykazuje obfitość sodu, niedobór wapnia i nadmiar potasu.

W podsumowaniu stoi, że wykryte obojętne strumienie metali są wywołane rozpryskiwaniem na powierzchni komety po zimowej stronie od wiatru słonecznego, wskazując, że obszary o dużej erozji, np obszar zwężenia, pozostają nieruszone. Rozpraszanie wiatrem słonecznym może wyjaśnić dżety pyłu i formacje z lodu wodnego w mniej nasłonecznionych obszarach komety, ale nie w obszarach zwróconych ku Słońcu, gdyż wiatr słoneczny nie przenika przez otoczkę plazmową. Wskazuje to, że ma miejsce jeszcze inny mechanizm, generujący pył w komie. Następstwem analizy jest wniosek, że w obszarach o mniejszym nasłonecznieniu ma miejsce przypuszczalnie implantacja protonów.

Pamiętajmy, że zamontowany na orbiterze detektor mikrofal (MIRO) [8], miesiące temu nie odnalazł znaczących ilości lodu wodnego na powierzchni komety 67P. W artykule pod tytułem Dzienny cykl lodu wodnego na komecie 67P/Churyumov-Gerasimenko, autorstwa De Sanctis i innych [9], zaproponowano cykl lodowy w oparciu o spektroskopię podczerwoną (VIRTIS). W tej analizie, podczerwone widmo odbicia, pobrane z różnych poziomów oświetlonej powierzchni komety 67P ujawnia:

Szerokie pasmo absorpcji od 2,8 do 3,6 µm, przypisane związkom organicznym.
Brak linii absorpcyjnych czystego lodu wodnego wskazuje na górny limit 1% na objętość lodu wodnego w rozdzielczości VIRTIS.
Spłaszczenie nachylenia i zmniejszenie emisji termicznych wraz ze zwiększeniem głębokości przedziału 3 µm, co sugeruje ekspozycję lodu wodnego wraz z materiałem organicznym.

Na bazie tych obserwacji autorzy posłużyli się teorią rozpraszania do modelowania widma odbicia podczerwonego jako mieszaniny wody i materii organicznej, aby otrzymać mapę rozłożenia lodu wodnego. Aby model zgadzał się z danymi, względna ilość lodu musi wynosić 10-15%. Ten rodzaj szczególnej analizy modelowania danych empirycznych jest dosyć akceptowany w środowisku naukowym i autorzy poczynili rozsądne założenia. Jednakże założenia wyznaczają siłę modelu. Z modelu autorzy mapę ilościową lodu wodnego i proponują bezpośrednią kondensację sublimacji gazu z powierzchni pod określonymi warunkami termodynamicznymi. Przez warunki termodynamiczne autorzy rozumieją mechanizm wersji temperatury, działający mniej-więcej tak:

Lód wodny w mieszaninie wodno-organicznej sublimuje z najwyższych warstw powierzchni. Kiedy powierzchnia ta nie jest oświetlona przez Słońce, następuje inwersja temperatury pomiędzy chłodniejszymi teraz warstwami górnymi a głębszymi, kilka centymetrów poniżej. Para wodna w cieplejszym wnętrzu dyfuzjuje do góry i kondensuje się w górnych warstwach, gdzie pozostaje stabilna, aż do ponownego oświetlenia powierzchni, kiedy to ulegnie sublimacji. Następnie cykl się powtarza.

Dobrze jest spojrzeć na to studium w szerszym kontekście. Chociaż opierając się na tytule, można by pomyśleć, iż na powierzchni komety 67P znajduje się lód wodny, autorzy wyraźnie stwierdzają, co następuje:

Należy zaznaczyć, że udział warstw powierzchniowych w całkowite odgazowywanie jest ograniczony w czasie.
Ilość strumienia wody pochodzącego z powierzchniowego lodu, zmierzona przez VIRTIS, stanowi 3% całkowitego strumienia wody zmierzonego przez MIRO. VIRTIS używa spektroskopii podczerwonej, podczas gdy VIRTIS mikrofalowej.

Innymi słowy, mechanizm ten reprezentuje bardzo mały procent całkowitej obecności wody w na powierzchni komety. Szybka analiza faktów i obserwacji na temat rozpryskiwania wiatrem słonecznym, wspomnianym wcześniej, prowadzi mnie do wniosku, że może ono grać rolę w obserwacjach lodu wodnego, z następujących powodów:

Zgodnie ze sporządzoną mapą, na powierzchni jest tylko niewielka ilość lodu wodnego.
Lód zdaje się być uzupełniany w miejscach o mniejszym naświetleniu, jak cienie i nocna strona.
Wykazano, że rozpryskiwanie wiatrem słonecznym jest efektywne w miejscach o niskim naświetleniu.

Zebrawszy dowody razem, rozsądne jest przypisać obecność obserwowanego lodu w mniej naświetlonych miejscach implantacji protonów (H⁺) w ogniotrwałe krzemiany, gdzie oddziałują one z tlenem, osadzonym w siatce krystalicznej. Nie jest to niczym niezwykłym, jako, że zostało wykazane w eksperymentach laboratoryjnych i jest uważane za główny mechanizm powstawania lodu na obrzeżach kraterów księżycowych.

Epizod 4: Natura wyrzucanych z komet naładowanych nanodrobin

W epizodzie 4 omawiam naturę i ładunek zarejestrowanych nanodrobin w komach komet. Interesującym nas artykułem jest ten autorstwa Gambosi i innych, zatytułowany Ujemnie naładowane nanodrobiny komety 67P/Churyumov-Gerasimenko [10]. Główne myśli manuskryptu są całkiem interesujące i można je podsumować następująco:

Sensor jonów i elektronów (IES) wykrył nanocząstki w niemal mono-energetycznych wiązkach w zakresie 200 do 500 eV.
Nanodrobiny, które autorzy przypisują kawałkom wody o średnicy 3-4 nm, były naładowane ujemnie i podróżowały od strony jądra komety ku Słońcu.
Co więcej, nie odebrano sygnałów cząstek naładowanych dodatnio.

Autorzy wyjaśnili owe obserwacje wzorcem składanego parasola nanodrobin. W rozumowaniu tym nanodrobiny wody są unoszone wypływem gazu, który następnie jest zawracany ku komecie przez ciśnienie radiacyjne.

Wyjaśnienie to jest jednak kłopotliwe i sprzeczne z następujących powodów:

Wzorzec składanego parasola oznaczałby, że nanodrobiny pyłu poruszałyby się ku jądru komety, co przeczy obserwacjom.
Brak jonów dodatnich przypisuje się fotojonizacji z w pobliżu jądra do postaci jonów ujemnych. Jednakże, nawet, jeżeli brać pod uwagę ten proces, jak poprzednio opublikowano w Pomiarach komy blisko jądra komety 67P/Churyumov-Gerasimenko przy pomocy spektrografu dalekiego ultrafioletu Alice sondy Rosetta, [11], jony dodatnie powinny istnieć i zostać wykryte.
Na koniec, autorzy przypisują brak śladów jonów dodatnich usterce instrumentów.

W szerszym kontekście, wyjaśnienia te nas nie satysfakcjonują. Odmienna, lecz możliwa interpretacja jest następująca: nanodrobiny pyłu są ładowane ujemnie elektronami emanującymi z powierzchni, gdyż w poprzednich epizodach zaprezentowałem istnienie w pobliżu jądra dużej ilości elektronów niezwiązanych z procesem fotojonizacji. Zamiast tego, proponuję, że elektrony te pochodzą z procesu elektrycznego odzierania, napędzanego różnicą potencjałów pomiędzy jądrem komety a otoczeniem.

Dalszy raport tego teoretycznego frameworku jest ujawniony w studium komety PAN-STARRS, którą przeanalizowano z użyciem światła białego, gdy kometa znajdowała się w odległości 0,3 j.a. od Słońca, blisko peryhelium. W raporcie autorstwa Raouafi'ego i innych Dynamika szybkich, ulotnych kłębów [HVECs], emanujących z komety C/2011 L4, obserwowanych przez STEREO, [12], omówiono obserwacje szybko poruszających się w niemal radialnym kierunku przeciwnym do Słońca obiektów. Tradycyjne spojrzenie jest takie, że materia ulotna, cząstki pyłu, są wyrzucane do komy i podlegają szerokiej gamie procesów fizycznych, jak grawitacja, ciśnienie radiacyjne, fragmentacja, elektryzowanie oraz zderzenia. Wyrzucone obłoki miały początkową prędkość 200 do 400 km/s, która następnie zwiększała się do 600 km/s. co więcej, morfologia obrazów ze STEREO wskazuje, że mniejsze niż 1 µm są zmiatane promieniście w kierunku przeciwnym do Słońca, niezależnie od czasu ich wyrzucenia ani pozycji na orbicie komety, podczas, gdy większe cząstki płynęły w bruzdach tworzących warkocz pyłowy. I chociaż promieniowanie słoneczne odgrywa rolę w różnicowaniu ziaren pyłu w warkocze pyłowy, jonowy i obojętny, nie może przyspieszać materiału do prędkości ponad 200 km/s w czasie, jaki zaobserwowano. Na przykład, aby ziarno pyłu o rozmiarze 1 µm rozpędzić promieniowaniem słonecznym do prędkości 350 km/s na dystansie 108 km, potrzeba by około 2 700 000 sekund. Zamiast tego zaobserwowano większe przyspieszenia, potrzebujące jedynie 20 000 sekund. W rezultacie autorzy sugerują, iż ciśnienie radiacyjne nie gra roli w przyspieszaniu drobin mniejszych niż 1 µm. Twierdzą natomiast, że drobiny są elektryzowane fotojonizacją i porywane przez mass loading przez heliocentryczne pola elektryczne. Po długiej i uważnej analizie, autorzy konkludują:

Nanodrobiny składają się z jonów dodatnich (kationów) materiałów, zawierających jony metali o niskim potencjale jonizacji (Na⁺, K⁺) oraz materiałów obojętnych (Na, K, Li, Ca).
Jeżeli drobiny były pojedynczo elektryzowane, klaster pięciu molekuł oliwinu (Mg₂SiO₄) o średnicy 1,5 nm powinien wyjaśnić obserwację.
Podlegająca potwierdzeniu relacja jeden na jeden pomiędzy kłębami a bruzdami może wskazywać na obecność włóknistych pól elektrycznych w pobliżu warkocza komety.

Fakty te mają szczególne znaczenie, gdyż podobne struktury w komie i warkoczu zostały zaobserwowane w przypadku komety 1P/Halley w 1910 oraz 1986 roku, komety C/1995 01 Hale-Bopp, C/2006 P1 McNaught, oraz C/2001 V1 NEAT. W dodatku materiał z komety C/2011 L4 został z niej wyrzucony poza strefą sublimacji lodu, wynoszącą 5-6 j.a. Obserwacje te wyjaśniano w mało satysfakcjonujący sposób przy pomocy:

Uwolnienie utajonego ciepła z przejść amorficzno-krystalicznych lodu wodnego.

Sublimacja zamarzniętych super-ulotnych substancji.

Fragmentacja komety.

Oczywiście, pytaniem jest, co jest siłą napędową aktywności kometarnej na tak dużych odległościach heliocentrycznych. W moim opracowaniu teoretycznym, opartym na odzieraniu elektronów, siłą tą jest różnica potencjałów pomiędzy kometą a otaczającą ją otoczką plazmową. W epizodzie tym zobaczyliśmy dwa różne artykuły, raportujące ujemnie naładowane nanodrobiny, płynące od jądra komety ku Słońcu, oraz dodatnio naładowane nanodrobiny, płynące z komety w kierunku przeciwnym. Napotkaliśmy również raporty traktujące o zwiększenie wiązek elektronów w pobliżu jądra. Ogólnym wnioskiem z tych obserwacji jest różnicowanie się ładunków, a zatem różnica potencjałów, ilustrowana przez pola elektryczne przyspieszających naładowanych drobin. Jest tam dość napięcia elektrycznego do zjonizowania metali o niskim progu jonizacji, które znajdują się w strukturze minerałów i krzemianów, aby oddzielić i przyspieszyć elektrony.

Wynikiem są znacznie przyspieszone od jądra komety elektrony, które obserwujemy jako wiązki i strumienie jonów, powodujące wpływ elektronów na inne substancje lotne, głównie z powodu, że pola elektryczne, przyspieszające cząstki naładowane, są z natury włókniste. Teraz, gdy elektrony są przyspieszane od jądra, metale w strukturze stają się naładowane dodatnio i mniejsze rozmiarowo, co destabilizuje strukturę do poziomu zapadnięcia się, na skutek czego fragmentacja staje się dominującym mechanizmem. Ten proces odzierania elektronów może być źródłem zarówno elektronów jak i dodatnio naładowanych nanodrobin. W dodatku, następuje separacja ładunków w złożonym środowisku elektrycznym, na skutek połączenia z wymianą ładunków, należy się spodziewać również ujemnych drobin poruszających się ku Słońcu, jak poprzednio wzmiankowano.

Epizod 5: Wnioski z obserwacji cząsteczkowego tlenu na komecie 67P

W 5 epizodzie wprowadzam przegląd niedawnego artykułu Obfitość tlenu molekularnego w komie komety 67P/Churyumov-Gerasimenko autorstwa Bielera i innych, [13], w którym raportowano detekcję względnej ilości molekularnego tlenu. Obecność tlenu cząsteczkowego jest zaskoczeniem, gdyż nie jest przewidziana przez obecną i dominującą teorię kondensacyjno-sublimacyjną. List wysłany do magazynu Nature jest dobrze zaprezentowany a obserwacje wykonano bezpośrednią spektroskopią masy o dostatecznej rozdzielczości, np. podwójnie skupiającym spektrometrem z ROSINA. Poniżej znajdują się wyniki obserwacji:

Obecność cząsteczkowego tlenu w ilości 1 do 10% ze średnią 3,8% względem ilości wody.
Istnieje silna korelacja pomiędzy ilością względną wody a cząsteczkowego tlenu w komie komety 67P.
Stosunek ilości wody do cząsteczkowego tlenu nie zmieniała się jako funkcja odległości od Słońca oraz w okresie 7-miesięcznej obserwacji.
Cząsteczkowy tlen wykryto nawet w odległości zaledwie 10 km od jądra komety.

W tle tych obserwacji, autorzy przywołują serię dobrze przemyślanych mechanizmów, mających wyjaśnić pochodzenie tego tlenu i pary wodnej w ramach paradygmatu kondensacyjno-sublimacyjnego. Niestety, nie zaprezentowano żadnego wyjaśnienia spoza tego paradygmatu. Oto lista rozważonych mechanizmów:

Fotoliza - zdefiniowana jako ultrafioletowe fotony, zdolne do rozbijania wiązań molekularnych. Wyjaśnienie to nie jest satysfakcjonujące, gdyż, jak mówią sami autorzy, jednoczesne powstawanie wykrywanych O₂ na skutek radiolizy lub fotolizy wydaje się ogólnie rzecz biorąc nieprawdopodobne, i prowadziłoby do zmiennego stosunku cząstek ze względu na różne warunki nasłonecznienia. Innymi słowy, gdyby siłą napędową powstawania tlenu cząsteczkowego, wówczas stosunek tego tlenu do wody byłby zmienny, co jest niezgodne z danymi.
Radioliza - przewiduje powstawanie molekularnego tlenu na powierzchni jądra poprzez interakcję energetycznych cząstek słonecznych, których szczyt energii plasuje się w kilkudziesięciu MeV. Mechanizm ten byłby efektywny jedynie wewnątrz kilku mikrometrów powierzchni. Gdyby mechanizm ten miał miejsce, stosunek wody do tlenu z czasem malałby, gdyż powierzchniowa warstwa jądra ulegałaby erozji w miarę podążania komety po orbicie. Co więcej, z powodu tempa erozji, tempo produkcji tlenu również musiałoby być bardzo wysokie, aby pasowało do danych.
Pierwotny tlen cząsteczkowy - tlen cząsteczkowy miałby istnieć podczas formowania się Układu Słonecznego i występować w jądrze komety 67P. Mechanizm ten implikuje, że do powstania znacznych ilości O₂ potrzebne są wyższe temperatury, sugerując model akrecji Układu Słonecznego z niezwykle ciepłego obłoku molekularnego. W dodatku, model akrecyjny powstania Układu Słonecznego nie przewiduje wysokiego stosunku ilości tlenu molekularnego do wody, jaki zaobserwowano. Co więcej, akrecyjny model przewiduje obecność ozonu (O₃), którego nie zaobserwowano.
Radioliza przed akrecją Układu Słonecznego - O₂ produkowany byłby przez radiolizę w lodzie wodnym, który następnie zostałby uwięziony w obszarach pustki, i w jakiś sposób pozbawiony wodoru, co zapobiegłoby hydrogeneracji, ustabilizowałoby i powiększyło koncentracje O₂, które mogłoby wejść w skład jądra. Jest to mało prawdopodobny scenariusz, ze względu na wysoką reaktywność tlenu cząsteczkowego, oraz ze względu na brak ozonu, będącego wynikiem radiolizy O₂ (a który znaleziono między innymi na Ganimedesie).
Wytwarzanie O₂ in situ w komie - autorzy twierdzą, że koma jest cienka i tym samym może nie dostarczać wymaganej częstotliwości kolizji, aby można było przekroczyć wymaganą barierę aktywności, powiązaną z potrzebnymi reakcjami chemicznymi. Co za tym idzie, reakcje O + OH → O₂ + H pozostają nieosiągalne. Analiza ta utrzymuje się jedynie przy założeniu, że reakcje chemiczne napędzane są promieniowaniem elektromagnetycznym.
Długa radioliza po uformowaniu się Układu Słonecznego - produkcja O₂ z wody poprzez radiolizę daje H, O, oraz OH, a następnie H₂, HO₂ oraz H₂O₂. Tym niemniej przy bieżącym tempie erozji, kometa 67P wymagałaby dyfuzji substancjalnego O₂ do jądra z każdego następnego przejścia wokół Słońca, aby zapobiec jego wczesnemu wyczerpaniu. co więcej, galaktyczne promienie kosmiczne (H⁺) produkują tlen cząsteczkowy tylko w obrębie kilkudziesięciu metrów od powierzchni, skąd zdążyłby się już ulotnić.
Produkcja O₂ poprzez rozpryskiwanie wiatrem słonecznym - mechanizm ten nie jest potwierdzony poprzednimi faktami, które pokazują preferowanie przez niego północnej strony. Co więcej, północna strona nie zawiera lodu, z którego mógłby pochodzić cząsteczkowy tlen. W końcu, stosunek O₂ do H₂O nie zależy od szerokości geograficznej i pozostawał stały przez 7 miesięcy.
Wprowadzenie pierwotnego O₂ do jądra komety - Gazowy O₂ wchodzi w skład lodu wodnego pierwotnej mgławicy, która gwałtownie się schłodziła z ponad 100 K do mniej niż 30 K, więziąc cząsteczkowy tlen w lodzie wodnym. Ten ostatni mechanizm jest preferowany przez autorów. Można jednak wskazać, że mechanizm taki wymaga niezwykle wysokiej temperatury w młodych dyskach protoplanetarnych, które następnie schładzały się gwałtownie i selektywnie. Jest to możliwe, lecz trudne do osiągnięcia, jako, że nie ma podanej skali czasowej schładzania. Co więcej, drobiny bogate w O₂ miałyby połączyć się potem w większe ciała, a następnie wejść w skład jądra komety, wszystko to przy braku reakcji [chemicznych], chociaż wiemy, że O₂ jest raczej wysoko reaktywny.

Wybrane komentarze ze strony internetowej ESA ujawniają wpływ dokonanych odkryć:

Nie spodziewaliśmy się wykrycia O₂ na komecie - i to w takiej ilości - ze względu na jego wysoką reaktywność, było to więc zaskoczeniem. - powiedziała Kathrin Altweg z Uniwersytetu w Bren i główny badacz od instrumentu Rosetty, ROSINA.
Ilość cząsteczkowego tlenu wykazywała silne powiązanie z ilością wody w dowolnym czasie, sugerując powiązanie ich źródła na jądrze i mechanizmu powstawania. W przeciwieństwie do tego, ilość tlenu była słabo związana z ilością tlenku węgla i cząsteczkowego azotu, mimo, że maja one podobną ulotność, co O₂. Dodatkowo nie zarejestrowano ozonu powiedział Andre Bieler z Uniwersytetu w Michigan, oraz wiodący autor publikacji opisującej nowe wyniki w czasopiśmie Nature w tym tygodniu.
Andre Bieler mówi, że bieżące powstawanie O₂ również nie jest prawdopodobne, gdyż tempo powstawania powinno być zmienne w zależności od różnych warunków naświetlenia. Wydaje się natomiast, że tlen cząsteczkowy został jakoś wprowadzony w lód komety podczas jej formowania, i jest obecnie uwalniany wraz z parą wodną. Jedyny powód, dla którego odrzucono generowanie O₂ in situ, jest taki, że zakłada się fotony jako jedyną siłę napędową reakcji chemicznych w komie komety 67P.
Oczywiście, pod takimi warunkami zjawisko pozostaje tajemnicze. To intrygujące rezultaty, zarówno dla studiów nad kometami, jak i poza nimi, z możliwymi implikacjami dotyczącymi naszych modeli ewolucji Układu Słonecznego. Powiedział Matt Tylor, naukowiec projektu Rosetta.

Jasne jest, że korelacja pomiędzy ilościami O₂ a H₂O wskazuje na wspólne pochodzenie i mechanizm uwalniania. Pytanie brzmi: Jaki to mechanizm? Proponuję mechanizm jednoczesnego powstawania O₂ i H₂O, którego siła napędową jest różnica potencjałów, taki, jak metoda elektrochemiczna. Jest dużo dowodów na włókniste pola elektryczne, przyspieszające jony i elektrony w pobliżu jądra komety, prowadząc do rozdziału ładunków, jak wykazano w tej serii epizodów. Nazwałem ten mechanizm:

Elektrochemicznym tworzeniem O₂ i H₂O - w metodzie tej, molekuły O₂, O₂^-, OH, ^-OH oraz inne związki chemiczne uwalniane są do komy na skutek różnych procesów, jak odzieranie elektronów, wiatr słoneczny oraz ogrzewanie promieniami Słońca. W tym kontekście, O₂ może zaabsorbować ładunek ujemny na skutek wymiany ładunków, spowodowanej obecnością demonstrowanej już dużej gęstości elektronów w pobliżu jądra, po czym następuje przechwytywanie protonów z wiatru słonecznego. Następnie, przynajmniej na dwa sposoby, łączące formowanie się tlenu i wody, może powstać woda:

O₂ + H → H₂O
O₂^- + H⁺ → H₂O

W tym modelu teoretycznym, gdzie siłą napędową jest różnica potencjałów elektrycznych w pobliżu jądra, natychmiastowa reakcja powstawania O₂, uważana za niemożliwą, okazuje się wykonalna, gdy popatrzy się na to z punktu widzenia elektrochemicznego, jako, że reakcje mogą wtedy zachodzić bezpośrednio na skutek kolizji w fazie gazowej, lub za pośrednictwem katalizy krzemowej na powierzchni nanodrobin. W ogólnej perspektywie, napędzane napięciem elektrycznym reakcje chemiczne wyglądają obiecująco, gdyż mogą wyjaśnić powstawanie złożonych związków chemicznych, jak woda, alkohol, cukier [14], polimery cyjanków, aminokwasy i inne, bez termodynamicznych ograniczeń zderzeń w niskich temperaturach.

Literatura

Richter I. et al. Observation of a new type of low-frequency waves at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2015, Ann. Geophys., 33, 1036.
Nilsson H. et al. Evolution of the ion environment of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko: observations between 3.6 and 2.0 AU. 2015, Astronomy and Astrophysics, 583, A20.
Goldstein R. et al. The Rosetta Ion and Electron Sensor (IES) measurement of the development of pickup ions from comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2014, Geophys. Res. Lett., 2, 3093.
Broiles, T. W. et al. Rosetta observations of solar wind interaction with the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2015, Astronomy and Astrophysics, 583, A21.
Clark, G. Suprathermal electron environment of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko: Observations from the Rosetta Ion and Electron Sensor. 2015, Astronomy and Astrophysics, 583, A24.
Fulle, M. et al. Potassium detection and lithium depletion in comets C/2011 L4 (Panstarrs) and C/1965 S1 (Ikeya-Seki). 2013, Astrophysical J. Lett., 771, L21.
Wurz, P et al. Solar wind sputtering of dust on the surface of 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2015, Astronomy and Astrophysics, 583, A22.
Biver, N. et al. Distribution of water around the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko at 3.4 AU from the sun as seen by the MIRO instrument on Rosetta. 2015, Astronomy and Astrophysics, 583, A3.
De Sanctis, M. C. et al. The diurnal cycle of water ice on comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2015, Nature, 525, 500.
Gombosi, T. I. et al. Negatively charged nano-grains at 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2015, Astronomy and Astrophysics, 583, A23.
Feldman, P. D. et al. Measurements of the near-nucleus coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko with Alice far-ultraviolet spectrograph on Rosetta. 2015, Astronomy and Astrophysics, 583, A8.
Raouafi, N.-E. et al. Dynamics of high-velocity evanescent clumps [HVECs] emitted from comet C/2011 L4 as observed by STEREO. 2015, J. Geophysical Res. (Space Phys.) 120, 5329.
Bieler, A. et al. Abundant molecular oxygen in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2015, Nature, 526, 678.
Biver, N. et al. Ethyl alcohol and sugar in comet C/2014 Q2 (Lovejoy). 2015, Sci. Adv. 1, e1500863.

Dr Franklin Anariba jest obecnie lektorem na Uniwersytecie Technologii i Projektowania w Singapurze, gdzie naucza chemii oraz przeprowadza badania w dziedzinie elektrochemii i biosensingu dla zastosowań biomedycznych. Otrzymał stopień BA chemii od Uniwersytetu w Rutgers, tytuł magistra Chemii Analitycznej oraz doktora filozofii elektroniki molekularnej od Unowersytetu Stanu Ohio. Jego doświadczenie profesjonalne obejmuje posadę w Merck & Co, Centrum Nauki i Inżynierii Nanoskalowej (CNSE), oraz na Politechnice Stanowej Kalifornii (Cal Poly) w Stanach, w Instytucie Bioinżynierii i Nanotechnologii (IBN) oraz Nanyang Technological University (NTU) w Singapurze.

Powyższej publikacji można odsłuchać na Evidence for Electrical Comet Activity | Space News.

Idee wyrażane na Thunderblogs nie muszą odpowiadać spojrzeniu T-Bolts Group Inc lub The Thunderbolts Project^TM.

Przetłumaczono z: Evidence of Electrical Activity on Comet 67P: Towards an Electrochemical Framework for Cometary Phenomena

Przetłumaczył: Łukasz Buczyński

poniedziałek, 22 lutego 2016