Скорость образования отрицательных ионов углерода в кометах

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2010, том 53, №10_________________________________

АСТРОФИЗИКА

УДК 523.6

Ш.Ш.Шоёкубов

СКОРОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ УГЛЕРОДА В КОМЕТАХ

Институт астрофизики АН Республики Таджикистан

В этой работе экспериментально-аналитическим методом вычислена скорость формирования отрицательных атомарных и молекулярных ионов углерода при бомбардировке поверхностного слоя ядра кометы заряженными солнечными частицами (солнечными протонами). Для вычисления скорости образования отрицательных ионов были использованы экспериментально полученные коэффициенты ионно-ионной отрицательной эмиссии при бомбардировке поверхности льда из смеси Н2О+СО2 ионами Na+, K+, Rb+, Cs+ и Ar+.

Ключевые слова: космический корабль Джотто - комета Галлей - отрицательные ионы - космическое зондирование - конгломерат кометных льдов - метод пропорциональности - масс-спектр.

В работах О.В.Добровольского, Н.М.Хашимова и Х.И.Ибадинова (1981), исходя из наиболее вероятного состава кометных веществ и условий воздействия корпускулярного потока Солнца на кометные вещества, было показано, что в приповерхностном слое ядра кометы и вблизи ледяных зерен и пылевых частиц ее атмосферы должно находиться заметное количество отрицательных ионов [1, 2].

В марте 1986 г. корабль Джотто на расстоянии около 2300 км от ядра кометы Галлея зарегистрировал отрицательно заряженные ионы в комах кометы. Ионы наблюдались в трех диапазонах массы: на 7-19, 22-65 и 85-110 а.е.м., идущие с плотностью > 1,~5x10-2 и ~4x10-2 см-3, соответственно. Эти пики принадлежали отрицательным ионам O- , OH- С- CH- CN- и более тяжелым группам CHO молекулярным ионам [3]. Также К.И.Чурюмову удалось наблюдать отрицательные ионы молекулярного углерода С2 в комете 1990 VI [4].

Данные об отрицательных ионах, полученные космической миссией Джотта и наземными наблюдателями, имеют огромное значение в качественном плане. В количественном отношении эти данные не отражают истиной картины. Отрицательные ионы легко разрушаются солнечным излучением, хотя эффективный механизм такого явления до сих пор не известен [5]. Наземным наблюдателям не удается сделать количественные оценки отрицательных ионов в кометах. Такие численные данные об отрицательных ионах на поверхности ядра кометы, как скорость образования, плотность, скорость накопления, скорость рекомбинация и т. п., можно получить путем космического зондирования поверхности ядра или лабораторно-аналитическим методом.

Адрес для корреспонденции: Шоёкубов Шоаюб Шосиддикович. 7340042, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Бухоро, 22, Институт астрофизики АН РТ. E-mail: shoayub@shohrukh.com

Изобилие атомарного и молекулярного углерода (С, С2, С3) в атмосфере и темная поверхность ядра указывают на наличие тугоплавкого углерода в составе льда ядра, которое образовалось в результате бомбардировки поверхности ядра кометы корпускулярными частицами солнечного ветра, а также полученные данные подтвердили реальность модели ядра, состоящей из конгломератов льда и тугоплавких примесей [6, 7].

Если скорость образований и плотностей отрицательных ионов углерода достаточно велика, они могут играть, наряду с положительными ионами, важную роль в таких физических процессах, как потемнение поверхности короткопериодических комет, обеспечение переноса излучения или перезарядки вплоть до механизма образования взрыва кометы при вхождении ее в толстые слои атмосферы Земли.

Данная работа посвящена вычислениям скорости формирования отрицательных ионов атомарного и молекулярного углерода на поверхностном слое ядра кометы под воздействием корпускулярного потока солнечного ветра. Для вычисления скорости образования атомарных и молекулярных отрицательных ионов был использован метод пропорциональности спектральных линий при бомбардировке положительными ионами, имеющими разные массовые числа, с учетом закономерности коэффициента эмиссии вторичных отрицательных ионов для определенной энергии бомбардирующих ионов. Ранее этот метод был использован для вычисления положительных ионов углерода С+, С2+, С3+, и С4+; подробная методика приведена в работе [8].

Для вычисления скорости формирования отрицательных атомарных и молекулярных ионов углерода на поверхностном слое ядра кометы под воздействием корпускулярного потока солнечного ветра были использованы коэффициенты ионной эмиссии, измеренные с поверхности подложки эмитируемого кометного льда из смеси Н2О и СО2. Бомбардировка проводилась потоком заряженных частиц, положительными ионами ^+, Ar+, К", КЬ+ и Сs+ (модель солнечного ветра) энергией в 1.5 КэВ. После длительного облучения этими ионами в токе вторичных ионов появляются тугоплавкие отрицательно-заряженные ионы углерода, и с ростом дозы энергии облучения линейно растет количество этих ионов [9,10]. Измерения интегральных коэффициентов отрицательно-ионной эмиссии с поверхности льда Н20+C02 с энергией 1.5 КэВ при физических условиях, где Т = 80К, Р = 3х10-6 Ра, и доза облучения = 5х1014 ион/м2, проводились безинерционным методом двойной модуляцией. Коэффициент вторичной ионно-ионной отрицательной эмиссии для энергии 1.5 КэВ зависит только от массы этих атомов.

Таблица 1

Коэффициенты отрицательно-ионной эмиссии с поверхности льда Н2О + С02 с энергией 1.5 КэВ

Бомбардирующие ионы №+ К+ Аг+ ЯЪ+ Сє+

Коэффициент эмиссии к 0.15 0.20 0.21 0.29 0.37

а.е.м. 23 39 40 85 133

Среднее значение коэффициента пропорциональности для отрицательно-ионной эмиссии при бомбардировке ионами Лг+, К+, ЯЬ+ и С8+ с энергией 1.5 КэВ поверхности льда из смеси

Н2О+СО2 составляет к=0.0318.

В табл. 2 показана доля отдельных отрицательных ионов С-, С-2, С-з, и С-4, полученных в результате бомбардировки ионами Ыа+, Лг+, К+, ЯЬ+ и Сs+ с энергией 1.5 КэВ во вторичном ионном токе. Доли вторичных одноименных ионов углерода в общем спектре, независимо от массы бомбардирующих ионов, почти одинаковы и почти пропорционально равны. Максимальный пик наблюдается для отрицательных молекулярных ионов С-2.

Таблица 2

Доля вторичных отрицательных ионов углерода в масс-спектрах, распыленных с поверхности Н2О+СО2 ионами ^+, Ar+, К", КЬ+ и Сs+ с энергией 1.5 КэВ

Вторичные ионы Первичные ионы С

12.7 13.45 6.70 1.41

Ar+ 13.0 13.80 6.89 1.49

К" 12.5 13.57 6.85 1.41

кь+ 12.3 13.42 6.75 1.47

Cs+ 12.1 13.51 6.81 1.42

Как известно, первичный поток положительных ионов водорода (протонов солнечного ветра), бомбардирующий поверхность ледяного ядра кометы, составляет N = пУ = 2х107 протон/м3х5х105м/с =1х1013протон/м2с. Плотность тока бомбардирующих частиц 18 = N / |-6.2х1018| электрон/с = 1.6х10-6 А м-2; соответственно, ток вторичной эмиссии для солнечного одноатомного водородного протона с коэффициентом к = 0.0318 составит: 1вт = к 18 = 0.0318 х 1.6х10-6А м-2 = 0.05х10-6А м-2.

Учитывая соотношение доли отрицательных ионов углерода в масс-спектре, подсчитаем плотность соответствующих вторичных ионных токов углерода в случае бомбардировки солнечными протонами в А м-2:

1вТС =6.2 х 10-9,

1втС2 = 6.7 х 10-9,

1втСз = 3.4 х 10-9,

1втС4 = 0.7 х 10-9.

Вторичные потоки для соответствующих ионов будут:

NC- = 1втС- х 6.2х1018ион с-1 =

= 38.44х109 ион м-2с-1.

NC-2 = 1втС2 х 6.2х1018ион с-1 =

=41.54х109 ион м-2с-1.

NC-3 = 1втС3 х 6.2х1018ион с-1 =

=21.08х109 ион м-2с-1.

NC-4 = 1втС4 х 6.2х1018ион с-1 =

= 4.34х109 ион м-2с-1.

Находим массу отдельных ионов, которые образуются в результате бомбардировки 1 м2 поверхности ледяного ядра кометы за 1 с.

Ш.с=12 г/мольх6.4х10-14моль м"2с"1=

=76.8х10"14гм"2с-1.

Шо2 =24 г/мольх6.91х10-14моль м"2с_1=

=166х10"14гм"2с-1.

Шсз =36 г/мольх3.56х10-14моль м"2с_1=

=126.48 х10"14гм"2с-1.

Шс4 =48 г/мольх0.73х10-14моль м"2с_1=

=35.44x10"14гм"2с-1.

Суммарная скорость образуемых отрицательных ионов углерода и их масса, которые появляется в результате воздействия корпускулярных частиц солнечного ветра на поверхности ядра кометы, составят:

^общ = 10.54х109 ион м"2с-1;

Ешобщ = 0.4х10-11 гм"2с-1.

Скорость и количество отрицательных ионов углерода, формируемых на поверхностном и в приповерхностном слоях ядра кометы под воздействием корпускулярных частиц солнечного ветра, по сравнению с одноименными положительными ионами [9] в два раза больше. Именно изобилие отрицательных молекулярных ионов С2 позволяет некоторым наземным наблюдателям зарегистрировать их [5].

Образование и накопление этих ионов, безусловно, обеспечит вековое падение блеска короткопериодических комет. Мы предполагаем, что накопление разноименных ионов и их рекомбинация обеспечивает свечение комет на больших гелиоцентрических расстояниях.

Поступило 11.08.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Добровольский О.В., Хашимов Н.М., Ибадинов Х.И. - ДАН ТаджССР, 1981, т. 24, № 9, с.543-546.

2. Dobrovolsky O.V., Hashimov N.M., Ibadinov Kh.I., Tarakanov V.L. - Cometary exploration. - Budapest, Hungary, 1982, рр. 235-242.

3. Chaizy H. Reme J.A. Sauvaud, et al. - Nature, 31 January 1991, v. 349, pp. 393-396.

4. Чурюмов К.И. Эволюционные физические процессы в кометах: Автореф. дисс... д.физ.-мат. наук. - ИКИ, РАН, 1992, 104 с.

5. Wekhof, A. - Moon Planets, 1981, v.24, pр. 157-173.

6. Krasnopolsky V.A., Gogoshev M., Moreels G. et al. - Nature, 1986, v. 321, № 6067, pp. 269-270.

7. Krankovsky D., Lammerzahl P., Herrwerth I. et al. - Nature, 1986, v. 321, № 6067, рр. 326-329.

8. Шоёкубов Ш.Ш, Хашимов Н.М. - ДАН РТ, 2008, т. 57, № 1, с. 24-27.

9. Хашимов Н.М, Ибадинов Х.И., Шоёкубов Ш.Ш. - ДАН РТ, 1994, т.37, №1, с.16-19

10. Хашимов Н.М., Шоёкубов Ш.Ш. - ДАН ТаджССР, 1989, т.32, №1, с. 22-25.

Ш.Ш.Шоёкубов

СУРЪАТИ БАВУЧ,УДОИИ ИОЩОИ КАРБОН ДАР КОМЕТА^О

Институти астрофизикаи Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон

Дар макола бо истифодабарии коэффисиентх,ои эммисияи ионх,ои мусбии металх,ои ишкории Na+, K+, Rb+, Cs+ ва гази инертии Ar+ суръати бавучудоии ионх,ои манфии карбонро, ки дар натичаи бомбабороншавии сатх,и яхии ядрои кометах,о бо сели заррачах,ои зарядноки (протонх,ои гидроген) шамоли офтобй ба вучуд меоянд, хдсоб карда шудааст.

Калима^ои калиди: киштии кайуонии Цотто - кометаи Галлей - ионуои манфи - тауцици зондии кащонй - конгломерати яхуои кометави - усули муттаносуби - масс-спектр.

Sh.Sh.Shoyokubov

NEGATIVE CARBON IONS FORMATION RATE IN COMETS

Institute of Astrophysics, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan

Negative carbon ions formation rate during bombarding of cometary ice surface by charged solar particles (hydrogen protons) is calculated in this work. Experimentally obtained Na+, K+, Rb+, Cs+ and Ar+ negative ions emission coefficients are used to accomplish this task.

Key words: Gootto spacecraft - comet Halley - negative ions - space sensing - conglomerate cometary ice -method of proportionality - mass-specter.