[論文レビュー] On water delivery in the inner solar nebula: Monte Carlo simulations of forsterite hydration

Martina D'Angelo, S. Cazaux+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2018

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ひとこと要約

本研究では、モンテカルロシミュレーションを用いて、原始太陽系ネビュラ内のファーストライト結晶粒における水蒸気の吸着をモデル化し、500 K未満の温度で表面の水酸化が効率的に進行すること、水クラスターの形成と表面拡散によって促進されることを示した。結果から、原始太陽系ネビュラの時間スケール内でネビュラ凝縮によってスレイトシリケートが形成可能であり、水酸化したダスト粒子の凝集によって最大で10地球海洋分の水が供給可能であると示唆された。

ABSTRACT

Endogenous or exogenous, dry or wet, various scenarios have been so far depicted for the origin of water on our Solar Systems rocky bodies. Hydrated silicates found in meteorites and in interplanetary dust particles together with observations of abundant water reservoirs in the habitable zone of protoplanetary disks are evidences that support aqueous alteration of silicate dust grains by water vapor condensation in a nebular setting. We investigate the thermodynamics (temperature and pressure dependencies) and kinetics (adsorption rates and energies, surface diffusion and cluster formation) of water adsorption on surfaces of forsterite grains. (abbreviated) The protoplanetary disk model (ProDiMo) code is tuned to simulate the thermochemical disk structure of the early solar nebula at three evolutionary stages. Pressure, temperature and water vapor abundance within 1 au from the protosun were extracted and used as input for a Monte Carlo code to model water associative adsorption using adsorption energies that resemble the forsterite [100] crystal lattice. Hydration of forsterite surfaces by water vapor adsorption could have occurred within the nebula lifetime already at a density of 1e8 cm-3, with increasing surface coverage for higher water vapor densities. Full surface coverage is attained for temperatures lower than 500 K, while for hotter grain surfaces water cluster formation plays a crucial role. (abbreviated) This work shows that water cluster formation enhances the water surface coverage and enables a stable water layer to form at high temperature and low water vapor density conditions. Finally, surface diffusion of physisorbed water molecules shortens the timescale for reaching steady state, enabling phyllosilicate formation within the solar nebula timescale.

研究の動機と目的

• 原始太陽系ネビュラにおけるファーストライト表面での水蒸気吸着の熱力学的および動力学的挙動を調査すること。
• 効率的なケイ酸塩粒子の水酸化が進行する可能性がある、原始惑星円盤内の径方向および熱的条件を特定すること。
• 水クラスターの形成と表面拡散が、水被覆率の向上および反応時間スケールの短縮に果たす役割を評価すること。
• 水酸化0.1 µm粒子の凝集によって地球に供給可能な水の総量を推定すること。
• 粒子成長および粒子サイズ分布が、水の保持効率およびスレイトシリケート形成効率に与える影響を評価すること。

提案手法

• プロディモコードを用いて、原始太陽の1 AU圏内における初期太陽系ネビュラの熱化学的構造を、3つの進化段階でモデル化し、温度、圧力、およびH₂O蒸気濃度のプロファイルを抽出した。
• ファーストライト[100]結晶格子表面における水の付加的吸着をモデル化するため、モンテカルロシミュレーションを適用した。
• シミュレーションでは、温度および水蒸気密度の異なる条件下で、吸着速度、表面被覆率、クラスター形成、および物理的吸着された水分子の横方向拡散を追跡した。
• 初期段階では体積拡散を無視し、表面反応に限定したモデルを採用した。これにより、スレイトシリケート形成速度の下限を保守的に見積もった。
• ファーストライトの水酸化反応（ブリューシュートおよびスベルティンに変換）を化学计量的に用いて、最小のスレイトシリケート表面密度を推定した。
• 粒子サイズ、表面サイトの占有状態、質量バランスに基づき、粒子上の水分率を計算した。粒子サイズ分布への感受性も評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始太陽系ネビュラ内において、ファーストライト表面の水蒸気による水酸化が完全被覆に達するには、どのような温度および水蒸気密度条件下にあればよいか？
• RQ2 高温および低水蒸気密度条件下で、水クラスターの形成が表面被覆率および安定性に与える影響は何か？
• RQ3 物理的吸着された水分子の表面拡散が、定常状態の水酸化に達するまでの時間スケールをどの程度短縮するか？
• RQ4 水酸化0.1 µmダスト粒子の凝集によって、地球に供給可能な最大の水の量は何か？
• RQ5 粒子成長およびサイズ分布が、均一な粒子サイズと比較して、水の保持効率およびスレイトシリケート形成効率に与える影響は何か？

主な発見

• ファーストライト表面の完全被覆は、300 K〜500 Kの温度範囲で達成され、十分な水蒸気密度が存在する条件下で完全な水酸化が実現する。
• 600 K以上の高温では表面被覆率が30%未満に低下するが、水クラスターの形成により吸着効率が著しく向上し、低水蒸気密度下でも安定した水酸化が可能になる。
• 物理的吸着された水分子の表面拡散により、単純な衝突理論モデルと比較して、定常状態への到達時間スケールが3桁短縮される。
• モデルでは、理想的な条件下で水酸化0.1 µm粒子の凝集が、最大で10地球海洋分の水を小惑星に供給可能であると予測した。
• 乾燥環境下で最初に粒子成長が進行し、その後に水蒸気が粒子を処理する場合、水供給可能性は2桁低下する。
• 粒子表面に吸着される水分率の下限は約10⁻⁵であり、均一に0.1 µmの粒子では約10⁻³に上昇する。これは粒子サイズ分布に強く依存していることを示している。