[論文レビュー] Photodesorption of water ice: a molecular dynamics study

Stefan Andersson, E. F. van Dishoeck|ArXiv.org|Oct 10, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 61被引用数 120

ひとこと要約

本研究では、10 Kにおける水氷の紫外線誘発脱着を、恒星間条件を模擬して古典的分子動力学シミュレーションにより調査した。光誘起脱着量子収率は、上部2層の単層で最大となり、1つの吸収光子あたり2–3%であった。主にHおよびOH断片の脱着が寄与しており、完全なH₂O分子の脱着は1インシデント光子あたり約1.4×10⁻⁴であった。これは、天体物理学的モデルと整合的である。

ABSTRACT

Absorption of ultraviolet radiation by water ice coating interstellar grains can lead to dissociation and desorption of the ice molecules. These processes are thought to be important in the gas-grain chemistry in molecular clouds and protoplanetary disks, but very few quantitative studies exist. We compute the photodesorption efficiencies of amorphous water ice and elucidate the mechanisms by which desorption occurs. Classical molecular dynamics calculations were performed for a compact amorphous ice surface at 10 K thought to be representative of interstellar ice. Dissociation and desorption of H2O molecules in the top six monolayers are considered following absorption into the first excited electronic state with photons in the 1300-1500 Angstrom range. The trajectories of the H and OH photofragments are followed until they escape or become trapped in the ice. The probability for H2O desorption per absorbed UV photon is 0.5-1% in the top three monolayers, then decreases to 0.03% in the next two monolayers, and is negligible deeper into the ice. The main H2O removal mechanism in the top two monolayers is through separate desorption of H and OH fragments. Removal of H2O molecules from the ice, either as H2O itself or its products, has a total probability of 2-3% per absorbed UV photon in the top two monolayers. In the third monolayer the probability is about 1% and deeper into the ice the probability of photodesorption falling to insignificant numbers. The probability of any removal of H2O per incident photon is estimated to be 3.7x10^-4, with the probability for photodesorption of intact H2O molecules being 1.4x10^-4 per incident photon. When no desorption occurs, the H and OH products can travel up to 70 and 60 Angstroms inside or on top of the surface during which they can react with other species.

研究の動機と目的

• アモルファス水氷の紫外線照射下における恒星間温度での光誘起脱着効率を定量すること。
• 紫外線吸収後の主要な脱着機構—完全なH₂O分子か光分解生成物か—を特定すること。
• 特に分子雲および原始惑星系円盤における、光誘起脱着が恒星間氷化学に果たす役割を評価すること。
• 天体化学モデルに使用する物理的根拠に基づいた光誘起脱着収率の推定を提供すること。

提案手法

• 10 Kにおけるコンパクトなアモルファス氷表面を対象に、古典的分子動力学シミュレーションを実施した。
• 1300–1500 Åの範囲の紫外光子が、上部6単層内のH₂O分子の第一励起電子状態に吸収された。
• HおよびOH光分解生成物の軌道を、脱着または氷内での捕獲まで追跡した。
• 吸収光子1個あたりの脱着確率を、完全なH₂Oと断片の脱着に分けて計算した。
• 光分解生成物のエネルギー移動、再結合、表面拡散をシミュレーションに組み込んだ。
• 吸収と脱出を考慮した上で、1インシデント光子あたりの全光誘起脱着収率を推定するために結果を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上部数単層におけるアモルファス水氷の光誘起脱着収率は、吸収紫外光子1個あたりどの程度か？
• RQ2 主な脱着経路は、完全なH₂O分子か、HおよびOH断片か？
• RQ3 氷の深さに応じて脱着確率はどのように変化するか（表面から深部まで）？
• RQ4 光分解生成物（H、OH）は、捕獲されるまでにどの程度の移動性と反応性を示すか？
• RQ5 シミュレーション結果は、天体化学モデルで用いられる観測的・実験的収率とどの程度一致するか？

主な発見

• 上部3単層では、1つの吸収光子あたりH₂O脱着確率は0.5–1%であり、次の2層では0.03%に低下し、さらに深くなると無視できるほど小さくなる。
• 上部2単層では、H₂Oの完全な分子または断片のいずれかの脱着確率合計が、1つの吸収光子あたり2–3%であった。
• 完全なH₂O分子の光誘起脱着収率は、1インシデント光子あたり1.4×10⁻⁴であり、天体化学モデルで一般的に使用されている値と整合的である。
• 1インシデント光子あたりのH₂Oの全脱着確率（完全分子または断片）は、3.7×10⁻⁴と推定された。
• HおよびOH断片は、それぞれ氷内または表面で最大70 Åおよび60 Åの距離を移動した後、捕獲された。これにより、COなどの種と反応する可能性が生じる。
• H原子の脱着確率は、OHまたはH₂Oの脱着確率よりも約2–3桁高い。OHの脱着確率はH₂Oの脱着確率のおおよそ2倍であった。