[論文レビュー] Solar wind charge exchange in cometary atmospheres. I. Charge-changing and ionization cross sections for He and H particles in H$_2$O

Cyril Simon Wedlund, Dennis Bodewits+8 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Feb 13, 2019

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ひとこと要約

本研究では、太陽風エネルギー（100–800 km/s）および温度（10⁵–10⁶ K）をカバーする水蒸気と衝突するHおよびHeイオンの電荷変換およびイオン化断面積について、多項式フィットを提示する。典型的な太陽風速度におけるHe²⁺による単一および二重電子捕獲が支配的プロセスであることが特定され、コメットプラズマモデルに使用可能な二変数多項式によるマクスウェル平均断面積が提示されている。

ABSTRACT

Solar wind charge-changing reactions are of paramount importance to the physico-chemistry of the atmosphere of a comet, mass-loading the solar wind through an effective conversion of fast light solar wind ions into slow heavy cometary ions. To understand these processes and place them in the context of a solar wind plasma interacting with a neutral atmosphere, numerical or analytical models are necessary. Inputs of these models, such as collision cross sections and chemistry, are crucial. Book-keeping and fitting of experimentally measured charge-changing and ionization cross sections of hydrogen and helium particles in a water gas are discussed, with emphasis on the low-energy/low-velocity range that is characteristic of solar wind bulk speeds ($< 20$ keV u$^{-1}$/$2000$ km s$^{-1}$). We provide polynomial fits for cross sections of charge-changing and ionization reactions, and list the experimental needs for future studies. We calculated Maxwellian-averaged cross sections and fitted them with bivariate polynomials for solar wind temperatures ranging from $10^5$ to $10^6$ K ($12-130$ eV). Single- and double-electron captures by He$^{2+}$ dominate at typical solar wind speeds. Correspondingly, single-electron capture by H$^+$ and single-electron loss by H$^-$ dominate at these speeds, resulting in the production of energetic neutral atoms (ENAs). Ionization cross sections all peak at energies above $20$ keV and are expected to play a moderate role in the total ion production. The effect of solar wind Maxwellian temperatures is found to be maximum for cross sections peaking at higher energies, suggesting that local heating at shock structures in cometary and planetary environments may favor processes previously thought to be negligible.

研究の動機と目的

• コメット環境に関連するHおよびHeイオンがH₂O蒸気に衝突する際の、正確で実験的根拠に基づいた電荷変換およびイオン化断面積を提供すること。
• 数値的および解析的モデルへの応用を可能にするために、断面積のエネルギーおよび温度依存性を多項式フィットによりモデル化すること。
• 太陽風温度（10⁵–10⁶ K）の範囲でマクスウェル平均断面積の役割を定量化し、特にENA生成およびイオン化効率と関連して評価すること。
• 特にロゼッタミッションで67P/チュリウモフ＝ゲラシメンコに到着した際の太陽風とコメットの相互作用のイン・サイトモデル化を支援すること。
• 典型的な太陽風速度（100–800 km/s）における主要反応チャネルを特定すること、例えばHe²⁺の単一・二重電子捕獲およびH⁺の単一電子捕獲など。

提案手法

• H⁺、H⁻、He²⁺、He⁺がH₂O蒸気に衝突する際の実験的に測定された電荷変換およびイオン化断面積の収集と管理。
• 射出粒子エネルギーおよび太陽風温度を関数とする多項式フィット（最大次数(4,5)）による断面積の開発。
• 速度分布を用いて、太陽風温度範囲（10⁵–10⁶ K）におけるマクスウェル平均断面積の計算。
• 数値的および解析的モデルへの利用を可能にするために、得られた平均断面積を二変数多項式でフィット。
• 実験データおよびフィッティング手順からの不確実性を組み込み、誤差推定値を<25%、25–75%、>75%のいずれかとして報告。
• CDFFデータベースの使用および既存データセットとの照合により、入力データの完全性および正確性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コメット大気における典型的な太陽風速度（100–800 km/s）で、どの電荷交換およびイオン化プロセスが支配的か？
• RQ2 HおよびHeイオンがH₂Oと相互作用する際のマクスウェル平均断面積は、太陽風温度（10⁵–10⁶ K）とともにどのように変化するか？
• RQ3 67Pのコメット環境下で、He²⁺のH₂O中における単一および二重電子捕獲プロセスの相対的寄与はどの程度か？
• RQ4 HおよびHeのH₂O中におけるイオン化断面積はエネルギーとともにどのように変化し、異なる太陽風温度下での全イオン生成に果たす役割は何か？
• RQ5 衝撃構造内の局所的加熱が、かつては無視可能とされた高エネルギー断面積の重要性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 典型的な太陽風速度（100–800 km/s）におけるHe²⁺による単一および二重電子捕獲が、電荷交換プロセスを支配しており、コメット大気における質量負荷の主な要因である。
• H⁺では単一電子捕獲が支配的であり、H⁻では単一電子損失が主なプロセスであり、両者ともエネルギーを持つ中性原子（ENA）生成に顕著に寄与する。
• イオン化断面積は20 keVを超えるエネルギーでピークを示し、全イオン生成に対して中程度の役割を果たすと予想されるが、局所的加熱条件下ではその寄与が増加する。
• 太陽風のマクスウェル平均温度の影響は、高エネルギーでピークを示す断面積に対して最も顕著であり、コメット環境における衝撃加熱がかつて無視可能とされたプロセスの重要性を高める可能性を示唆している。
• 太陽風温度0.025×10⁶ Kから10×10⁶ Kの範囲で、マクスウェル平均断面積の二変数多項式フィットを提供しており、プラズマおよび電荷交換モデルへの統合を可能にしている。
• 本研究では、ロゼッタミッション期の67Pコメットのプラズマ環境をモデル化するために不可欠な、実験的根拠に基づいた包括的な断面積データセットとその不確実性を提供している。