[논문 리뷰] On water delivery in the inner solar nebula: Monte Carlo simulations of forsterite hydration

Martina D'Angelo, S. Cazaux외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 19.

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한 줄 요약

이 연구는 초기 태양계내 내부 태양운성에서 마그네시오르토사이트 입자 표면에 수증기 흡착을 몽테카를로 시뮬레이션으로 모델링하여, 500 K 이하의 온도에서 표면 수화가 효율적으로 일어날 수 있음을 보여주며, 수분 클러스터 형성과 표면 확산으로 인해 강화됨을 밝혀냈다. 결과적으로, 태양운성의 수명 동안 수화된 흙입자 응집을 통한 필로실리케이트 형성은 가능하며, 이 과정을 통해 최대 10 Earth oceans의 물이 지구로 공급될 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 태양운성 내 마그네시오르토사이트 표면에서 수증기 흡착의 열역학적 및 동역학적 특성을 조사하기 위해.
• 유성행성원반 내에서 실리케이트 입자 표면의 효율적 수화가 일어날 수 있는 반경 및 온도 조건을 규명하기 위해.
• 수분 클러스터 형성과 표면 확산이 수분 피복도를 증가시키고 반응 시간을 단축시키는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 수화된 0.1 µm 입자들이 응집되어 소행성으로 형성될 때 지구로 공급될 수 있는 총 물의 양을 추정하기 위해.
• 입자 성장 및 크기 분포가 물 보유 및 필로실리케이트 형성 효율에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 프로디모(ProDiMo) 코드를 사용하여 태양운성의 초기 단계에서 3개의 진화 단계를 모델링하고, 태양에서 1 AU 이내의 온도, 압력 및 H₂O 수증기 농도 프로파일을 추출하였다.
• 마그네시오르토사이트 [100] 결정면에 대한 흡착 에너지를 반영한 표면 조건을 기반으로 몽테카를로 시뮬레이션을 적용하여 수증기의 연속적 흡착을 모델링하였다.
• 다양한 온도 및 수증기 밀도 조건에서 흡착 속도, 표면 피복도, 클러스터 형성 및 물 분자 간의 수평 확산을 추적하였다.
• 초기에는 부피 확산 없이 표면 반응에 국한된 모델을 가정하여 필로실리케이트 형성 속도의 보수적인 하한선을 제공하였다.
• 마그네시오르토사이트 수화 반응이 브루시트와 세르페린으로 이르는 스토이키오메트릭 반응식을 사용하여 최소한의 필로실리케이트 표면 농도를 추정하였다.
• 입자 크기, 표면 위치 점령도 및 질량 보존 기반으로 입자 표면에 흡착된 물의 비율을 계산하였으며, 입자 크기 분포에 대한 민감도 분석도 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 태양운성에서 마그네시오르토사이트 표면 수화가 완전 피복에 도달할 수 있는 온도 및 수증기 농도 조건은 무엇인가?
• RQ2 고온 및 낮은 수증기 농도 조건에서 수분 클러스터 형성이 표면 피복도 및 안정성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 흡착된 물 분자들의 표면 확산이 평형 상태에 도달하는 데 소요되는 시간을 얼마나 단축시키는가?
• RQ4 수화된 0.1 µm 먼지 입자들이 응집될 경우 지구로 공급될 수 있는 최대 물의 양은 얼마인가?
• RQ5 단일 크기의 입자와 비교할 때 입자 성장 및 크기 분포가 물 보유 및 필로실리케이트 형성 효율에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 마그네시오르토사이트 표면의 완전한 피복은 300 K에서 500 K 사이의 온도에서 이루어지며, 충분한 수증기 밀도 조건이 확보될 경우 완전한 수화가 달성된다.
• 600 K 이상의 온도에서는 표면 피복도가 30% 이하로 감소하지만, 수분 클러스터 형성이 흡착 효율을 크게 향상시켜 낮은 수증기 농도 조건에서도 안정적인 수화가 가능하게 한다.
• 흡착된 물 분자들의 표면 확산은 단순 충돌 이론 모델 대비 평형 상태에 도달하는 데 소요되는 시간을 3개의 지수 차수만큼 감소시킨다.
• 모델은 수화된 0.1 µm 입자들이 응집되어 소행성으로 형성될 경우 이상적인 조건에서 최대 10 Earth oceans의 물이 공급될 수 있다고 예측한다.
• 먼저 건조한 환경에서 입자 성장이 일어나고 나중에 수증기로 처리되는 경우, 물 공급 잠재력은 두 개의 지수 차수만큼 감소한다.
• 입자 표면에 흡착된 물의 최하한 비율은 약 10⁻⁵이며, 균일한 0.1 µm 입자에서는 약 10⁻³까지 상승하여 입자 크기 분포에 매우 민감한 의존성을 보인다.