[논문 리뷰] Photodesorption of water ice: a molecular dynamics study

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

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 61인용 수 120

한 줄 요약

이 연구는 10 K에서 우주적 조건을 모의하기 위해 고전적 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 얼음 위성에서 자외선 유도 광탈착을 연구한다. 결과적으로 광탈착 수율은 상층 2개의 단일층에서 가장 높으며, 1개의 흡수된 광자당 2–3%에 이르며, 주로 H 및 OH 조각의 탈착에 기인한다. 완전한 H₂O 분자의 탈착 확률은 입사 광자당 약 1.4×10⁻⁴로, 천체화학 모델과 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비정질 물 얼음의 자외선 조사에 따른 광탈착 효율을 정량화하는 것.
• 자외선 흡수 후 우세한 탈착 메커니즘—완전한 H₂O 분자인지 또는 광분해 조각인지 파악하는 것.
• 광탈착이 분자의 성운 및 태양계 형성 원반에서의 은하계 얼음 화학에 미치는 역할을 평가하는 것.
• 천체화학 모델에 사용하기 위한 물리적으로 기반을 둔 광탈착 수율 추정치를 제공하는 것.

제안 방법

• 10 K에서의 조밀한 비정질 얼음 표면에 대해 고전적 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 1300–1500 Å 범위의 자외선 광자는 상층 6개 단일층 내의 H₂O 분자의 첫 번째(excited) 전자 상태에 흡수되었다.
• 탈착된 H 및 OH 광분해 조각의 궤적을 얼음 내부에 갇히거나 탈출할 때까지 추적하였다.
• 흡수된 광자당 탈착 확률을 계산하였으며, 완전한 H₂O와 조각 탈착을 구분하였다.
• 광분해 조각의 에너지 전달, 재결합 및 표면 확산을 고려한 시뮬레이션을 수행하였다.
• 흡수 및 탈출을 고려하여 입사 광자당 총 광탈착 수율을 추정하기 위해 결과를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상층 몇 개의 단일층에서 흡수된 자외선 광자당 비정질 물 얼음의 광탈착 수율은 얼마인가?
• RQ2 우세한 탈착 경로는 완전한 H₂O 분자인지, H 및 OH 조각인지?
• RQ3 얼음의 깊이에 따라 탈착 확률은 표면에서부터 깊은 층으로 갈수록 어떻게 변화하는가?
• RQ4 광분해 조각(H, OH)이 갇히기 전까지 얼마나 오랫동안 이동 가능하고 반응성이 있는가?
• RQ5 시뮬레이션 결과는 천체화학 모델에서 사용되는 관측 및 실험 수율과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 흡수된 자외선 광자당 H₂O 탈착 확률은 상층 3개 단일층에서 0.5–1%이며, 다음 2개 단일층에서는 0.03%로 감소하고 깊이로 갈수록 무시할 수 없게 된다.
• 상층 2개 단일층에서 완전한 H₂O 또는 조각 탈착의 총 확률은 흡수된 광자당 2–3%이다.
• 완전한 H₂O 분자에 대한 광탈착 수율은 입사 광자당 1.4×10⁻⁴이며, 일반적으로 천체화학 모델에서 사용되는 값과 일치한다.
• 입사 광자당 어떤 H₂O 제거(완전한 분자 또는 조각)의 총 확률은 약 3.7×10⁻⁴로 추정된다.
• H 및 OH 조각은 각각 얼음 내부 또는 표면에서 최대 70 Å, 60 Å까지 이동한 후 갇히며, CO와 같은 종과의 반응 가능성을 제공한다.
• H 원자의 탈착 확률은 OH 또는 H₂O 탈착보다 약 2–3개 주기만큼 더 높으며, OH 탈착 확률은 H₂O 탈착 확률의 약 두 배이다.