[论文解读] 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

Astro and Planetary Science参考文献 77被引用 12

一句话总结

本研究利用蒙特卡洛模拟模拟了太阳系内盘中橄榄石颗粒上的水汽吸附过程，表明在500 K以下的温度下，表面水合反应可高效发生，且受水团簇形成和表面扩散的促进。结果表明，通过星云凝结形成层状硅酸盐在太阳星云时间尺度内是可行的，可能通过水合尘埃颗粒的聚集过程向地球输送多达10个地球海洋的水量。

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.

研究动机与目标

• 研究早期太阳星云中橄榄石表面水汽吸附的热力学与动力学特性。
• 确定原行星盘中可实现硅酸盐颗粒高效水合的径向与热力条件。
• 评估水团簇形成与表面扩散在提升水覆盖度及缩短反应时间尺度方面的作用。
• 估算通过水合0.1 µm颗粒聚集成星子向地球输送的总水量。
• 评估颗粒生长与粒径分布对水保留效率与层状硅酸盐形成效率的影响。

提出的方法

• 使用ProDiMo代码模拟了早期太阳星云在三个演化阶段的热化学结构，提取了距离原太阳1 au以内的温度、压力与H₂O蒸气丰度分布曲线。
• 应用蒙特卡洛模拟，基于表面代表性吸附能，模拟水在橄榄石[100]晶面的关联吸附过程。
• 模拟追踪了在不同温度与水汽密度条件下，吸附速率、表面覆盖率、团簇形成及物理吸附水分子的横向扩散行为。
• 模型假设反应受表面限制，初始无体相扩散，从而为层状硅酸盐形成速率提供保守的下限估计。
• 采用橄榄石水合生成水镁石与蛇纹石的化学计量反应，估算最小层状硅酸盐表面密度。
• 基于颗粒尺寸、表面位点占据率与质量平衡计算颗粒上的水分数，并评估粒径分布的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳系内盘中，橄榄石表面通过水汽实现完全覆盖的温度与水汽密度条件是什么？
• RQ2 在高温与低水汽密度条件下，水团簇形成如何影响表面覆盖率与稳定性？
• RQ3 物理吸附水分子的表面扩散在多大程度上缩短了达到稳态水合所需的时间？
• RQ4 通过水合0.1 µm尘埃颗粒聚集成星子，最多可向地球输送多少水量？
• RQ5 与单一阵列颗粒相比，颗粒生长与粒径分布如何影响水保留效率与层状硅酸盐形成效率？

主要发现

• 在300 K至500 K的温度范围内，橄榄石表面可实现完全水合，当水汽密度足够时可达到完全覆盖。
• 在600 K以上温度下，表面覆盖率降至30%以下，但水团簇形成显著提升了吸附效率，使在低水汽密度下仍能实现稳定水合。
• 物理吸附水分子的表面扩散将达到稳态水合的时间尺度缩短了三个数量级，相比简单碰撞理论模型。
• 模型预测，水合0.1 µm颗粒的聚集成星子可向星子输送多达10个地球海洋的水量，假设条件理想。
• 若颗粒首先在干燥环境中生长，随后再被水汽处理，则水输送潜力将降低两个数量级。
• 颗粒表面吸附水分数的下限约为10⁻⁵，对于均匀0.1 µm颗粒则上升至约10⁻³，表明其对粒径分布具有强烈依赖性。