In Situ Measurements of the Size and Density of Titan Aerosol Analogues
土卫六大气中复杂的甲烷/氮气化学反应产生的有机烟雾在大气及其表面发生的过程中起着重要作用。薄雾粒子充当凝结核,因此参与土卫六的甲烷水文循环。它们也可能像土卫六表面的沉积物一样,参与河流和风成过程。试图理解这些过程的模型需要关于颗粒的物理性质的信息,包括它们的大小和密度。虽然卡西尼-惠更斯号的测量结果限制了霾粒子的大小,但它们的密度仍然未知。我们已经进行了一系列的土卫六大气模拟实验和测量的大小,数密度,和土卫六气溶胶类似物,或托林,从0.01%到10%的CH 4浓度的颗粒密度,使用两种不同的能源,火花放电和UV。我们发现,目前许多泰坦模型使用的密度高于我们的托林的测量密度。
2013-05-09 astro-ph.EP
Direct Measurement of Interparticle Forces of Titan Aerosol Analogs ("Tholin") Using Atomic Force Microscopy
要了解土卫六上沙丘的起源,重要的是要调查土卫六上有机沙粒的物质特性。由于粒子间力的差异,有机砂与类地行星(地球、金星、火星)上的石英/玄武岩砂相比可能表现得截然不同。我们测量了泰坦气溶胶模拟物(托林)的表面能(通过接触角测量)和弹性模量(通过原子力显微镜,AFM)。我们发现,托林薄膜的表面能约为70.9 mN/m,弹性模量约为3.0 GPa(与PMMA和聚苯乙烯等硬聚合物相似)。因此,对于两个直径为20 $μ$ m的颗粒,理论内聚力为3.3 $μ$ N。我们直接测量了相关材料的颗粒间力:托林颗粒为0.8 $\pm$ 0.6 $μ$ N,而核桃壳颗粒(泰坦风洞,TWT的典型模型材料)之间的颗粒间内聚力仅为0.4 $\pm$ 0.1 $μ$ N。托林和土卫六沙粒的颗粒间凝聚力比行波管中使用的材料大得多。这表明我们应该在模拟实验(TWT)和阈值模型中增加粒子间力,以正确地将结果转化为真实的泰坦条件。托林的强凝聚力也可能告诉我们土卫六大气中的小气溶胶颗粒($\sim$ 1 $μ$ m)是如何转化为大沙粒($\sim$ 200 $μ$ m)的。它也可能支持Rubin和Hesp(2009)提出的粘性砂形成机制,其中只需要单向风就可以在土卫六上形成线性沙丘。
2017-10-18 astro-ph.EP
Detection opportunity for aromatic signature in Titan s aerosols in the 4.1 to 5.3 micron range
卡西尼/惠更斯飞行任务提供了关于土卫六上层大气化学的新见解。卡西尼号在高空探测到的大分子和离子(大于100 amu)的存在是没有预料到的,并质疑了关于气溶胶形成途径的原始假设。从最近的实验室研究,它已被证明,包括微量的芳香族物质极大地影响气溶胶形成的化学和诱导气溶胶的性质的可观察到的变化。在目前的工作中,我们专注于最简单的含氮芳香族化合物,吡啶(C5 H5 N),土卫六的气溶胶类似物的红外特征的影响。我们在冷等离子体放电中引入初始气体混合物:(i)N_2-C_5H_5N(100%/250 ppm),(ii)N_2-CH_4-C_5H_5N(99%/1%/250 ppm),(iii)N_2-CH_4(99%/1%)。然后通过中红外光谱分析所产生的材料,本文称为托林。当在放电中加入吡啶时,所产生的托林在4.1-5.3微米(1850-2450 cm-1)光谱区域中呈现芳香族特征,这归因于芳香族C-H面外弯曲振动的泛音。我们还观察到的腈和异腈吸收带的光谱位移与包括在气体混合物中的吡啶。这些结果有助于研究卡西尼/VIMS仪器在土卫六1-5微米红外窗口获得的数据
2018-07-18 astro-ph.EP
Characterization of aromaticity in analogues of titan's atmospheric aerosols with two-step laser desorption ionization mass spectrometry
多环芳烃(PAH)和含氮多环芳烃(PANH)作为土卫六大气中气溶胶产生的中间体的作用长期以来一直是一个有争议的话题。对可见光和红外线测绘光谱仪(VIMS)在3.28微米处观测到的大气发射带进行的分析表明,在土卫六的高层大气中存在中性多环芳香族物质。这些分子被视为卡西尼号航天器上的等离子体光谱仪怀疑的正负芳香族离子的对应部分,但仪器的低分辨率阻碍了任何分子形态。在这项工作中,我们通过实验室模拟研究土卫六大气气溶胶的特定芳香族含量。我们在这里报告的选择性检测芳香族化合物的托林,土卫六的气溶胶类似物,产生的电容耦合等离子体中的N2:CH 4 95:5气体混合物。为此,使用两步激光解吸电离飞行时间质谱(L2 DI-TOF-MS)技术来分析如此产生的类似物。该分析技术基于使用λ=248 nm波长激光器通过共振增强多光子电离(REMPI)对分子进行电离,该激光器对芳族物质具有选择性。这允许选择性鉴定具有至少一个芳环的化合物。我们的实验表明,托林含有微量的小多环芳烃与一至三个芳香环。含氮多环芳烃(PANHs)也被检测到作为托林的成分。检测到与天体生物学相关的分子,例如取代的DNA碱基腺嘌呤。
2016-05-19 astro-ph.EP
Laboratory analogues simulating Titan's atmospheric aerosols: Compared chemical compositions of grains and thin films
在模拟土卫六大气反应性的实验室实验中可以产生两种固体有机样品:体积中的颗粒和反应器壁上的薄膜。我们预计,颗粒是更有代表性的土卫六大气气溶胶,但电影是用来提供光学指数的土卫六大气辐射模型。本研究的目的是解决如果这两种类似物是化学等效或不,当产生在相同的N2-CH 4等离子体放电。用元素分析、XPS分析和二次离子质谱法测定了这两种材料的化学组成。探测的主要参数是CH 4 N2比,以探索各种可能的化学制度。我们发现,薄膜是均匀的,但显着不富含氮和氢比在相同的实验条件下产生的晶粒。它们的化学成分中的这种令人惊讶的差异可以通过在膜上发生的有效蚀刻来解释,膜在整个等离子体持续时间期间停留在放电中,而颗粒在几分钟后被喷射。颗粒中较高的氮含量可能涉及比在薄膜上测量的更高的光吸收,这可能对泰坦辐射模型产生影响。
2017-05-04 astro-ph.EP
Impact of aerosols present in Titan's atmosphere on the CASSINI radar experiment
对土卫六的大气传输和表面反射率进行了模拟,以估计土卫六的大气和表面特性如何影响卡西尼号雷达实验的性能。在本文中,我们提出了一个选择模型土卫六的阴霾,垂直降雨分布,并在我们的模拟实现的表面成分。我们收集的介电常数值的卡西尼雷达波长($\sim 2.2$厘米)的材料感兴趣的土卫六:液体甲烷,液体混合物的甲烷-乙烷,水冰和轻烃冰。由于缺乏在微波范围内的土卫六的烟雾颗粒的介电常数值,我们进行了介电常数($\varepsilon_r$)测量约2.2厘米的实验室合成的托林。我们得到了$\varepsilon_r$的实部在2-2.5的范围内,并且损耗角正切在$10^{-3}$和$5.10^{-2}$之间。通过将气溶胶分布模型(假设在低海拔凝结)与地面模型相结合,我们发现以下结果:(1)气溶胶的大气应该不会造成损失,并基本上是透明的卡西尼雷达,正如前面的分析所预期的。(2)然而,如果有云,一些大气模型会产生显著的衰减,衰减可达到$-50 dB$,远低于接收器的灵敏度阈值。在这种情况下,$13.78 GHz$雷达将无法测量来自地表的回波。因此,我们警告,如果不考虑\textquotedblleft湿大气\textquotedblright $ $,可能存在误解的风险。(3)粗糙表面散射导致$\sim -17 dB$的典型响应。这些结果将对未来的卡西尼雷达数据分析具有重要意义。
2009-07-03 astro-ph.EP
The Potential Importance of Non-Local, Deep Transport on the Energetics, Momentum, Chemistry, and Aerosol Distributions in the Atmospheres of Earth, Mars and Titan
对地球大气层中的非本地深层传输机制的回顾为研究火星和土卫六大气层中是否存在类似机制提供了良好的基础。在地球上,热带地区的深层对流云构成了哈德利环流圈的向上分支,并提供了一个管道,通过该管道,能量、水分、动量、气溶胶和化学物质从边界层移动到对流层上部和平流层下部。这种输送在对流层中部产生最小值,如水蒸气和湿静态能量,并在云离开时产生最大值。类似于这种陆地传输的是与火星地形和火星沙尘暴有关的强烈的深层热循环。对火星上尘埃层升高的观测进一步支持了非本地深层运输是火星大气层中一个重要机制的观点。在土卫六上,深层对流云的存在几乎保证了非局部的深层运输正在发生,这些云可能在全球能量、动量和甲烷的循环中发挥作用。基于地球大气层中非局部深层传输的潜在重要性,并得到火星和土卫六大气层中此类传输的证据支持,有必要更加关注地外大气层中的这种机制。
2010-10-25 astro-ph.EP
Comparison of soluble and insoluble organic matter in analogues of Titan s aerosols
土卫六是土星最大的卫星,它有一个厚厚的大气层,与地球上最初被认为的大气层相似。因此,对土卫六光化学烟雾的研究是了解地球原始大气的宝贵工具。土卫六大气中发生的化学反应以及形成烟雾的确切过程在很大程度上仍然未知。在地球上生产类似物样品已被证明是一种有用的工具,可以提高我们对土卫六上气溶胶形成的认识。这种固体有机类似物样品,命名为托林,是用PAMPRE实验(通过反应等离子体产生气溶胶微重力的法语首字母缩写)产生的。发现PAMPRE托林大部分是不溶的,只有三分之一的本体样品可以溶解在甲醇中。这种部分溶解度限制了质谱法中先前的研究,这些研究仅对可溶性级分进行。本研究的目的是比较两个部分的PAMPRE的tholin(不溶性和可溶性)使用超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(FTICR)配备了激光解吸/电离源。使用改进的Van Krevelen图,我们根据氢/碳比和氮/碳比比较了样品中分子的全局分布。在可溶性和不溶性部分的分子组成中观察到主要差异。托林的可溶部分先前被鉴定为一组平均分子式为(C2 H3 N)n的聚合物。在这项工作中,我们观察到的不溶性部分的托林是由一个显着不同的一组聚合物的平均组成(C4 H3 N2)n。
2018-06-24 astro-ph.EP
Titan organic aerosols: molecular composition and structure of laboratory analogues inferred from systematic pyrolysis gas chromatography mass spectrometry analysis
已经进行了许多研究,以确定土卫六气溶胶(托林)实验室类似物的化学组成,但其分子组成及其结构仍然知之甚少。如果热解气相色谱质谱(pyr-GCMS)已被用于多年来提供线索,这种组合物,所获得的高度不同的结果可以归因于所使用的分析条件和/或性质的差异的类似物研究。为了更好地描述泰坦托林的分子组成,我们使用pyr-GCMS对这些材料进行了系统分析,主要有两个目标:(i)探索分析参数以估计该技术可能引起的偏差,并找到允许检测宽范围化合物的分析的最佳值,从而尽可能全面地表征托林组合物,和(ii)突出了气体反应介质中的CH 4比率对托林分子结构的作用。有了这个目标,我们使用了射频等离子体放电合成tholins与不同浓度的CH 4稀释在N2中。样品在200至600°C下系统热解。然后通过GCMS分析提取的气体以进行分子鉴定。
2017-05-04 astro-ph.EP
Aerosols optical properties in Titan's Detached Haze Layer before the equinox
用卡西尼国际空间站窄角照相机对土卫六分离的薄雾进行紫外线观测是探测其气溶胶含量的一个很好的工具,而不受气体或多重散射的影响。不幸的是,它的高度范围很低,需要高分辨率的校准,并限制了卡西尼数据集中可用的图像数量。然而,我们表明,它是可能的,以提取每个配置文件的本地最大强度的这一层,并确认其稳定性在$500 \pm 8$公里在2005-2007年期间的所有纬度低于45 $^\circ$ N。使用Tomasko等人(2008)的分形聚集体散射模型和单散射辐射转移模型,可以导出解释在不同相位角下进行的观测所需的光学性质。我们的研究结果表明,气溶胶至少有10个单体的60 nm的半径,而典型的切向柱数密度约为$2\cdot 10^{10}$ agg.m $^{-2}$。此外,我们证明,这些属性是恒定的误差条在南半球的土卫六在所观察到的时间段内。在北半球,气溶胶的大小相对于南半球趋于减小,并且与较高的切向不透明度相关。然而,由于轨道限制,该区域现有的观测数量较少,这是限制这些结果准确性的一个因素。假设一个固定的均匀内容,我们注意到,切向不透明度可以波动的因素3之间的观察在赤道。这些变化可能与短尺度的时间和/或纵向事件改变层的局部密度。
2017-04-04 astro-ph.EP
Interaction dust-plasma in Titan's ionosphere: an experimental simulation of aerosols erosion
土卫六橙色薄雾中积累的有机气溶胶开始在其电离层中形成。大气层的上部是高度反应性的,复杂的离子化学发生在1200至900公里的高度。电离层是一个氮等离子体与百分之几的甲烷和氢。甲烷中的碳能够形成具有长有机链的大分子,最终导致有机气溶胶。另一方面,我们怀疑氢和质子化离子对气溶胶有不同的侵蚀作用。在这里,我们实验研究了氢和质子化物种对有机气溶胶的影响。泰坦的气溶胶的类似物是在95%N2和5%CH4的CCP RF等离子体放电中形成的。此后,将气溶胶暴露于99%N2和1%H2中的DC等离子体。通过扫描电子显微镜和原位红外透射光谱对样品进行了分析。两种颗粒技术- KBr压制颗粒和薄金属网格-进行了比较,以确认所看到的修改是不是由于用于制造颗粒的材料。我们观察到,在N2-H2等离子体暴露下,直径约500 nm的球形气溶胶被侵蚀,在其表面形成约10 nm的孔。通过等离子体从颗粒中全面去除气溶胶。红外光谱表明,更快的消失的异腈和/或碳二酰亚胺相比,全球带的腈。用β-不饱和腈和/或氰胺观察到相反的效果。双键如C=C和C=N比胺和C-H键的影响更大。N-H和C-H吸收带的强度比相似,形状也没有变化。因此,似乎碳和氢在土卫六的电离层中扮演相反的角色:甲烷中的碳导致有机物生长,而氢和质子化物质侵蚀气溶胶,并优先与不饱和化学功能反应。
2020-11-15 astro-ph.EP astro-ph.IM
Positive Ion Chemistry in an N$_2$-CH$_4$ Plasma Discharge: Key Precursors to the Growth of Titan Tholins
土卫六在太阳系中是独一无二的,因为它拥有主要由N $_2$和CH $_4$组成的稠密大气层。卡西尼-惠更斯号揭示了由N $_2$和CH $_4$的光解离和电离引发的强烈大气光化学的存在。在高层大气中,卡西尼号探测到了与重电荷分子存在相容的特征,这些分子是气溶胶固体核心的前体。然而,耦合离子化学和气溶胶的形成和增长的过程仍然是未知的。在这项研究中,我们调查了阳离子化学负责一个有效的有机生长,我们观察到在土卫六的高层大气中,使用PAMPRE等离子体反应器模拟。在冷等离子体中通过原位离子质谱法测量了阳离子前体,并与T40飞越期间的INMS观测结果进行了比较。在三种CH $_4$混合比(1%、5%和10%)中进行了一系列正离子测量,显示离子群的可变性。低CH $_4$浓度导致胺阳离子如NH $_4^+$的丰度,而脂肪族化合物在较高甲烷浓度下占主导地位。在有利于tholin生产的条件下,发现C2化合物如HCNH $^+$和C $_2$ H $_5^+$的存在与tholin材料中所见的共聚物生长结构一致。观察到的这两种离子的丰度,特别是在较低的CH $_4$量的条件下是一致的模拟泰坦的电离层,其中包括主要是HCNH $^+$和C $_2$ H $_5^+$和带负电荷的粒子之间的质量交换气溶胶增长的建模工作。这些结果也证实了普遍的作用,C2阳离子作为前体分子的增长和随后的质量转移到带电的气溶胶颗…
2019-10-03 astro-ph.EP
Experimental heating of complex organic matter at Titan's interior conditions supports contributions to atmospheric N2 and CH4
本研究通过模拟泰坦内部条件的热液实验,发现有机物加热可生成CH4和NH3,分别能供应泰坦大气CH4储库及至少50%的N2,支持内部来源假说。
2024-12-18 astro-ph.EP
Surface Energy of the Titan Aerosol Analog "Tholin"
土卫六高层大气中产生的光化学烟雾在土卫六的各种大气和表面过程中起着关键作用。表面能是霾的一个重要物理性质,对于理解霾颗粒的生长至关重要,并且可以用来预测它们与泰坦上的固体和液体物种的润湿行为。我们用不同的能源生产了泰坦模拟雾状材料,即所谓的“托林”,并通过接触角和直接力测量测量了它们的表面能。从接触角测量中,我们发现由冷等离子体和UV照射产生的托林具有约60-70 mJ/m2的总表面能。直接力测量产生的总表面能为约66 mJ/m2的等离子体托林。与普通聚合物相比,托林的表面能相对较高,表明其高内聚性。因此,土卫六的霾颗粒很可能容易凝结成更大的颗粒,而霾产生的表面沙粒则需要更高的风速才能被调动起来,因为颗粒间的凝聚力很高。托林的高表面能也使它们很容易被土卫六大气中的碳氢化合物冷凝物和表面液体所覆盖。因此,霾粒子可能是烃云(甲烷和乙烷)成核和生长的良好云凝结核(CCN)。如果烟雾颗粒比湖水更密集,它们可能会沉入湖中,而不是形成一层漂浮的薄膜来抑制湖面的波浪。
2020-10-26 astro-ph.EP astro-ph.IM
Experimental Measurements of Benzene Ice Critical Saturation Ratios on Titan Tholins and Impact on the Microphysical Modeling of Titan's South Polar Benzene Cloud
NASA Ames Research Center(美国国家航空航天局艾姆斯研究中心);Bay Area Environmental Research Institute(湾区环境研究所);Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique Université Caen Normandie, ENSICAEN, CNRS, CEA, Normandie Univ, CIMAP UMR6252(诺曼底大学离子、材料与光子研究中心);Southwest Research Institute(西南研究院);LIRA, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Cité(巴黎天文台)
研究土卫六南极苯云,通过在模拟土卫六托林上进行苯冰临界饱和比实验测量,将结果纳入模型计算成核接触参数,探讨其对云粒子的影响,发现新测量使模拟苯云高度降低,或因多种挥发性气体共凝结所致。
2026-07-24 astro-ph.EP
Titan in Transit: Ultraviolet Occultation Observations Reveal a Complex Atmospheric Structure
凌日光谱学是系外行星大气特征描述的关键工具。然而,过境光谱观测可以限制气溶胶消光时,气体不透明度弱。紫外线波长范围包含各种强分子和原子特征,即使在存在大气雾的情况下也可能实现气体种类检测。为了了解气溶胶消光和紫外线分子不透明度之间的相互作用,我们调查通过土星的卫星土卫六的大气层中的传输在掩星与美国宇航局的卡西尼号轨道飞行器上的紫外线成像光谱仪(UVIS)观察。我们使用大气反演模型,包括和排除治疗霾的土卫六推导出的紫外线过境光谱进行分析。我们检索到的大气属性,即气柱密度,与以前的研究分析紫外掩星数据是一致的。使用贝叶斯信息准则,我们证明,阴霾参数化是不必要的,以适应数据,尽管明显的不透明性,由于多个分离的阴霾层在底层掩星数据。我们的工作表明,即使过境光谱在较长波长处主要是由薄雾消光,在紫外线波长范围内继续表征系外行星可以提供新的大气约束。
2020-06-25 astro-ph.EP
The 3.4 μm absorption of the Titan's stratosphere: contribution of ethane, propane, butane and complex hydrogenated organics
土卫六大气层所包含的复杂有机化学已经通过卡西尼号的观测进行了深入的研究。其中,VIMS仪器在卡西尼号13年中进行的一系列掩星观测显示,在3.4 $μ$ m处有强烈的吸收。土卫六大气中的几种分子在该波长区域产生了光谱特征,但它们各自的贡献很难解开。在这项工作中,我们量化的各种分子物种的贡献,3.4 $μ$ m带使用辐射转移模型。乙烷和丙烷是乐队的重要组成部分,但它们不足以完美地适应形状,那么我们需要别的东西。多环芳烃(PAH)和更复杂的多环芳烃如氢化无定形碳(HACs)是最合理的候选者,因为它们富含C-H键。多环芳烃的信号已经在~900 km以上被检测到,它们被认为是气溶胶颗粒的前体物。个体光谱之间的高度相似性阻碍了丰度测定。
2020-01-09 astro-ph.EP
Interaction dust-plasma in Titan's ionosphere: feedbacks on the gas phase composition
本研究通过THETIS实验模拟土卫六电离层等离子体与气溶胶类似物的相互作用,发现N2-H2等离子体物种侵蚀气溶胶,导致气相中生成HCN等含氮物种,并影响气溶胶结构,揭示了非均相化学过程对土卫六大气成分的反馈作用。
2023-09-05 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Molecular Isomer Identification of Titan Tholins Organic Aerosols by Photoelectron/Photoion Coincidence Spectroscopy Coupled to VUV Synchrotron Radiation
土卫六有机烟雾的化学成分知之甚少。为了解决这个问题,合成了名为托林的实验室类似物,并通过通常需要在载体溶剂中进行提取过程的方法进行分析。这些方法排除了不溶性托林馏分的分析,并假设可溶性和不溶性馏分之间的化学当量。在这项工作中,我们提出了一个功能强大的互补分析方法最近开发的SOLEIL的VUV同步加速器光束线上。它包括在~230 ℃下对托林进行软热解,并对通过可调谐同步辐射光电离的挥发性化合物进行电子离子符合分析。通过与参考光电子能谱(PES)的比较,在检测分子上收集的光谱信息产生其异构体结构。该方法更容易适用于轻的物种,而对于较重的可能性的数量和缺乏PES参考光谱的文献限制了其分析。一个值得注意的模式,在分析的托林是存在的物种含有相邻的双键N原子,这可能是一个签名的异质性纳入的N2托林。
2017-05-04 astro-ph.EP physics.chem-ph
A new astrobiological model of the atmosphere of Titan
我们目前的结果的调查形成的含氮分子在土卫六的大气。我们扩展了以前的模型(Li et al. 2015,2016),以覆盖对流层顶以下的区域,因此新模型将土卫六表面的大气层处理到1500公里的高度。我们考虑冷凝和升华的影响,使用连续的,数值稳定的方法。这与气溶胶及其冷凝物的沉降和霾粒子的形成的参数化处理相结合。这些过程影响较重的物种,如含氮分子的丰度,但对较轻分子的丰度影响较小。去除分子以形成气溶胶也在确定混合比中起作用,特别是HNC、HC3N和HCN的混合比。我们发现很好的协议与最近检测到的混合比C2H5CN,与冷凝起着重要的作用,在确定该分子的丰度低于500公里。特别令人感兴趣的是丙烯腈(C2H3CN)的化学性质,Stevenson等人(2015年)提出丙烯腈是一种可以在缺氧环境中形成生物膜的分子。随着烟雾形成的列入,我们发现我们的模型预测丙烯腈与现有的观测结果很好的协议。
2016-09-07 astro-ph.EP
Nitrogen isotopic fractionation during abiotic synthesis of organic solid particles
有机化合物的形成通常被认为是由太阳系中的非生物过程造成的,地球上的生物有机物除外。含氮有机物特别令人感兴趣,特别是对于生命起源前的观点,但也对于年轻太阳系和行星大气中有机物形成的整体理解。我们研究了等离子体放电时有机物的非生物合成,特别注意N同位素分馏。有机气溶胶合成N2-CH 4和N2-CO气体混合物使用低压等离子体放电实验,旨在模拟发生在土卫六的大气和原太阳星云,分别。氮被有效地引入到合成的固体中,而与氧化程度、起始气体混合物的N2含量和气溶胶中的氮形态无关。无论实验设置如何,相对于初始N2气体,气溶胶中的15 N消耗15-25 permil。这种同位素分馏归因于质量依赖的动力学效应。放电时的氮同位素分馏不能解释在太阳系天体和储层中观察到的大的氮同位素变化。太阳系中的极端N同位素特征更可能是N2光解过程中的自屏蔽、N2光解过程中的奇异效应和/或低温离子-分子同位素交换的结果。动力学N同位素分馏可能在土卫六大气中起重要作用。我们还认为,低δ 15 N值的有机质,部分是由于非生物合成的有机物发生在那个时候。
2014-07-01 astro-ph.EP
DNA Nucleobase Synthesis at Titan Atmosphere Analog by Soft X-rays
土卫六是土星最大的卫星,其大气层主要由N2和CH 4组成,并含有许多简单的有机化合物。这个大气层也部分由薄雾和气溶胶粒子组成,在过去的4.5千兆年中,这些粒子被放电、离子和电离光子处理过,慢慢地沉积在泰坦表面。在这项工作中,我们研究了软X射线(和次级电子)对土卫六气溶胶类似物产生的可能影响,试图模拟一些前生物光化学。实验已在一个高真空室内进行耦合到软X射线光谱光束线在巴西同步辐射光源,坎皮纳斯,巴西。原位样品分析通过傅里叶变换红外光谱仪进行。红外光谱显示了几种有机分子,包括腈和芳香CN化合物。照射后,通过气相色谱(GC/MS)和核磁共振(1H NMR)技术对棕橙色有机残留物(托林)进行了非原位分析,揭示了DNA分子的成分之一腺嘌呤(C5 H5 N5)的存在。这证实了以前的结果,即土卫六表面的有机化学可能非常复杂,并且富含益生元化合物。早期地球上的这些分子已经找到了一个让生命(正如我们所知道的)蓬勃发展的地方。
2009-06-19 astro-ph.EP
Shock Synthesis of Organic Molecules by Meteoroids in the Atmosphere of Titan
该研究结合卡西尼号观测的流星体数据、大气进入模型与冲击合成效率,发现土卫六大气中流星体冲击可生成有机分子,对理解其大气化学有重要意义。
2023-07-18 astro-ph.EP
Amino acid precursors from a simulated lower atmosphere of Titan: Experiments of cosmic ray energy source with 13 C- and 18 O-stable isotope probing mass spectrometry
土星卫星土卫六周围的气溶胶的有机烟雾以前已经通过观测和实验室模拟实验进行了研究。在这里,我们报告的非生物形成的氨基酸前体在复杂的有机分子在实验模拟土卫六的表面附近的环境与质子照射。在600摄氏度的质子辐照下,在模拟的土卫六大气中形成的有机分子热解产生了含有HCN和NH3的化合物。这些实验结果与惠更斯号探测器对土卫六采集的样品进行热解气相色谱-质谱联用(热解GC-MS)得到的分子信息一致。辐射产物的扫描电子显微镜(SEM)和三维原子力显微镜(AFM)图像显示复杂的无定形结构(约1000 Da)中的纳米级细丝和小球。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)的同位素探测实验表明,通过水解18 O标记的水,氧原子被掺入到外消旋氨基酸中。我们认为,氨基酸前体可能是在水解后形成的,正如以前的观察研究(C。A.格里菲斯,T。Owen,T. R. Geballe,J. Rayner和P. Rannou,Science,2003,300,628)。我们认为,宇宙射线是一个重要的和有效的能源生产复杂的有机物和氨基酸前体土卫六的大气雾霾。
2013-09-25 astro-ph.EP
Development of HPLC-Orbitrap method for identification of N-bearing molecules in complex organic material relevant to planetary environments
虽然卡西尼号太空船和惠更斯号着陆器提供了许多关于土卫六大气化学和气溶胶形成的信息,但这些气溶胶的确切成分仍然未知。研究这些气溶胶的一个富有成效的替代方法是使用实验室实验,允许生产和研究泰坦气溶胶的类似物,即所谓的托林。即使在实验室中生产,由于材料的高度复杂性,揭示气溶胶的确切成分仍然是一个问题。最近使用高分辨率质谱法(HRMS)(Pernot等人,2010年; Somogyi等人,2012年; Gautier等人,2014年)取得了许多进展,这些进展允许分离同量异序化合物,并根据其分子式对组成托林的化学物质进行稳健鉴定。然而,同分异构物质不能通过简单的质量测量来分辨。在这里,我们提出了一个分析的托林的高效液相色谱法(HPLC)耦合到高分辨质谱仪揭示这种异构体的模糊性的一些主要托林化合物。通过比较分析托林和化学标准品时获得的色谱图,我们严格鉴定了我们的托林样品中的七种分子:三聚氰胺、氰基胍、6-甲基-1,3,5-三嗪-2,4-二胺、2,4,6-三氨基嘧啶、3-氨基-1,2,4-三唑、3,5-二甲基-1,2,4-三唑和2,4-二氨基-1,3,5-三嗪。在我们的样品中,包括六亚甲基三胺(HMT)在内的几种分子均未达到可检测水平。第一次使用的耦合HPLC-HRMS技术应用于tholins的研究表明,这种技术相比,单一的高分辨率质谱的研究tholins组合物的兴趣。
2016-05-10 astro-ph.EP
The Fate of Simple Organics on Titan's Surface: A Theoretical Perspective
本研究从理论视角探讨简单有机物在土卫六表面的相态与归宿,发现多数以固体形式降落,并指出孔隙率诱导的浮力是解释土卫六湖泊“魔法岛屿”现象的唯一合理机制。
2024-01-05 astro-ph.EP physics.ao-ph
Haze Production in the Atmospheres of super-Earths and mini-Neptunes: Insights from the Lab
许多太阳系的大气层都有气溶胶,包括土卫六和冥王星特有的有机烟雾。烟雾颗粒显著影响大气温度结构,并且可以向世界的表面提供有机材料,从而影响其可居住性。对系外行星大气层的观测表明存在气溶胶,特别是在较冷(<800 K),较小(<0.3倍木星质量)的系外行星。目前还不清楚使系外行星大气的光谱特征消失的气溶胶是冷凝云还是光化学烟雾,这很难仅从理论上预测。我们在这里提出的第一个实验室烟雾模拟实验的大气成分预计超级地球和迷你海王星。我们探索了从300到600 K的温度和一系列大气金属含量(100倍、1000倍、10000倍太阳能);所有的模拟大气都产生了粒子,(300和400 K)1000倍太阳金属丰度(“H2O主导”,富含CH 4)实验显示出比我们的标准Titan模拟更高的霾产生速率(约10 mg/hr,而Titan为7.4 mg/hr)。然而,粒子的产生速率变化很大,测量的速率低至0.04毫克/小时(100倍太阳金属丰度,600 K)。在这里,我们表明,我们应该期待一些,但不是全部,超级地球和迷你海王星的大气层拥有厚厚的光化学产生的阴霾。
2018-01-19 astro-ph.EP
An EUV Non-Linear Optics Based Approach to Study the Photochemical Processes of Titanś Atmosphere
对行星大气的原位探索需要发展实验室实验,以了解大气上层光化学引发的分子生长途径。主要物种和主导反应途径被用来提供化学网络模型,重现这些复杂环境的化学和物理过程。高能紫外光子通过在行星和卫星的电离层中形成活性物质来引发非常有效的化学反应。在这里,我们提出了一个实验室实验的基础上,一个新的光反应器与辐射光束产生的高次谐波产生的近红外飞秒激光。这种类型的EUV光源现在足够稳定,可以进行长期的实验,在此期间可以发生过多的单独反应。它的高度可及性使得化学初始条件可以系统地改变,以研究行星上层大气的复杂性。为了证明我们方法的有效性,我们在14 eV,1010 photons sec-1 cm-2的通量下照射了7小时,N2/CH 4(5%)基气体混合物由60 μm自由平均路径定义,这样的条件能够模拟Titan N2高层大气的光化学。反应产物揭示了碳氢化合物和含氮物质的形成,如二甲基二氮烯(C2 H6 N2),这是在这种新的光反应器中检测到的最大化合物。这项工作是使用极紫外线照射的封闭室产生土卫六气溶胶的光化学类似物,以更好地限制氮掺入土卫六大气中的有机气溶胶的生长途径的重要一步。
2019-10-01 astro-ph.EP
Material Properties of Organic Liquids, Ices, and Hazes on Titan
本研究汇总并计算了土卫六上有机液体、冰及霾的热力学、物理和表面等关键物质特性,构建了面向科学界的公开数据库,可支撑土卫六相关探测与模型研究,也可推广应用于其他天体环境。
2023-03-14 astro-ph.EP astro-ph.IM
Quantifying Building Blocks of Life in Planetary Analog Materials: Implications for Prebiotic Chemistry and Biosignature Identification
National Key Laboratory of Deep Space Exploration / School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China(国家深空探测重点实验室/地球与空间科学学院,中国科学技术大学)
本文开发了一种气相色谱串联质谱法,用于定量分析56种前生命相关分子,研究了土星泰坦气溶胶和火星硫酸盐类比材料中的氨基酸、核碱基和脂肪酸分布,揭示了生物签名识别的潜力。
2026-03-29 astro-ph.EP
Carbon chain anions and the growth of complex organic molecules in Titan's ionosphere
卡西尼号在土卫六的电离层中发现了大量的中性和电离分子,令人惊讶的是,包括阴离子和带负电荷的分子,最高可达13,800 u/q。在这封信中,我们向前模型的卡西尼电子光谱仪响应功能,这个意想不到的电离层组件,以实现增加质量分辨能力观察到的负电荷的物种在泰坦高度950-1300公里。我们报告了一致集中在25.8-26.0 u/q和49.0-50.1 u/q之间的检测结果,这些检测结果被鉴定为属于碳链阴离子CN $^-$ /C $_3$ N $^-$和/或C $_2$ H $^-$ /C $_4$ H $^-$,与化学模型预测一致。在较高的电离层高度,在73-74 u/q的探测可归因于碳链阴离子C $_5$ N $^-$ /C $_6$ H $^-$,但在较低的高度和进一步的遭遇过程中,扩展到更高的质量/电荷范围。这一点以及在$>$ 100 u处检测到的其他中间阴离子,为空间中涉及线性链以外的结构的有效阴离子化学提供了第一个证据。此外,在低于$\sim$ 1100 km的高度,低质量阴离子($<$ 150 u/q)被发现以与较大分子的生长成比例的速率消耗,这一相关性表明阴离子与生长过程紧密耦合。这项研究将泰坦添加到越来越多的天体物理环境中,在这些环境中观察到链阴离子,并表明阴离子化学在行星大气以及星际介质中复杂有机物的形成中发挥作用。
2017-06-06 astro-ph.EP
On the chemical composition of Titan's dry lakebed evaporites
土卫六是土星的主要卫星,在其对流层中有一个活跃的甲烷循环。在地面上工作的蒸发机制的其他证据中,已经发现了干燥的湖床。最近卡西尼号对这些空湖的红外线观测显示,与周围地形相比,水冰的表面成分很差-这表明存在有机的冰沉积物。这些可能的陨石的化学成分是未知的。在本文中,我们研究蒸发岩组合物使用的模型,处理有机固体溶解和溶剂蒸发。我们的研究结果表明,大丰度的丁烷和乙炔在湖的碳酸盐岩的可能性。然而,由于所采用的理论的不确定性,这些测定必须通过实验室实验来证实。
2013-08-22 astro-ph.EP
Titan Atmospheric Chemistry Revealed by Low-temperature N2-CH4 Plasma Discharge Experiments
土卫六的N2-CH 4大气中的化学物质产生了复杂的有机气溶胶。化学过程和由此产生的有机化合物仍然远未被理解,尽管广泛的观察,实验室和理论模拟已经大大改善了土卫六大气层的物理和化学约束。在这里,我们进行了一系列的泰坦大气模拟实验与N2-CH 4气体混合物和调查的影响,初始CH 4的比例,压力和流量上的生产率和气体和固体产品的组成在泰坦的相关温度(100 K)的第一次。我们发现,气体和固体产物的生产率增加,增加甲烷比例。含氮物质具有比气体产物中的烃高得多的产率,并且固体产物的N-对-C比率与具有相同CH 4比率的先前等离子体模拟相比似乎是最高的。在低温模拟实验中,氮的掺入程度更大,这表明温度可能在土卫六寒冷大气中的氮掺入中发挥重要作用。我们还发现,H2是占主导地位的气体产品,并作为新的有机分子在实验中的生产率的指标,和CH 2NH可能大大有助于将碳和氮的固体颗粒。压力和流速影响气体混合物暴露于能源的时间量,并因此影响由等离子体放电引发的N2-CH 4化学,强调了能量通量在泰坦大气化学中的影响。
2022-09-22 astro-ph.EP
A missing link in the nitrogen-rich organic chain on Titan
上下文构成生命的化学物质含有大量的氮元素,这是一种必需元素。土卫六是土星最大的卫星,其分子氮和甲烷的稠密大气层,为探索这种元素如何通过我们太阳系的大气化学结合到碳链中提供了一个难得的机会。在月球的大气层中持续产生一种褐色的浓雾,并在月球表面积累。这种固体物质富含氮,可能含有携带氮的益生元分子。目标。迄今为止,我们的知识的过程中导致氮纳入有机链一直相当有限。在目前的工作中,我们调查的形成含氮离子的实验模拟泰坦的高层大气,与强烈的影响,氮纳入有机物质的泰坦。方法.通过实验和理论计算相结合的方法,我们证明了极紫外太阳辐射在高空产生的丰富的N2+离子能够形成富氮的有机物种。结果实验观察到,当将由分子氮和甲烷组成的气体混合物暴露于极紫外辐射时,CH 3 N2+和CH 2N 2+重氮离子的意外和重要的形成。理论计算表明,这些重氮离子主要是由N2+与CH 3自由基反应产生的。这些富含氮的小重氮离子,N/C比为2,似乎是一个缺失的环节,可以解释泰坦有机物中的高氮含量。更一般地说,这项工作突出了离子和自由基之间反应的重要性,迄今为止很少研究,开辟了天体化学的新视角。
2022-04-24 astro-ph.EP physics.chem-ph
Dissolution on Titan and on Earth: Towards the age of Titan's karstic landscapes
土卫六的极地表面点缀着数百个湖泊洼地。基于这一假设,他们是岩溶起源,我们的目标是确定表面溶解的效率作为土卫六上的一个landshaping过程,在比较行星学的角度与地球作为参考。我们的方法是基于溶解剥蚀率的计算,并允许推断地形凹陷的化学侵蚀两个行星机构的形成时间尺度。该模型取决于固体在液体中的溶解度、固体和液体的密度以及平均年净降雨率。我们计算并比较了泰坦和地球时间尺度上液态烃中纯固体有机物和液态水中矿物的剥蚀率。然后,我们调查了一个土卫六一年以上的液体甲烷的表面有机层的剥蚀率。在这个时间尺度上,土卫六上的这样一层将根据其组成表现得像地球上的盐或碳酸盐,这意味着溶解过程可能会发生,但由于降水的季节性,土卫六上的溶解过程将比地球慢30倍。假设土卫六的湖泊洼地平均深度为100米,这些洼地可能在极纬度高于70° N和S的地区发展了数千万年,在极纬度较低的地区发展了数亿年。确定的年龄与表面的年轻(<1 Gyr)和土卫六上与溶解有关的地貌的再分配是一致的。
2015-05-29 astro-ph.EP
Experimental investigations of diacetylene ice photochemistry in Titan's atmospheric conditions
本研究通过实验模拟土卫六大气条件,发现丁二炔冰在近紫外辐射下具有高光化学活性,可生成多种烃类与聚合物,解释了其未被探测到的原因,并指出它可能是土卫六霾层固相化学的关键分子。
2024-05-17 astro-ph.EP
Influence of C/O Ratio on Hot Jupiter Atmospheric Chemistry
我们已经进行了实验室实验,研究热木星大气中的化学成分,C/O比为0.35。我们已经比较了我们的结果与以前获得的大气中的C/O比为1的光化学有机气溶胶的化学和形成的C/O比的影响。我们发现,C/O比和气体混合物的组成强烈影响负责CO2的形成的途径。热化学反应是低C/O比大气中CO2形成的主要原因,而光化学反应是高C/O比大气中的主要过程,即使两种情况下的最终CO2浓度相同。我们的研究结果表明,低C/O气氛中的热化学平衡含有较高的水丰度,而高C/O气氛中的水显着耗尽。然而,在低C/O气氛中,水丰度不受UV光解的影响,而我们以前的工作表明,在高C/O比气氛中可以产生大量的水。水生产的这种对比表明,在解释系外行星过境光谱时,应考虑光化学。最后,我们没有观察到在低C/O大气中形成可检测量的非挥发性光化学气溶胶,与我们以前的研究相反。我们推断,对于C/O比< 1,水可能会抑制有机物的生长和气溶胶的形成,这表明光化学有机气溶胶可能会在行星中观察到,与它们的宿主恒星相比,这些行星呈现出碳富集。
2022-04-14 astro-ph.EP
Infrared Emission of Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Molecules in Titan: Cyanonaphthalenes
本研究计算了土卫六高层大气中氰基萘及其离子的红外发射光谱,以支持JWST识别并定量确定这些PAH分子的丰度。
2025-03-26 astro-ph.EP astro-ph.GA
The Development of a Probalistic Model for Tholin Aggregation in Titan's Atmosphere
土卫六是我们太阳系中比较独特的天体之一。除了是土星最大的卫星之外,它厚厚的大气层也因为与地球的相似之处和不同之处而引起人们的兴趣[1,2]。与地球一样,泰坦的低层大气中也有云,这些云会沉淀成雨[2]。这些雨形成了液态甲烷和乙烷的湖泊和河流,它们侵蚀和塑造了地表,就像地球上的水一样,然后蒸发到大气中[2]。在土卫六的大气系统中,一个单一的主导因素控制着天气,有机分子托林的浓度。
2010-10-19 astro-ph.EP
Titan's Atmosphere and Climate
土卫六是唯一一颗拥有大气层的卫星,也是除地球外唯一一颗拥有厚厚的N $_{2}$大气层的卫星,其大气化学成分极其复杂,远远超过其他任何太阳系的大气层,也是其他太阳系中唯一一颗表面有稳定液体的卫星。土卫六表面和大气层之间的联系在我们的太阳系中也是独一无二的;大气化学产生的物质沉积在表面,随后被表面-大气层相互作用改变,如风成和河流作用,导致形成广泛的沙丘和广阔的湖泊和海洋。土卫六的大气层有利于有机烟雾的形成,加上一些含氧分子的存在,表明土卫六的大气层可能会产生生物前感兴趣的分子。有机物和液体的结合,以地下海洋中的水和表面湖泊和海洋中的甲烷/乙烷的形式,意味着泰坦可能是太阳系中测试可居住性,前生物化学以及宇宙中生命的普遍性和多样性的理想场所。前往土星系统的卡西尼-惠更斯号飞行任务提供了大量新的信息,使我们能够将土卫六作为一个复杂系统进行研究。在这里,我回顾了我们目前对土卫六的大气和气候的理解,这些理解来自地球观测、遥感和\emph{in situ}航天器测量、实验室实验和模型的有力结合。最后,随着卡西尼-惠更斯号令人难以置信的探索时代的结束,我提出了一些悬而未决的问题。
2017-02-28 astro-ph.EP
Improved Carbon and Nitrogen Isotopic Ratios for CH$_3$CN in Titan's Atmosphere Using ALMA
本文利用ALMA高信噪比观测和NEMESIS反演方法,测量了土卫六平流层乙腈的碳氮同位素比值,证实其$^{15}$N丰度显著增强,为行星大气含氮有机物合成及土卫六氮起源提供了约束。
2025-03-12 astro-ph.EP
Detection of CH$_3$C$_3$N in Titan's Atmosphere
土卫六拥有一个稠密的、富含有机物的大气层,主要由N $_2$和CH $_4$组成,还有少量的碳氢化合物和含氮物质。由于阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)在波段6($\sim$ 230-272 GHz)的高灵敏度观测,我们通过观测$J = 64\rightarrow63$和$J = 62\rightarrow61$旋转波段的七个跃迁,首次在土卫六大气中获得了CH $_3$ C $_3$ N(甲基氰基乙炔或氰基丙炔)的光谱探测。土卫六上存在CH $_3$ C $_3$ N是由卡西尼号离子和中性质谱仪检测到其质子化形式:C $_4$ H $_3$ NH $^+$而提出的,但由于缺乏适当的实验室反应数据,相关(去质子化)中性产物的大气丰度没有得到很好的限制。在这里,我们推导出CH $_3$ C $_3$ N的柱密度为(3.8-5.7)$\times10^{12}$ cm $^{-2}$的基础上,高度超过400公里的土卫六的中层大气敏感的辐射传输模型。与实验室和光化学模型的结果相比,甲基氰乙炔的检测为确定相关的生产途径(如涉及氯化萘、CCN和碳氢化合物的生产途径)和反应速率系数提供了重要的制约因素。这些结果也进一步证明了ALMA和(亚)毫米光谱对未来土卫六的有机库存和大气化学研究的重要性,因为CH $_3$ C $_3$ N标志着迄今为止土卫六大气中光谱检测到的最重的极性分子。
2020-10-16 astro-ph.EP
Single particle triboelectrification of Titan sand analogs
以硅酸盐砂为主要沉积物成分的陆面上,沙粒带电对风沙的输运具有重要作用。然而,它还没有被彻底研究的冰体,如土卫六与有机砂作为主要的沙丘形成材料。我们使用胶体探针原子力显微镜(AFM)技术,研究使用土卫六和地球沙类似物的摩擦带电过程。我们发现,萘(一种简单的芳烃),聚苯乙烯(一种芳烃聚合物)和硼硅酸盐玻璃(地球硅酸盐砂模拟)之间很容易产生摩擦电荷。在接触和/或摩擦充电之后可以测量强静电力。相比之下,托林,一种复杂的有机材料,不产生任何可检测的静电力与接触或摩擦充电在仪器的检测限。如果土卫六砂的行为更像托林,这表明土卫六砂的摩擦充电能力比地球硅酸盐砂弱得多,也比Menal-Harper等人先前测量的要小得多,(2017年),其中仅简单的有机物用于泰坦砂类似物。因此,摩擦带电可能不会像地球上那样增加土卫六上沙粒之间的粒子间力。由其他静电过程或其他粒子间力(如范德华力和毛细管凝聚力)产生的粒子间力可能是支配土卫六表面沙子形成和沉积物运输的主要粒子间力。土卫六的沙子也不太可能通过摩擦充电产生大量的放电,影响未来对土卫六表面的任务。
2019-11-29 astro-ph.EP cond-mat.soft
Photochemical Haze Formation on Titan and Uranus: A Comparative Review
本文综述比较泰坦与天王星上低能光子与电子驱动的光化学雾霾形成机制,评估其在天王星的适用性,为未来探测提供参考。
2025-08-04 astro-ph.EP physics.chem-ph
Elastic Properties of Titan Tholins Revealed by Brillouin Spectroscopy
Texas A&M University(德克萨斯农工大学);University of Texas at San Antonio(圣安东尼奥得克萨斯大学);Southwest Research Institute(西南研究院)
本研究利用布里渊光谱首次直接测定土卫六索林的全套弹性模量,发现其弹性刚度高于H₂O冰,为土卫六地貌演化研究及蜻蜓号任务提供了关键约束。
2026-10-14 astro-ph.EP astro-ph.IM cond-mat.mtrl-sci
A Model of UV-Blue Absorbance in Bulk Liquid of Venusian Cloud Aerosols Is Consistent with Efficient Organic Absorbers at High Concentrations
Foundation for Applied Molecular Evolution(应用分子进化基金会);Cavendish Astrophysics, University of Cambridge(剑桥大学卡文迪许天体物理);Faculty of Environmental Engineering, Wroclaw University of Science and Technology(弗罗茨瓦夫科技大学环境工程学院);JJ Scientific(JJ科学);Planetary Atmospheres Group, Institute for Basic Science (IBS)(基础科学研究院行星大气研究组)
金星云中高浓度有机物高效吸收的模型与高吸收率一致,需进一步验证。
2026-08-18 astro-ph.EP physics.geo-ph
Nitrogen-containing Anions and Tholin Growth in Titan's Ionosphere: Implications for Cassini CAPS-ELS Observations
卡西尼号上的卡西尼等离子体光谱仪(CAPS)电子光谱仪(ELS)仪器在土卫六的电离层中显示了950公里以上的负离子。\textit{In situ}测量表明存在质荷比高达13,800 \textit{u/q}的带负电颗粒。目前,只有少数阴离子已被表征的光化学模型,主要由C $_n$ H $^-$碳链和C $_{n-1}$ N $^-$氰基化合物($n=2-6$)组成,它们的形成基本上是通过质子从它们的母体中性分子中提取。然而,许多其他物种尚未被发现和识别。考虑到导致数千个\textit{u/q}的化合物的有效阴离子生长,有必要更好地表征第一轻物质。在这里,我们提出了新的负离子测量质量高达200 \textit{u/q}中获得的\ce{N2}:\ce{CH4}尘埃等离子体放电再现类似的条件,以土卫六的电离层。我们进行了比较与高海拔CAPS-ELS测量土卫六的电离层顶部附近的T18遭遇。观察到的主要峰与观察结果一致。然而,许多以前未考虑的其他种类(\textit{e.g.} \ce{CNN-}、\ce{CHNN-})表明含有大量含氮化合物,含有两个或三个氮原子,与在托林中发现的某些相邻双键氮原子一致。这些结果表明,富氮纳入托林可能遵循的机制,包括阴离子化学,进一步突出了负离子在土卫六的气溶胶增长的重要作用。
2019-02-14 astro-ph.EP
Towards Prebiotic Chemistry on Titan: Impact experiments on organic haze particles
本研究通过对实验室有机雾霾及雾霾-沙混合物开展13GPa撞击实验,发现撞击会改变土卫六表面生物分子分布,沙粒可催化部分生物分子生成,为土卫六前生命化学研究提供了实验依据。
2024-02-28 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.bio-ph
Molecular Structure, Dynamics, and Vibrational Spectroscopy of the Acetylene:Ammonia (1:1) Plastic Co-Crystal at Titan Conditions
土星卫星泰坦有一个厚厚的,富含有机物的大气层,预计小有机分子的凝聚相在其表面上是稳定的。特别重要的是有机物的结晶相,称为低温矿物,它可以在土卫六的表面化学和地质过程中发挥重要作用。这些低温矿物中的许多可以表现出富相行为,特别是多组分低温矿物,其组分分子具有多个固相。一种这样的低温矿物是乙炔:氨(1:1)共晶体,在这里我们使用基于密度泛函理论的从头算分子动力学模拟来量化其在泰坦条件下的结构和动力学。我们表明,乙炔:氨(1:1)共晶是一个塑料共晶(或旋转相)在泰坦条件下,因为氨分子取向无序。此外,该共晶内的氨分子在皮秒时间尺度上旋转,并且这种旋转伴随着氨氢和乙炔的π-系统之间的氢键的断裂和重新形成。我们的预测的鲁棒性是通过比较两个密度泛函近似的预测在不同的理论水平,以及通过预测的红外和拉曼光谱,同意与实验测量。我们预计,这些结果将有助于了解土卫六表面的地球化学。
2022-10-21 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
The Effect of Carbon Monoxide on Planetary Haze Formation
有机烟雾在许多行星过程中起着关键作用,从影响大气的辐射预算到作为表面上的益生元分子的来源。许多实验研究了通过将N $_{2}$ /CH $_{4}$的混合物暴露于各种能源而产生的气溶胶。然而,许多N $_{2}$ /CH $_{4}$在我们的太阳系和太阳系外的行星系的大气中也含有CO。我们已经进行了一系列的大气模拟实验,以探讨CO的形成和颗粒大小的行星霾类似物的CO混合比例的范围内使用两种不同的能源,火花放电和紫外线。我们发现,CO强烈影响在我们的实验中产生的气溶胶的数密度和颗粒大小,并表明CO可能发挥重要的,以前未探索的,气溶胶化学在行星大气中的作用。
2014-01-08 astro-ph.EP
Modeling the formation of Selk impact crater on Titan: Implications for Dragonfly
本研究通过模拟土卫六上Selk规模的撞击坑,探究不同甲烷笼形水合物层厚度对撞击坑形成及熔池特征的影响,证实熔池可存在数万年,为NASA Dragonfly任务搜寻生命迹象提供了理论支撑。
2023-02-22 astro-ph.EP
How CO Affects the Composition of Titan's Tholins Generated with ECR Plasma
本研究通过ECR等离子体实验模拟,向N2/CH4混合气中加入不同比例CO,发现CO不仅提供氧源,还增强氮的反应性,从而增加泰坦索林有机产物的多样性与数量。
2025-06-16 astro-ph.EP physics.chem-ph physics.plasm-ph
Laboratory Investigations of Titan Haze Formation: In Situ Measurement of Gas and Particle Composition
在卡西尼-惠更斯号抵达之前,土卫六大气中的气溶胶被认为是从平流层开始产生的,那里的化学过程主要是由FUV辐射引发的。然而,卡西尼UVIS和CAPS进行的测量表明,烟雾的形成始于热层,那里有更多的EUV光子和高能粒子可用于引发化学反应,包括N2的破坏。卡西尼INMS在土卫六的大气中发现了以前未预测的氮物种,表明氮在化学中的参与程度比卡西尼之前所认识的要大得多。薄雾中的氮含量对于了解土卫六大气层及其表面分子的多样性非常重要。我们已经进行了一系列的模拟实验,使用火花放电或FUV光子在CH 4/N2气体混合物(0.01%CH4/99.99%N2至10%CH4/90%N2)中引发化学反应。我们使用HR-ToF-AMS测量颗粒组成作为粒度的函数,并使用PIT-MS测量气相产物的组成,从而获得原位实时测量。这两种技术使我们能够调查的能源和初始甲烷浓度的影响上的程度的氮掺入在气相和固相产品。这里给出的结果证实,FUV光子不仅产生固相含氮产物,而且产生气相氮物种。我们发现,在气相和固相中,氮被发现在腈,而不是胺和气相和固相产品主要由分子具有低程度的芳香性。紫外线实验重现了土卫六平流层中测量到的一些气相物质的绝对丰度,包括C4 H2、C6 H6、HCN、CH 3CN、HC 3 N和C2 H5 CN。[编辑长度]
2017-09-28 astro-ph.EP
Laboratory Studies of Methane and Its Relationship to Prebiotic Chemistry
为了研究陆地生命是如何出现的,自20世纪50年代以来,已经进行了一些实验室实验。甲烷是这些研究中的关键分子之一。在早期的研究中,主要使用含有甲烷和氨的强还原气体混合物来模拟原始地球大气中可能的反应,并检测到氨基酸和其他有机化合物。由于原始地球大气的还原性较低,地球外有机物对生命起源的贡献被认为是相当重要的。地外有机化学已经在实验和理论上得到了深入的研究,包括模拟星际分子反应的实验室实验。内源和外源有机物应该已经被供应给原始海洋。现在,海底热液系统被认为是生命产生的可能地点之一。目前正在加紧进行模拟海底热液系统的实验,其中甲烷发挥了重要作用。我们认识到,对其他太阳系天体可能发生的反应进行这种研究,对于了解生命的起源十分重要。土卫六和其他冰冷的天体,甲烷在其中扮演着重要的角色,是特别好的研究目标。在土卫六的模拟实验中,不仅使用了含甲烷的大气层,而且还使用了由甲烷和其他碳氢化合物组成的液相层。本文总结了各种地球和地外环境的模拟实验,并讨论了甲烷在化学演化中的可能作用。
2018-06-06 astro-ph.EP