hielos y plasmas atmosféricos y astrofísicos

HIELOS Y PLASMAS
ATMOSFÉRICOS Y ASTROFÍSICOS
(Experimentos de laboratorio y simulaciones teóricas)
Belén Maté
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
HIELOS y agregados
de interés atmosférico y
astrofísico
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
¿A qué llamamos hielo?
Agua
Real Academia Española de la
Lengua
Hielo: Agua convertida en cuerpo
sólido por un descenso suficiente
de temperatura
Definición Científica
Hielo: se dice de una fase sólida, normalmente
cristalina, de una sustancia que se presenta en estado
líquido o gas a temperatura ambiente.
Diferentes sustancias heladas. Por ejemplo: metanol
(CH3OH), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), …
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
¿Qué queremos estudiar y por qué?
Hielos y aerosoles atmosféricos
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Nubes estratosféricas polares (PSC)
Hielos de HNO3-H2SO4-H2O
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Destrucción de ozono en las (PSCs)
Efectos de las PSC’s:
Activación de reacciones heterogeneas, liberación de cloro molecular,
atrapamiento de ácido nítrico-inhibidor de óxidos de cloro.
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Aerosoles atmosféricos
Una mayor comprensión de los aerosoles es importante por:
• Impacto potencialmente negativo sobre la salud humana y los
ecosistemas.
• Papel importante en el clima mundial por su influencia en el balance
radaitivo global de la Tierra.
Aerosoles: pobremente entendidos
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Aerosoles atmosféricos
Química de los halógenos en la atmósfera marina y polar
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
¿Qué queremos estudiar y por qué?
Hielos astrofísicos
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Hielo en objetos astrofísicos
• Regiones de formación estelar
• Núcleos cometarios
• Planetas y Satélites del Sistema Solar
(Titan, Iapetus, Phoebe, Ganymede, Callisto, etc.)
Predomina el hielo de agua, con pequeñas cantidades de
moleculas sencillas congeladas (NH3, CO2, CO, N2 and CH4).
Hielo de CO2
en la
superficie de
Marte
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Los datos de laboratorio son necesarios para la
interpretación de las observaciones espaciales
El impacto
Después
La sonda del Deep Impact (365 Kg) colisionó
sobre la superficie del cometa Temple 1 en 2005
Image: NASA/JPL-Caltech/UMD
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Evidencias de su composición
Espectro en nuestro Laboratorio
H 2O
CO 2
10 veces más
Antes del impacto
Después del impacto
Misión Deep impact (NASA)
A’Hearn et al, Science 310, 258 (2005)
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Técnicas de Investigación
Experimental
Teórica
Simulación en el laboratorio
de los distintos sistemas
atmosféricos o astrofísicos.
Diferentes programas ab initio:
(SIESTA, CASTEP, GAUSSIAN,
MOLPRO…)
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Sistema experimental I
HIELOS GENERADOS POR DEPÓSITO DESDE FASE VAPOR
Cámara alto vacío: 10-8 – 10-3 mbar
Sustrato con temperatura controlada entre: 6 -300 K
Simular condiciones similares de la atmósfera o el espacio
CARACTERIZACIÓN:
ESPECTROSCOPÍA
INFRARROJA
TRANSMISIÓN O
REFLEXIÓN-ABSORCIÓN
ESPECTROMETRÍA
DE MASAS
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Sistema experimental I
Simulación de hielos
astrofísicos
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Sistema experimental II
GENERACIÓN DE AEROSOLES
Tubo de flujo, presiones de 0.1 a 1 atmósfera
Temperatura de – 50 ºC a temperatura ambiente
Simular condiciones similares a la atmósfera
CARACTERIZACIÓN:
ESPECTROSCOPÍA
INFRARROJA
TRANSMISIÓN
ESPECTROMETRÍA
DE MASAS
Contador de partículas,
y medidor de RH
¡¡Primeras pruebas exitosas!!
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
EJEMPLOS
• CO2 atrapado en hielo de agua.
• Ión NH4+ oculto en hielo de agua.
• Huellas de la glicina en entornos helados.
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Hielos cometarios: CO2 atrapado en H2O
ν3 12CO2
2344.3 cm-1
0.4
0.3
0.2
0.1
Sequential
80 K
105 K
2340.9 cm-1
Si
0.0
Absorbance
2343.1 cm-1
0.4
co-deposited
0.2
80 K
105 K
2340.2 cm-1
0.0
Si
2344.5
0.2
cm-1
CO2 puro
T= 80 K
0.0
2420
2400
2380
2360
2340
-1
Wavenumber (cm )
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
2320
2300
Hielos con iones NH4+, HCOO- y H2O
6.85
μm
NH4+ ?
Observación SWS, ISO
Espectro de flujo de mantos de
hielos sobre granos de polvo en
la línea de visión hacia W33A
Sistema de generación
“hyperquenching”:
Congelamiento súbito de
agregados líquidos de una
disolución de NH4Cl o
NH4COOH.
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Hielos con iones NH4+, HCOO- y H2O
0.6
HCOO-
líquido
H2O
absorbancia
0.4
H2O/sal ~
100/7
solución
acuosa
HCOONH4+
Disolución de :
NaCOOH
NH4COOH
NH4Cl
0.2
0.0
2000
1800
1600
1400
1200
cm-1
Hielo
14K
H2O/sal ~
100/7
Hyperquenching
absorbancia
0.20
0.15
no se ve
0.10
2000
1800
1600
cm-1
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
1400
1200
ApJL, 703, L178, 2009
B. Maté, O. Gálvez,V.J.
Herrero, D. FernándezTorre, M.A. Moreno,
and R. Escribano
Glicina en hielos de H2O, CO2 o CH4.
Ayuda a la identificación de moléculas orgánicas en el espacio
Horno de evaporación de glicina
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
El espectro IR de la glicina varía mucho con el entorno
a)
0.02
T=25 K
Glicina Pura
0.00
b)
0.02
*
*
absorbance
0.5% Glicina:H2O
0.00
c)
0.02
0.5% Glicina:CO2
0.00
PCCP, 13 12268, 2011.
Belén Maté, Yamilet RodriguezLazcano, Óscar Gálvez, Isabel
Tanarro and Rafael Escribano.
*
d)
0.02
0.5% Glicina:CH4
0.00
2000
1500
1000
-1
Wavenumber (cm )
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Cálculo del cristal de Glicina
60
Arbitrary Units
calculated
40
20
experimental
0
3500
3000
2500
2000
1500
1000
-1
Wavenumber (cm )
Determinación teórica de intensidad de
absorción absorción infrarroja. Cuantificación
de la cantidad de glicina en los espectros
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
PLASMAS
de interés atmosférico y
astrofísico
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
2
3
10
30
4
10
5
10
Te (K)
10
6
10
7
8
10
10
9
10
30
Conductor
Solids
10
10
Solar core
Solar
photosphere
25
PLASMAS
25
10
Laser
focus
-3
Ne ( m )
10
Lightning
Fusion
reactor core
Arc
20
10
20
10
Fusion
plasma edge
Flame
Solar
corona
Glow
15
10
PLASMAS
Plasma
Nebula
Aurora
FRIOS
10
10
-2
10
-1
10
0
10
VII Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
15
10
Interplanetary
space
10
1
10
2
10
Ee (eV)
3
10
4
10
10
5
10
Procesos Físico-Químicos en Plasmas Fríos
PRIMARIOS
• Ionización
• Excitación
• Disociación
AB + e– → AB+ + 2e–
AB + e– → AB* + e–
AB + e– → A + B + e–
SECUNDARIOS
•
•
•
•
Neutralización
Desexcitación (Emisión de luz de todos los plasmas)
Recombinación: Reacciones Homogéneas y Heterogéneas
Efectos en Pared ⇒Recubrimientos, “Sputtering” & “Etching
Gran número de especies y procesos involucrados
Numerosas líneas de investigación básica y tecnológica
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Laboratorio de Plasmas Fríos. Instituto de Estructura de la Materia. CSIC
http://www.iem.cfmac.csic.es/departamentos/fismol/fmap/plasmas.htm
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Grupo de Física Molecular de Atmósferas y Plasmas
http://www.iem.cfmac.csic.es/departamentos/fismol/fmap/main.htm
IX Curso de Iniciación a la Investigación en Estructura de la Materia
Gracias por vuestra atención