Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4382
Main Title: Formation of C 3 and C 2 in cometary comae
Translated Title: Entstehung von C 3 und C 2 in kometaren Komas
Author(s): Hölscher, Alexander
Referee(s): Rauer, Heike
Dopfer, Otto
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Kometen sind Überreste aus der Entstehungszeit des Sonnensystems. Da sie sich weit entfernt von der Sonne befinden, vermutet man, dass die physikalischen und chemischen Bedingungen zu dieser Zeit in ihrem Eis konserviert sind. Der Hauptbestandteil des Eises ist H2O, gefolgt von CO, CO2 und Spuren von verschieden komplexen Molekülen. Des Weiteren enthalten Kometen große Mengen an Staub. Wenn sich ein Komet der Sonne nähert, sublimiert das Eis und bildet dadurch die Kometenkoma. Moleküle der Koma werden im infraroten, im Radio- und im optischen Wellenlängenbereich beobachtet. Um Randbedingungen der Entstehung des Sonnensystems zu erhalten, benötigt man die Zusammensetzung einer statistisch signifikanten Anzahl von Kometen. Am Besten dafür geeignet sind optische Beobachtungen z.B. von C3 (Trikohlenstoff) und C2 (Dikohlenstoff), die auch für relativ leuchtschwache Kometen und vom Boden aus beobachtet werden können. Man muss jedoch die beobachteten Photodissoziationsprodukte (Tochtermoleküle) C3 und C2 den von der Kometenoberfläche sublimierten sogenannten Elternmolekülen zuordnen, z.B. C2H2 (Ethin) für C2. Für C3 sind bislang keine Elternmoleküle identifiziert worden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Entstehung von C3- und C2-Radikalen in der Kometenkoma durch die Photodissoziation von beobachteten und in der Literatur vorgeschlagenen Elternmolekülen. Zu diesem Zweck wurde ein eindimensionales Multi-Fluid-Model der Komachemie verbessert und angewendet. In dieser Arbeit wurden dem Model neue Photoreaktionen hinzugefügt, die Ratenkoeffizienten aktualisiert und deren Unsicherheiten zum ersten Mal umfassend berechnet. Es wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Reaktionen zu bestimmen, deren Unsicherheiten den größten Einfluss auf die Unsicherheit der C3- und C2-Modelergebnisse haben. Diese sogenannten Schlüsselreaktionen sollten bevorzugt in zukünftigen Laboruntersuchungen und quantenchemischen Berechnungen untersucht werden, um die Modelunsicherheiten effektiv zu reduzieren. Dadurch kann man besser eingrenzen, welche Moleküle für die beobachteten C3- und C2-Säulendichten verantwortlich sind. Basierend auf Beobachtungen der 4 Kometen C/2001 Q4 (NEAT), C/2002 T7 (LINEAR), 9P (Tempel 1) and C/1995 O1 (Hale-Bopp) untersucht diese Arbeit welche Kombination der in der Literatur vorgeschlagenen Elternmoleküle C4H2 (Diacetylen), CH2C2H2 (Allene), CH3C2H (Propin), C2H4 (Ethen) und der beobachteten Elternmoleküle C2H2 und HC3N (Cyanoacetylen) die C3- und C2-Beobachtungen im Rahmen der Unsicherheiten der Photodissoziationsratenkoeffizienten am Besten reproduzieren kann. Es wurde ermittelt, dass die Unsicherheiten der Photodissoziationsratenkoeffizienten zu signifikanten Unsicherheiten der C3- und C2-Modelsäulendichten führen. Die dafür verantwortlichen Schlüsselreaktionen wurden mit der Sensitivitätsanalyse bestimmt. Das wichtige Ergebnis dieser Arbeit ist, dass mit dem verbesserten Model die Beobachtungen von Kometen bei den Abständen rh = 1.00 AU (NEAT) und rh = 3.78 AU (Hale-Bopp) innerhalb der Unsicherheiten der Photodissoziation angemessen gut reproduziert werden können, mit realistischen Elternmolekülproduktionsraten und mit verschiedenen Kombinationen der untersuchten Elternmoleküle. Um die Übereinstimmungen (NEAT, Hale-Bopp) zu bestätigen und verbleibende Abweichungen (LINEAR, Tempel 1) zwischen Model und Beobachtungen aufzuklären, werden weitere Messungen von Eltern- und Tochtermolekülen in der Koma von Kometen und in situ Messungen von Kometeneis (Rosetta) benötigt.
Comets are remnants from the Solar System formation. They reside at large distances from the Sun and are believed to store deep freeze imprints of the chemical and physical conditions at the time the Solar System formed. The main ice component of a comet is H2O followed by CO and CO2 with additional small amounts of molecules with varying complexity. Comets also contain large amounts of dust. If a comet approaches the Sun the ices begin to sublimate giving rise to the cometary coma. The molecules producing the coma can be observed in the infrared, the radio wavelength range and at optical wavelengths. To constrain the formation of the Solar System, models require knowledge of the composition for a statistically significant number of comets. This favors optical observations of e.g. C3 (tricarbon) and C2 (dicarbon) since these species allow observations even of relatively faint comets and do not require space missions (infrared observations). However, one has to link these observed photodissociation product species (daughter species) to the molecules that originally sublimated from the comet nucleus surface, i.e. the so-called parent molecules, as e.g. C2H2 (acetylene) for C2. However, for C3 no parent molecules have been identified so far. This thesis investigates the formation of C3 and C2 radicals in cometary comae due to photodissociation of observed and in the literature proposed hydrocarbon parent molecules. For this purpose a one-dimensional multi-fluid coma chemistry model has been improved and applied. This work added new photo reactions to the model, updated the hydrocarbon photo rate coefficients and quantified their uncertainty. A sensitivity analysis has been carried out to determine the reactions whose uncertainty most affect the model output uncertainty. Special attention should be paid to these so-called key reactions in future laboratory experiments and quantum chemical computations to reduce the model output uncertainty more effectively. This will allow to better constrain which parent molecules are responsible for the observational C3 and C2 column densities. Based on observations of the four sample comets C/2001 Q4 (NEAT), C/2002 T7 (LINEAR), 9P (Tempel 1) and C/1995 O1 (Hale-Bopp), this work investigates which combination of the following proposed parent molecules C4H2 (diacetylene), CH2C2H2 (allene), CH3C2H (propyne), C2H4 (ethene) and observed parent molecules C2H2 and HC3N (cyanoacetylene) can best reproduce the observational C3 and C2 column densities in cometary comae, taking into account the uncertainties in photodissociation rate coefficients. It was found that the investigated photodissociation rate coefficients have large uncertainties and also a significant effect on the C3 and C2 model column densities. The responsible key reactions were determined with the sensitivity analysis. The important result of this thesis is that one can reasonably well reproduce the observations of comets with the improved model at rh = 1.00 AU (NEAT) and rh = 3.78 AU (Hale-Bopp), within the photodissociation uncertainties using realistic parent molecule production rate ratios and by various combinations of the investigated parent molecules. To confirm the agreement (NEAT, Hale-Bopp) and to clearify remaining discrepancies (LINEAR, Tempel 1) between model and observations requires additional observations of parent and daughter molecules in the coma of comets as well as in situ measurements of cometary ices (Rosetta).
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-64291
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4679
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4382
Exam Date: 5-Mar-2015
Issue Date: 25-Mar-2015
Date Available: 25-Mar-2015
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Kometen
Sonnensystem
Photochemie
Kohlenwasserstoffe
Sensitivitätsanalyse
Harmonie-Suchalgorithmus
Comets
solar system
photochemistry
hydrocarbons
sensitivity analysis
optimization
harmony search algorithm
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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