Cosmogenic production rates and recoil loss effects in micrometeorites and interplanetary dust particles

We present a purely physical model to determine cosmogenic production rates for noble gases and radionuclides in micrometeorites (MMs) and interplanetary dust particles (IDPs) by solar cosmic-rays (SCR) and galactic cosmic-rays (GCR) fully considering recoil loss effects. Our model is based on various nuclear model codes to calculate recoil cross sections, recoil ranges, and finally the percentages of the cosmogenic nuclides that are lost as a function of grain size, chemical composition of the grain, and the spectral distribution of the projectiles. The main advantage of our new model compared with earlier approaches is that we consider the entire SCR particle spectrum up to 240 MeV and not only single energy points. Recoil losses for GCR-produced nuclides are assumed to be equal to recoil losses for SCR-produced nuclides. Combining the model predictions with Poynting-Robertson orbital lifetimes, we calculate cosmic-ray exposure ages for recently studied MMs, cosmic spherules, and IDPs. The ages for MMs and the cosmic-spherule are in the range <2.2–233 Ma, which corresponds, according to the Poynting-Robertson drag, to orbital distances in the range 4.0–34 AU. For two IDPs, we determine exposure ages of longer than 900 Ma, which corresponds to orbital distances larger than 150 AU. The orbital distance in the range 4–6 AU for one MM and the cosmic spherule indicate an origin either in the asteroid belt or release from comets coming either from the Kuiper Belt or the Oort Cloud. Three of the studied MMs have orbital distances in the range 23–34 AU, clearly indicating a cometary origin, either from short-period comets from the Kuiper Belt or from the Oort Cloud. The two IDPs have orbital distances of more than 150 AU, indicating an origin from Oort Cloud comets.

The distribution of interplanetary dust between 0.96 and 1.04 au as inferred from impacts on the STEREO spacecraft observed by the heliospheric imagers

The distribution of dust in the ecliptic plane between 0.96 and 1.04 au has been inferred from impacts on the two Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) spacecraft through observation of secondary particle trails and unexpected off-points in the heliospheric imager (HI) cameras. This study made use of analysis carried out by members of a distributed web-based citizen science project Solar Stormwatch. A comparison between observations of the brightest particle trails and a survey of fainter trails shows consistent distributions. While there is no obvious correlation between this distribution and the occurrence of individual meteor streams at Earth, there are some broad longitudinal features in these distributions that are also observed in sources of the sporadic meteor population. The different position of the HI instrument on the two STEREO spacecraft leads to each sampling different populations of dust particles. The asymmetry in the number of trails seen by each spacecraft and the fact that there are many more unexpected off-points in the HI-B than in HI-A indicates that the majority of impacts are coming from the apex direction. For impacts causing off-points in the HI-B camera, these dust particles are estimated to have masses in excess of 10−17 kg with radii exceeding 0.1 μm. For off-points observed in the HI-A images, which can only have been caused by particles travelling from the anti-apex direction, the distribution is consistent with that of secondary ‘storm’ trails observed by HI-B, providing evidence that these trails also result from impacts with primary particles from an anti-apex source. Investigating the mass distribution for the off-points of both HI-A and HI-B, it is apparent that the differential mass index of particles from the apex direction (causing off-points in HI-B) is consistently above 2. This indicates that the majority of the mass is within the smaller particles of this population. In contrast, the differential mass index of particles from the anti-apex direction (causing off-points in HI-A) is consistently below 2, indicating that the majority of the mass is to be found in larger particles of this distribution.

Variation of the mixing state of Saharan dust particles with atmospheric transport

Mineral dust is an important aerosol species in the Earth’s atmosphere and has a major source within North Africa, of which the Sahara forms the major part. Aerosol Time of Flight Mass Spectrometry (ATOFMS) is first used to determine the mixing state of dust particles collected from the land surface in the Saharan region, showing low abundance of species such as nitrate and sulphate internally mixed with the dust mineral matrix. These data are then compared with the ATOFMS single particle mass spectra of Saharan dust particles detected in the marine atmosphere in the vicinity of the Cape Verde islands, which are further compared with those from particles with longer atmospheric residence sampled at a coastal station at Mace Head, Ireland. Saharan dust particles collected near the Cape Verde Islands showed increased internally mixed nitrate but no sulphate, whilst Saharan dust particles collected on the coast of Ireland showed a very high degree of internally mixed secondary species including nitrate, sulphate and methanesulphonate. This uptake of secondary species will change the pH and hygroscopic properties of the aerosol dust and thus can influence the budgets of other reactive gases, as well as influencing the radiative properties of the particles and the availability of metals for dissolution.

Dynamical evolution of Saturn's F ring dust particles

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Atmospheric heterogeneous reactions of N 2 O 5 and NO 3 radicals with mineral dust particles

Die heterogenen Reaktionen von N2O5 bzw. NO3 auf mineralischen Staubpartikeln wurden untersucht, um deren Einfluss auf den Abbau atmosphärischer Stickoxide (NOx) sowie auf die chemische Veränderung der Staubpartikel während ihres Transportes durch die Atmosphäre besser verstehen zu können. Die experimentellen Studien wurden bei Atmosphärendruck, Raumtemperatur und unterschiedlichen relativen Luftfeuchten durchgeführt. Der Aufnahmekoeffizient γ(N2O5) von N2O5 auf dispergiertem Staub aus der Sahara wurde zu 0,020 ± 0,002 (1σ) bestimmt, unabhängig von der relativen Feuchte (0 - 67 %) sowie der N2O5-Konzentration (5x1011 - 3x1013 Moleküle cm-3).rnDie Analyse der Reaktionsprodukte in der Gasphase sowie auf der Partikeloberfläche führt zu der Annahme, dass N2O5 auf der Staubpartikeloberfläche zu Nitrat hydrolysiert wird. Es konnte kein Einfluss der relativen Feuchte auf den Aufnahmekoeffizienten ermittelt werden, was durch das vorhandene interlamellare Wasser, welches bis zu 10 % der Partikelmasse betragen kann, erklärbar ist. Der gemessene Wert des Aufnahmekoeffizienten ist unabhängig von der Eingangs-N2O5-Konzentration, was sich über die sehr große innere Oberfläche der Partikel erklären lässt. Dennoch ließ sich durch eine vorherige Konditionierung der Partikel mit gasförmigem HNO3, was eine Nitratanreicherung an der Oberfläche bewirkt, die Effizienz der N2O5-Aufnahme auf die Staubpartikel reduzieren. Zusätzliche Studien befassten sich mit der Bestimmung des Aufnahmekoeffizienten von N2O5 auf Illit-Partikeln und auf Teststaub aus Arizona. Bei einer relativen Luftfeuchte von 0 % wurden für γ(N2O5) Werte von 0,084 ± 0,019 (1σ) für Illit und von 0,010 ± 0,001 (1σ) für Arizona Teststaub ermittelt.rnUnter Anwendung einer neuartigen Messmethode, die auf der zeitgleichen Messung der Konzentrationsabnahme von NO3 und N2O5 relativ zueinander beruht, wurde das Verhältnis γ(NO3)/γ(N2O5) der Aufnahmekoeffizienten von NO3 und N2O5 auf Saharastaub zu 0,9 ± 0,4 (1σ) bestimmt. Dieser Wert war unabhängig von der relativen Feuchte, den NO3- und N2O5-Konzentrationen sowie der Reaktionszeit, obwohl eine Oberflächendeaktivierung für beide Spurenstoffe beobachtet wurde.

Rotating dust particles in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko

Context. During September and October 2014, the OSIRIS cameras onboard the ESA Rosetta mission detected millions of single particles. Many of these dust particles appear as long tracks (due to both the dust proper motion and the spacecraft motion during the exposure time) with a clear brightness periodicity. Aims. We interpret the observed periodic features as a rotational and translational motion of aspherical dust grains. Methods. By counting the peaks of each track, we obtained statistics of a rotation frequency. We compared these results with the rotational frequency predicted by a model of aspherical dust grain dynamics in a model gas flow. By testing many possible sets of physical conditions and grain characteristics, we constrained the rotational properties of dust grains. Results. We analyzed on the motion of rotating aspherical dust grains with different cross sections in flow conditions corresponding to the coma of 67P/Churyumov-Gerasimenko qualitatively and quantitatively. Based on the OSIRIS observations, we constrain the possible physical parameters of the grains.

Isotopic ratios, concentration of noble gases and mineral and bulk composition of extraterrestrial dust particles in Dome Fuji ice core, East Antarctica

Two silicate-rich dust layers were found in the Dome Fuji ice core in East Antarctica, at Marine Isotope Stages 12 and 13. Morphologies, textures, and chemical compositions of constituent particles reveal that they are high-temperature melting products and are of extraterrestrial origin. Because similar layers were found ~2000 km east of Dome Fuji, at EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica)-Dome C, particles must have rained down over a wide area 434 and 481 ka. The strewn fields occurred over an area of at least 3 × 10**6 km**2. Chemical compositions of constituent phases and oxygen isotopic composition of olivines suggest that the upper dust layer was produced by a high-temperature interaction between silicate-rich melt and water vapor due to an impact explosion or an aerial burst of a chondritic meteoroid on the inland East Antarctic ice sheet. An estimated total mass of the impactor, on the basis of particle flux and distribution area, is at least 3 × 10**9 kg. A possible parent material of the lower dust layer is a fragment of friable primitive asteroid or comet. A hypervelocity impact of asteroidal/cometary material on the upper atmosphere and an explosion might have produced aggregates of sub-µm to µm-sized spherules. Total mass of the parent material of the lower layer must exceed 1 × 10**9 kg. The two extraterrestrial horizons, each a few millimeters in thickness, represent regional or global meteoritic events not identified previously in the Southern Hemisphere.

The role of Mab as a source for the mu ring of Uranus (Research Note)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Strukturelle, chemische und isotopische Analysen nanoskaliger präsolarer und früher solarer Kondensate

Neben astronomischen Beobachtungen mittels boden- und satellitengestützer Instrumente existiert ein weiterer experimenteller Zugang zu astrophysikalischen Fragestellungen in Form einer Auswahl extraterrestrischen Materials, das für Laboruntersuchungen zur Verfügung steht. Hierzu zählen interplanetare Staubpartikel, Proben, die von Raumfahrzeugen zur Erde zurückgebracht wurden und primitive Meteorite. Von besonderem Interesse sind sog. primitive kohlige Chondrite, eine Klasse von Meteoriten, die seit ihrer Entstehung im frühen Sonnensystem kaum verändert wurden. Sie enthalten neben frühem solarem Material präsolare Minerale, die in Sternwinden von Supernovae und roten Riesensternen kondensiert sind und die Bildung unseres Sonnensystems weitgehend unverändert überstanden haben. Strukturelle, chemische und isotopische Analysen dieser Proben besitzen demnach eine große Relevanz für eine Vielzahl astrophysikalischer Forschungsgebiete. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Laboranalysen mittels modernster physikalischer Methoden an Bestandteilen primitiver Meteorite durchgeführt. Aufgrund der Vielfalt der zu untersuchenden Eigenschaften und der geringen Größen der analysierten Partikel zwischen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern mussten hierbei hohe Anforderungen an Nachweiseffizienz und Ortsauflösung gestellt werden. Durch die Kombination verschiedener Methoden wurde ein neuer methodologischer Ansatz zur Analyse präsolarer Minerale (beispielsweise SiC) entwickelt. Aufgrund geringer Mengen verfügbaren Materials basiert dieses Konzept auf der parallelen nichtdestruktiven Vorcharakterisierung einer Vielzahl präsolarer Partikel im Hinblick auf ihren Gehalt diagnostischer Spurenelemente. Eine anschließende massenspektrometrische Untersuchung identifizierter Partikel mit hohen Konzentrationen interessanter Elemente ist in der Lage, Informationen zu nukleosynthetischen Bedingungen in ihren stellaren Quellen zu liefern. Weiterhin wurden Analysen meteoritischer Nanodiamanten durchgeführt, deren geringe Größen von wenigen Nanometern zu stark modifizierten Festkörpereigenschaften führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine quantitative Beschreibung von Quanteneinschluss-Effekten entwickelt, wie sie in diesen größenverteilten Halbleiter-Nanopartikeln auftreten. Die abgeleiteten Ergebnisse besitzen Relevanz für nanotechnologische Forschungen. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden Untersuchungen an frühen solaren Partikeln, sog. refraktären Metall Nuggets (RMN). Mit Hilfe struktureller, chemischer und isotopischer Analysen, sowie dem Vergleich der Ergebnisse mit thermodynamischen Rechnungen, konnte zum ersten Mal ein direkter Nachweis von Kondensationsprozessen im frühen solaren Nebel erbracht werden. Die analysierten RMN gehören zu den ersten Festkörperkondensaten, die im frühen Sonnensystem gebildet wurden und scheinen seit ihrer Entstehung nicht durch sekundäre Prozesse verändert worden zu sein. Weiterhin konnte erstmals die Abkühlrate des Gases des lokalen solaren Nebels, in dem die ersten Kondensationsprozesse stattfanden, zu 0.5 K/Jahr bestimmt werden, wodurch ein detaillierter Blick in die thermodynamische Geschichte des frühen Sonnensystems möglich wird. Die extrahierten Parameter haben weitreichende Auswirkungen auf die Modelle der Entstehung erster solarer Festkörper, welche die Grundbausteine der Planetenbildung darstellen.