El artículo presenta un modelo fotoquímico de la ionosfera de Calisto con datos proporcionados por un modelo de Monte Carlo de simulación directa de su atmósfera neutra. Se comparan modelos que consideran las interacciones con fotones como el único mecanismo de ionización externa con modelos que también incluyen impactos de electrones magnetosféricos, donde las densidades y temperaturas de electrones aguas arriba varían para determinar el papel que la población de electrones altamente variable cerca de Calisto tiene en la estructura ionosférica subyacente. Dependiendo de la densidad de electrones aguas arriba implementada, los impactos de electrones magnetosféricos dominan la producción de la ionosfera de Calisto o inducen reacciones a tasas comparables o inferiores a las de los fotones solares. Además, dependiendo de la temperatura de electrones aguas arriba implementada, los impactos de electrones disocian o ionizan preferentemente moléculas. Se demuestra que la ionización de un componente de O2 con una densidad superficial de 10^9 cm^-3, consistente con observaciones y modelos remotos recientes, es capaz de producir las densidades de electrones detectadas durante las radio-ocultaciones de Galileo, de las cuales se infirió inicialmente una densidad superficial de O2 de ~10^10 cm^-3. Las densidades totales de plasma modeladas también se comparan con las inferidas de las mediciones de ondas de plasma de Galileo y muestran un acuerdo razonable hasta ~1000 km, presentando el primer modelo capaz de producir simultáneamente tanto las radio-ocultaciones de Galileo como las observaciones de ondas de plasma.
Calisto, la luna galileana más externa de Júpiter, posee un sistema de atmósfera-ionosfera acoplado, cuya formación es el resultado de procesos físicos y químicos inducidos por el plasma magnetosférico joviano y la irradiación solar. La atmósfera de Calisto está compuesta principalmente por moléculas producidas a través de la radiólisis en el regolito helado, de las cuales se liberan posteriormente - CO2, O2 y H2, así como especies traza producidas por procesos disociativos en la atmósfera, como O y H. Se espera que la ionosfera de Calisto se produzca mediante la fotoionización y la ionización por impacto de electrones magnetosféricos de estos componentes atmosféricos y, por lo tanto, esté compuesta por especies similares a las de la atmósfera. Sin embargo, la presencia de la ionosfera de Calisto solo ha sido detectada por observaciones de Galileo de ondas de plasma y radio-ocultaciones, a partir de las cuales se han inferido las densidades necesarias de electrones ionosféricos. El Paquete de Ambiente de Partículas (PEP) a bordo del Explorador de Lunas Heladas de Júpiter (Juice) proporcionará las primeras observaciones in situ de los iones presentes en la ionosfera de Calisto. Previamente a este trabajo, solo un número limitado de estudios han modelado la composición ionosférica en Calisto, por lo que se aborda esta brecha de conocimiento aplicando un modelo fotoquímico a la ionosfera de Calisto producida mediante la ionización por fotoionización y por impacto de electrones magnetosféricos de su atmósfera, simulada por un modelo de cinética molecular, así como la química ión-neutro concomitante, teniendo en cuenta también la difusión y captura magnetosférica de los iones incipientes.
Se destaca la importancia de mejorar la comprensión de las condiciones del plasma aguas arriba en la órbita de Calisto para describir con mayor precisión cómo los electrones de la magnetosfera depositan su energía en la atmósfera, así como disocian moléculas produciendo especies no térmicas. Se menciona que los resultados presentados tienen implicaciones significativas para los próximos sobrevuelos de Juice de Calisto, demostrando que varias especies iónicas producidas a través de compleja fotoquímica pueden ser detectadas según la instrumentación de la nave espacial y la altitud C/A esperada.
Además, se resalta que las observaciones futuras de la atmósfera de Calisto por parte del telescopio espacial HST esperan detectar H2O, lo que proporcionará los insumos necesarios para simular su distribución correspondiente y la de su producto disociado OH. Se menciona la detección de CO2 en la atmósfera de Calisto y se plantea la posibilidad de detectar CO en futuras observaciones de Juice para restringir la eficiencia de adhesión correspondiente. Se sugiere explorar diferentes eficiencias de adhesión para determinar su influencia en la distribución resultante de CO y otras especies.
Se señala que los modelos presentados son de acoplamiento unidireccional y se plantea la creación de un acoplamiento bidireccional entre los modelos DSMC y fotoquímicos en futuros trabajos. Este acoplamiento permitiría fuentes no térmicas para la atmósfera neutra, además de considerar reciclaje de especies a través de intercambio de carga, así como química ión-neutro y disociación radiativa de iones moleculares. Estas reacciones fotoquímicas también pueden resultar en nuevas especies neutras que no fueron originalmente incluidas en el modelo DSMC.
En resumen, el estudio proporciona información detallada sobre la ionosfera de Calisto, destacando la importancia de considerar diferentes mecanismos de ionización y de mejorar la comprensión de las condiciones del plasma en la órbita de Calisto para interpretar mejor las observaciones de Galileo e informar futuros estudios en anticipación de la misión Juice.
Palabras clave:
Modelo fotoc químico | Modelo que simula la ionosfera de Calisto. Ionización | Proceso de formación de iones a partir de átomos.Electrones magnetosféricos | Electrones que impactan la atmósfera de Calisto.Densidad electrónica | Cantidad de electrones por unidad de volumen.Observaciones de Galileo | Datos recogidos por la misión Galileo sobre Calisto. O2 | Componente principal de la atmósfera de Calisto. Densidad de superficie | Cantidad de moléculas por área en la superficie.Radiolisis | Descomposición de moléculas por radiación. Modelo de Monte Carlo | Método estadístico utilizado para simulaciones atmosféricas.Plasma | Estado de la materia con partículas cargadas. Espectrómetro de masas | Instrumento para analizar la composición de iones.Reacciones químicas | Transformaciones de sustancias en la ionosfera.Densidad neutral | Cantidad de partículas neutras en un volumen dado. Temperatura | Medida de la energía térmica de un sistema. Reacción química | Proceso donde sustancias se transforman en otras. Colisiones no térmicas | Interacciones entre partículas que no involucran energía térmica. Modelo fotocómico | Simulación que estudia reacciones químicas inducidas por la luz. Densidad de electrones | Cantidad de electrones por unidad de volumen. Ciclo del carbono | Proceso de intercambio de carbono entre la atmósfera y la superficie. Perfiles de densidad | Distribución de densidades a diferentes altitudes. Altitud | Distancia vertical desde el nivel del mar. Espectrómetro | Instrumento que mide las propiedades de la luz.Especies iónicas | Iones presentes en un sistema químico. Ionosfera | Capa de la atmósfera donde predominan los iones. Fotoquímica | Estudio de reacciones químicas impulsadas por la luz. Modelo DSMC | Modelo de simulación de dinámica molecular de gases.Espectrómetro UV| Instrumento que mide radiación ultravioleta.Colisiones electrónicas| Interacciones entre electrones y otras partículas.Emisiones de Lyα| Radiación ultravioleta emitida por el hidrógeno.Especies neutras| Átomos o moléculas sin carga eléctrica.Modelo fotocatalítico| Modelo que describe reacciones químicas impulsadas por luz.
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✨ investigación hecha por 𒄆𒄆𒄆
🧶 Referencias:
1️⃣ Evaluated Bimolecular Ion‐Molecule Gas Phase Kinetics of Positive Ions for Use in Modeling Planetary Atmospheres, Cometary Comae, and Interstellar Clouds
📷 Calisto esconde un océano: el descubrimiento que lo cambia todo
