The observation of the vibrational-rotational transitions of CO2 in the atmosphere of Venus using GIGMICS

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つかさすえたけ
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1 中間赤外線高分散分光観測装置の開発 GIGMICS(Grmanium Immrsion Grating Mid-Infrard Cryognic Spctrograph) Wid covrag: 7.5<λ<13.5um, High disprsion: R~40,000, Dsignd for lin survy and sarch for intrstllar molculs chll grating groov intrval : 0.6 mm blaz angl : dg. ordr : th siz : mm Surfac roughnss: ~3nm 名古屋大学環境学研究科 / 地球惑星科学教室平原靖大可視赤外線観測装置技術 WS 2013/12/17

2 Spctroscopic obsrvation in th Astronomical N-Band :8~13 μm Atmosphric Transmittanc All molculs hav Vibrational transition : Fingrprint rgion ( 指紋領域 ) for Organic molculs n = 1 2p.g. strching of C-C C-O C-N, Bnding of C-C-C vibration-rotation transitions of Mthan, Ethan, Ammonia, N 2 O, O 3, SO 2, O, CO 2, SO 2, S, NOx, Halogn Oxids, tc. High disprsion: R>30,000 Vib.Rot. Transitions rsolvabl for various tri-atomic molculs: CnHm (, -) ==Ky spcis in Astrochmistry k m

3 HO 2 OH H2CO C2H5OH CH OCH 3 3 CH OH 3 CH CO 2 HO 3 CO 3 C CH OH CH CO 3 HO 2 CH 3 2 Chmical Raction Ntwork Schm In ISM H2C3O C 5 CH OH, 3 HO 2 CO CH OH CO CH 3 O CH C CH 3 3 CH 3 C CH 2 2 CH 2 3 C CH 4 CH 5 CH 3 C CH C CO HCN N 2 C 4 CH 3 CH CN 3 H3C3N C HCN NH 3 N C HCO N C2H5CNH CH CNH 3 HC N 11 HC N 9 HC N 7 HC N 5 HC N 3 CH NH 3 2 H2CN C H CN 2 5 CH CN 3 CH2NH CH3NH2 HCN

Intrstllar Molculs Dtctd in IR Only( Nonpolar) Simpl Hydrids, inorganic spcis:, HF, HCl, O, NH 3, C 2, O 2, CH 4, CO, CO 2, N 2 O, S, CS, SO 2, OCS, SiH 4, SiO, SiS, NaCl, KCl, AlCl, AlF, PN, HCP

4 Intrstllar Molculs Dtctd in IR Only( Nonpolar) Simpl Hydrids, inorganic spcis:, HF, HCl, O, NH 3, C 2, O 2, CH 4, CO, CO 2, N 2 O, S, CS, SO 2, OCS, SiH 4, SiO, SiS, NaCl, KCl, AlCl, AlF, PN, HCP molculs in cyclic (AROMATIC) form: c-c 3 H, c-c 3, c-(c ) 2 O, c-c 3 O(cycloprpnon), C 6 H 6 (bnzn), c- SiC 2, c- SiC 3, C 60, C 70 Cyanopollyns, polyactylns and rlatd LINEAR Carbon chains : (Spitzr) C 3, C 5, C 3 O, C 3 S, C 3 O, C 3 S, C 3, C 4, C 6, C 2, HC 4 H(diactyln), HC 6 H(triactyln), C 2 H 4, C 4 Si, HCN, HNC, HC 3 N, HNCCC, HCCNC, HC 5 N, HC 7 N, HC 9 N, HC 11 N, CH 3 CN, CH 3 NC, CH 3 C CN, CH 3 C 3 N, CH 3 C 5 N, CH 3 CCH, CH 3 C 4 H, CH 3 C 6 H, C 2 H 5 CN, C 2 H 3 CN, C 2 H 5 CN Ions: H 3, CH(OPT), CO, SO, CF, HCO, HOC, HN 2, HCS, H 3 O, COH, HOCO, HCNH, HC 3 NH, C 4 H, C 6 H, C 8 H, C 3 N -, C 5 N -, O, H 3 O, OH, SH, Cl (Hrschl) Radicals: CH, C, CH 3, OH, NH, N, SH, HNO, SO, NS, NO, SiC, SiN, NaCN, MgCN, MgNC, AlNC, SiCN, SiNC, N CH, HCO, CCH, C 3 H, C 4 H, C 5 H, C 6 H, C 7 H, C 8 H, CN, C 3 N, C 5 N, CN, HCCN, HC 4 N, C CN, CCO, CCS, CP, PO Aldhyds, Alchohols, Ethrs, Ktons, Amids and rlatd spcis( Pr-Biotic molculs): CO, CS, CH 3 CHO, HNCO, HNCS, N CHO, HC 2 CHO, C OHCHO, CH 3 OH, C 2 H 5 OH, C CHOH, CH 3 SH, (CH 3 ) 2 O, (CH 3 ) 2 CO, HCOOH, HCOOCH 3, CH 3 COOH, CCO, C CCHCN, C NH, CH 3 N, N CN, CH 3 CON Fw IR lin survy in IR, No laboratory IR data 4

5 C 3 H( 2 Π) cyclic C 3 H( 2 B 1 ) Th Mid-Infrard bands toward th nw dtction by GIGMICS/SUBARU Spcis (lctronic stat) Vibration Mod Transition frquncy (cm -1 ) ab initio calculation Matrix spctrum Gas-phas spctrum ν ) no data ν ) no data linar C 3 ν 4, ν , 1080 ) 1003, ) no data cyclic C 3 ν ) ) 1277 ) (FTIR absorption spctroscopy) ν ) ) no data ν ) ) ) (FTIR absorption spctroscopy) ν ) ) no data CH 3 ν ) no data ν ) no data ν ), ) 3108 ) ν ) no data C 2 ( 2 Π u ) ν ) 3136 ) (IR diffrnc Lasr spctroscopy) ν ) ), ) (Lasr Inducd Ractionion trap) C 2 H 3 ν ) 3136, 3142 ) (IR diffrnc Lasr spctroscopy) (Nonclassical) ν ) 2217 ) (IR lasr photodissociation spctroscopy) ν ) no data linar ν ) ) no data cyclic- ν ) ) ) (IR lasr photodissociation spctroscopy) C 3 H 3 ν , ) 1276 ) ) (IR lasr photodissociation spctroscopy) ν ) ) no data HCCCH 2 ν 6(1) ) ) (IR lasr photodissociation spctroscopy) ν 6(2) ) ) (IR lasr photodissociation spctroscopy) linar ν ) 1046 ) (FTIR mission spctroscopy) C 2 N( 2 Π) linar ν ) 1210 ) (IR Lasr spctroscopy, by hot band) NCO ν ) 2182, ) (IR Lasr spctroscopy, by hot band)

6 Kanata 1.5-m tlscop at HASC, Hiroshima Univ., Altitud: 503m = Subaru simulator at Mitaka, NAOJ, until : Jan-Apr, Targt: Moon, Proto-Plantary Nbula, and Vnus, tc.

GIGMICS with KANATA: 8-13 μm Echllgram toward th moon 412 4260 mosaic imag, Diffration ordr 420<m<520 Rf: Grating quation: ml = n d[sin(b) sin(g)] Assignmnt of th absorption spot by th

7 GIGMICS with KANATA: 8-13 μm Echllgram toward th moon mosaic imag, Diffration ordr 420<m<520 Rf: Grating quation: ml = n d[sin(b) sin(g)] Assignmnt of th absorption spot by th HITRAN databas vibration-rotation transition for CO 2 :167 O 107 O 3 78 N 2 O 78 lins, 377 in total. Last squars fit :λ i =λ i (m, x) fitting rdiuals (σ):3.96 pixl Dfinit assignmnt of m daviatd 1

初期成果 I: 惑星状星雲 NGC7027 での [S IV] 輝線のマッピング (M2 青木 ) Flux : 中心部を極大とする強度勾配あり Total Flux

T~1,000,000K: Bipolar jt Rst Frquncy of [SIV] transition λ (μm) R obs Rfrnc Lab.

8 初期成果 I: 惑星状星雲 NGC7027 での [S IV] 輝線のマッピング (M2 青木 ) Flux : 中心部を極大とする強度勾配あり Total Flux 1503Jy from 10 x4 長円形 Total throughput of Kanata-GIGMICS: ~15% 中心観測点での観測波長 λ cntr = (μm) 赤方偏移 (rf. λ rst = μm) V LSR ~22km/s 観測点間での速度差は少ない (σv < 4km/s) 双極ジェットとは独立 ΔV FWHM ~40km/s rsolvd T~1,000,000K: Bipolar jt Rst Frquncy of [SIV] transition λ (μm) R obs Rfrnc Lab. (λ rst ) (1) 100,000 Martin t al. (1990) ISO-SWS (5) 2,000 Brnard-Salas t al. (2000) GIGMICS (58) 1σ 35,000 (ΔV~7.5 km/s) HST/NICMOS (Lattr t al., 2000)

9 Radianc (W/cm -2 /sr/cm -1 ) 金星大気雲頂領域における CO 2 の観測 (M2 柴田 ) 3.4E-6 3.2E-6 3.0E-6 2.8E-6 2.6E-6 2.4E-6 * 13 CO 2 * * * CO 2 * CO * 2 * 2.2E Wavnumbr(cm -1 ) 東広島天文台かなた望遠鏡 GIGMICS (Grmanium Immrsion Grating Mid-Infrard Cryognic Spctrograph) 2011 年 4 月 6 日 AM5:50 明けの明星観測波数 : 924 ~ 988 cm /12/03 コロキウム

10 Radianc (W/cm -2 /sr/cm -1 ) 金星大気雲頂領域における CO 2 の観測 (M2 柴田 ) 3.4E-6 3.2E-6 3.0E-6 2.8E-6 2.6E-6 2.4E-6 * 13 CO 2 * * * CO 2 * CO * 2 * 2.2E Wavnumbr(cm -1 ) 東広島天文台かなた望遠鏡 GIGMICS (Grmanium Immrsion Grating Mid-Infrard Cryognic Spctrograph) 2011 年 4 月 6 日 AM5:50 明けの明星観測波数 : 924 ~ 988 cm /12/03 コロキウム

11 金星大気の放射伝達平行平面大気モデル中間赤外線領域であるため散乱の効果は無視し, 大気分子, 雲粒子による吸収のみを考慮地表面の放射透過率大気の放射透過率光学的厚さ Lin-by-Lin 法により算出標準大気モデル (VIRA), 雲モデル吸収線パラメータ :HITRAN 2008 (CO 2, O,OCS,SO 2 ) 735K Black Body 2013/12/03 コロキウム

12 Normalizd Radianc 観測結果とモデルの比較 (1) 観測された振動回転スペクトル 12 CO 2 (ν 3 ν 2 ) (ν 1 ν 2 ) 30 本 13 CO 2 ν 3 ν 1 13 本 : すべての吸収が深い CO 2 13 CO 12 2 CO Obs Obs 120 Obs Wavnumbr (cm -1 ) 良い一致を示すピークの深さモデル > 観測 2013/12/03 コロキウム

13 Lin Dpth 観測結果とモデルの比較 (3) 13 CO 2 v 3 v 1 Masur vs Calculation 10% Masur 8% Calc(89) Calc(160) 6% 4% 2% 0% R14 R16 R20 R22 R24 R26 R32 Transition 2013/12/03 コロキウム

14 Altitud (km) lowr middl uppr Trrstrial 結果雲頂付近の 12 CO 2 / 13 CO 2 =160±32 下層大気 (~89) と異なる高い値同高度領域で異なる 12 CO 2 / 13 CO 2 比 (Bzard t al. (1987)) 12 CO 2 と 13 CO 2 の同位体分別の過程の存在を示唆 Bzard t al. (1987) This Study in situ masurmnts ground-basd C/ 13 C Ratio 2013/12/03 コロキウム

15 光解離による同位体分別 12 CO 2 と 13 CO 2 の光解離波長は厳密には異なる 12 CO 2 の吸収が強い波長の紫外光 13 CO 2 の吸収が強い波長の紫外光紫外光はすぐに減衰 Absorbr 12 CO 2 > 13 CO 2 紫外光は減衰しにくい優先的な 13 CO 2 の光解離紫外光の届かない高度 (Krasnopolsky (2012) では 65km 前後 ) 本研究の観測高度域 : 65 ~ 71km 13 CO 2 の光解離が優先高 12 CO 2 / 13 CO 2 同位体比 2013/12/03 コロキウム

GIGMICS 外部ビューア光学系 ( 海老塚他 ) GIGMICS Cryostat GIGMICS Aprtur GrnLED 2 3 4 9 1 Collimatd

4 3 a pair of Half Mirrors 4 光軸記憶用 Iris Diaphragm 5 結像用 PCX Lns f=250mm φ30 6 Aprtur

16 GIGMICS 外部ビューア光学系 ( 海老塚他 ) GIGMICS Cryostat GIGMICS Aprtur GrnLED Collimatd H-N Lasr PCX Lns f=6mm φ6 2 CCTV Lns f=50mm F/1.4 3 a pair of Half Mirrors 4 光軸記憶用 Iris Diaphragm 5 結像用 PCX Lns f=250mm φ30 6 Aprtur Stop 7 Achromatic Lns f=75mm φ25 8 Plossl Eypic f=25mm 9 CCTV Lns f=12mm F/ CMOS Imag Snsor (USB で PC へ )

17 GIGMICS N-band 全域波長校正ガスセル (B4 仲本 ) CH4, NH3, C2H4, ~100mmTorr 光路長 100mm, 開口径 20mm Matrial: Pyrx BaF2 Window Torr-Sal による接着試験中目標 : メンテナンスフリー 3 つ目 :~1 週間圧力変化無完成か! と思われたがある朝窓材亀裂

18 Last Slid: GIGMICS in futur Carry-in instrumnt proposal submittd Jan Undr Prshippmnt Rviw in Nagoya Univ. Landing: 2015? Mounting GIGMICS on Nasmith-IR stag: prcis and quick alignmnt ncssary 可動域 :5mm(XYZ) 0.4dg (φ θ) 独立組み立て式再現可能

atomic line spectrum emission line absorption line atom proton neutron nuclei electron Z atomic number A mass number neutral atom ion energy

1 22 22.1 atomic line spectrum emission line absorption line atom proton neutronnuclei electron Z atomic number A mass number neutral atom ion energy level ground stateexcited state ionized state 22.2