アンモニアの表面吸着反応からアプローチする彗星の異常な窒素同位体比の謎

从氨表面吸附反应揭开彗星异常氮同位素比之谜

基本信息

批准号：
16K13916
负责人：
菅原春菜
金额：
$ 2.25万
依托单位：
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-01 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、彗星やコンドライトなどの始原的太陽系物質のもつ非常に高い窒素安定同位体比（δ15N, ‰：地球大気の15N/14N比に対する千分率）について、その形成プロセス解明のための新たなアプローチとして、アンモニアの表面吸着反応に着目した。アンモニアは始原的な窒素分子であり、星間分子雲から太陽系に至るまで豊富に存在する。本研究では、アンモニアの表面吸着反応に伴う窒素同位体分別について明らかにすべくアンモニアガスと吸着剤を用いた吸着実験を行った。当該年度ではまず、吸着実験に向け、吸着したアンモニアの元素分析-同位体比質量分析計 (EA-IRMS)を用いた極微量窒素同位体比測定法の最適化を行った。その結果、アンモニアがわずかに吸着した試料（<0.05 wt.%）や水を含む試料についても、そのδ15N値の測定が可能になった。さらに、確立した分析手法を用いて室温環境でアンモニアガスの吸着実験を行った。実験にはケイ酸塩鉱物であり、代表的な吸着剤でもあるモンモリロナイト、サポナイト等を用いた。その結果、アンモニアの吸着に伴い大きな窒素同位体分別が生じること、また吸着率と窒素同位体分別との間に負の相関が見られることが明らかになった。さらに、X線回折（XRD）分析の結果から、アンモニアの吸着により鉱物の層間距離が広がることから、層間空間が主要な吸着場となっていることもわかった。本成果については国内外の学会で発表すると共に、国際誌に受理された。星間環境での検証に関しては温度や濃度などまだ検証すべき課題があるが、本研究により、吸着という素過程が窒素同位体分別を引き起こすこと、またアンモニアの吸着が鉱物表面への15Nの濃集の要因となりうることが明らかになった。

在这项研究中，我们的目标是阐明彗星和球粒陨石等原始太阳系物质中极高的稳定氮同位素比率（δ15N，‰：相对于地球大气中的 15N/14N 比率的千分之几）的形成过程。一种新的方法，我们专注于氨的表面吸附反应。氨是原始的氮分子，从星际分子云到太阳系，氨都大量存在。在本研究中，我们使用氨气和吸附剂进行吸附实验，以澄清与氨表面吸附反应相关的氮同位素分馏。在本财年，我们首先优化了使用元素分析-同位素比质谱仪（EA-IRMS）测量吸附氨的超痕量氮同位素比的方法，为吸附实验做准备。结果，即使对于吸附有少量氨（<0.05wt.%）的样品或含水样品，也可以测量δ15N值。此外，我们利用既定的分析方法在室温下进行了氨气吸附实验。在实验中，我们使用了硅酸盐矿物和典型的吸附剂，如蒙脱石和皂石。结果表明，氨吸附时会发生大量的氮同位素分馏，且吸附率与氮同位素分馏之间存在负相关关系。此外，X射线衍射（XRD）分析结果表明，层间空间是主要吸附位点，因为氨吸附增加了矿物的层间距离。该成果在国内外学术会议上发表，并被国际期刊接收。关于星际环境中的验证，还存在温度、浓度等问题有待验证，但本研究表明，吸附基本过程导致氮同位素分馏，氨吸附导致15N在矿物表面富集。很明显，这可能是一个促成因素。