Кометы и астероиды представляют собой древние остатки протопланетного вещества, содержащие смесь минералов, летучих соединений и органических молекул. Под действием солнечного излучения на их поверхности и в коме запускаются фотохимические процессы, изменяющие химический состав вещества и формирующие вторичные продукты, наблюдаемые астрономами.
Ключевым фактором является ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца, способное разрывать молекулы воды, углекислого газа, угарного газа, метана и аммиака на радикалы, инициирующие дальнейшие реакции. Энергия фотонов в диапазоне 100–400 нм достаточна для возбуждения электронов в молекулах, что приводит к фотодиссоциации и фотоионизации.
Основной компонент кометного ядра — вода. Под действием УФ-излучения происходят реакции:
[ _2 + h + ]
Образующийся гидроксильный радикал (OH) участвует в дальнейших цепочках реакций с углеводородами и аммиаком, приводя к формированию кислородсодержащих органических соединений.
Для CO и CO₂ процессы включают:
[ + h + ] [ _2 + h + ]
Радикалы C и O вступают в реакции с другими молекулами, образуя сложные органические соединения и оксиды.
Кометы содержат разнообразные органические соединения: метан (CH₄), этан (C₂H₆), формальдегид (H₂CO), цианистый водород (HCN) и другие. Фотохимическое воздействие приводит к:
Пример фотохимической цепи:
[ _4 + h_3 + ] [ _3 + _3]
Метан превращается в метанол через взаимодействие с гидроксильным радикалом, образованным фотодиссоциацией воды.
На поверхности астероидов и комет фотохимия дополняется взаимодействием с солнечным ветром (поток заряженных частиц) и космическими лучами. Эти воздействия приводят к радиационно-химическим модификациям молекул, включая образование устойчивых радикалов, крекинг органических молекул и полимеризацию.
На водяных льдах комет наблюдается образование перекиси водорода (H₂O₂) и озона (O₃) в результате совокупного действия фотонов и электронов. Эти соединения являются высокореакционноспособными и могут запускать новые цепи реакций при разогреве кометного ядра.
Фотохимические процессы не ограничиваются летучими компонентами. Минеральные вещества поверхности комет и астероидов также подвержены фотоиндуцированным изменениям.
Кометная кома формируется при субсолнечном нагреве ядра, когда летучие вещества испаряются. Внутри комы происходят следующие фотохимические процессы:
Эти процессы определяют состав газовой и пылевой комы, что наблюдается спектроскопическими методами и позволяет судить о внутреннем составе кометного ядра.
Температура поверхности комет и астероидов оказывает критическое влияние на фотохимию. При низких температурах радикалы могут стабилизироваться в матрице льда, создавая «фотохимическую память». При нагреве они мобилизуются, вызывая лавинообразные реакции, включая образование органических молекул, перекисей и даже предшественников аминокислот.
Диффузия газов и радикалов в микропорах минерального скелета регулирует скорость и направление фотохимических реакций, что создает высокую химическую неоднородность поверхности.
Фотохимия комет и астероидов играет ключевую роль в формировании сложных органических молекул, которые могут быть доставлены на планеты через падение метеоритов и кометных хвостов. Эти процессы рассматриваются как потенциальные источники предбиотических соединений, участвующих в химической эволюции Солнечной системы.
Ключевыми аспектами являются:
Фотохимические механизмы комет и астероидов служат моделью для изучения химической эволюции ранней Солнечной системы и происхождения органических веществ на Земле и других планетах.