Laboratorní spektroskopie meteoritů

Chemická analýza plazmatu meteorů a její chování při vstupu meteoroidů do atmosféry Země je náročnou vědeckou disciplínou. Když meteoroidy vstoupí do atmosféry Země s rychlostí v rozmezí 3,5 až 72,5 km/s, okamžitě začnou interagovat s nejvyššími vrstvami atmosféry, většinou ve výškách mezi 80 až 125 km. Srážky s molekulami atmosféry při sestupu tělesa rozptýlí vysokou kinetickou energii a vedou k rychlému povrchovému ohřevu, následné povrchové ablaci, expanzi par vysokou rychlostí a nakonec vedou k rozpadu tělesa. Během ablačního procesu expandující páry vyvolávají vysokoteplotní plazmovou kouli a také stopu meteoru. Cílem laboratorní spektroskopie meteoritů pomocí LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) metody je provázat spektra skutečných meteoritů s meteory, které zaniknou při svém průletu atmosférou, a není tedy k dispozici jejich chemická analýza. Tento postup by měl umožnit vytvoření katalogu spekter meteoritů a jejich následné přiřazení ke spektrům meteorů, které v důsledku ablace zanikly v atmosféře.

Ve dnech 14. - 18. 10. 2024 se na půdě Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AVČR, v. v. i. (UFCH JH AVČR, v. v. i.), oddělení spektroskopie, uskutečnilo ve spolupráci s Hvězdárnou Valašské Meziříčí, p. o. další laboratorní měření spekter meteoritů. Cílem bylo za současného použití spektrografu s vysokým rozlišením a spektrografu běžně používaného pro záznam spekter meteorů dosáhnout profilu spektra meteoritu, který by se blížil běžně analyzovaným spektrům meteorů, a to včetně atmosférické složky spektra. Jako zdroj pro laserovou spektroskopii metodou LIBS byl použit laser Nd:YAG (Nd-dopped Yttrium-Aluminium garnet laser), spektrum ve vysokém rozlišení bylo zaznamenáno spektrografem ESA 4000 Echelle a jako spektrograf s nízkým rozlišením, používaný pro spektrografii meteorů, byla použita monochromatická CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) kamera Flir Blackfly BFS-U3-200S6M s holografickou difrakční mřížkou.

Spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) je metoda analytické chemie, pracující na principu AES (Atomic Emission Spectroscopy). Jako budící zdroj pro excitaci atomů ve vzorku se využívá pevnolátkový pulzní laser. Do analyzovaného vzorku je vyslán pulz laserového paprsku, jehož vysoká energie koncentrovaná do stejného místa zapříčiní prudké a masivní zahřátí hmoty vzorku v malém prostoru. Toto má za následek laserovou ablaci, což je uvolnění malé části vzorku (setiny až desetiny mikrogramů) ve formě aerosolu o velmi vysoké teplotě, která dosahuje desítek tisíc stupňů Kelvina. Při této teplotě je aerosol ve stavu označovaném jako plazma, v případě metody LIBS tato plazma vzniká ve velmi malém objemu a užívá se pro ni termín mikroplazma.

Obr. 1: Tlaková komora určená pro spektroskopii meteoritů pomocí LIBS metody. Autor: UFCH JH AVČR, v. v. i.	Obr. 2: Nastavování polohy vzorku v tlakové komoře před měřením. Autor: UFCH JH AVČR, v. v. i.

Laser Nd:YAG (Nd-dopped Yttrium-Aluminium garnet laser) je v dnešní době nejpoužívanější typ pevnolátkového laseru. Aktivním materiálem je izotropní krystal yttrito-hlinitého granátu (Y₃Al₅O₁₂) dopovaný ionty neodymu (Nd³⁺), barva monokrystalu je světle růžová až fialová v závislosti na koncentraci atomu neodymu. Nastavená provozní vlnová délka emitovaného záření byla 1064 nm, délka pulzu ~6 ns s frekvencí opakování 10 Hz a teplota plazmatu byla mezi 7000 a 8000 K. Teplota plazmatu byla počítána z intenzity emisních čar ve změřeném spektru meteoritu ve vysokém rozlišení.

Komplexní spektra ve vysokém rozlišení byla zaznamenána v celém rozsahu od ultrafialové části spektra (UV) po vizuální (Vis) pomocí Echelle Spectra Analyzer ESA 4000. Na rozdíl od astronomických spektrografů využívá ESA 4000 Echelle dva stupně disperze – hranol a Echelle mřížku. Tato druhá disperze (Echelle mřížka) je nezbytná pro dosažení požadovaného vysokého rozlišení. Systém spektrografu ESA 4000 Echelle je vysoce citlivé optoelektronické zařízení, spektrograf umožňuje současné měření komplexního spektra v celé UV-ViS oblasti od 200 do 780 nm s efektivním rozlišením v rozsahu od 0,005 nm (200 nm) do 0,019 nm (780 nm).

Obr. 3: Srovnání laboratorního spektra železného meteoritu Campo del Cielo (typ IAB-MG) a laboratorního spektra mezosideritu Jiddat al Harasis (JAH) 267, tedy přechodného typu mezi kamennými a železnými tělesy. Autor: Jakub Koukal

Jako snímací prvek pro komplexní spektra v nízkém rozlišení byla použita monochromatická CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) kamera Flir Blackfly BFS-U3-200S6M s vysokou kvantovou účinností (QE= 83 %, 490 nm) a vysokým dynamickým rozsahem (71,84 dB). Kamera využívá CMOS čip Sony Starvis IMX183 o velikosti 1” s rozlišením 5472×3648 pixelů (20 MPx), snímkovací frekvence byla nastavena na 12 sn/s. Digitální signál z kamery je veden přímo přes rozhraní USB 3.0 do počítače bez nutnosti instalace převodníku signálu, pro záznam byl použit program FireCapture. Kvantové účinnosti nad 40 % dosahuje kamera v rozsahu vlnových délek mezi 360 až 720 nm, pro blízkou část IR spektra klesá kvantová účinnost na 12 % pro vlnovou délku 900 nm, pro blízkou část UV spektra je kvantová účinnost 25 % pro vlnovou délku 350 nm. Spektrograf byl osazen světelným objektivem Foctec (12 MPx) se světelností f/1,4 a ohniskovou dálkou objektivu 12 mm s holografickou difrakční mřížkou s hustotou 1000 vrypů na mm. Skutečné rozlišení zaznamenaného spektra meteoru/meteoritu (1. řádu spektra) dosahuje průměrně 0,19 nm/px.

Pro spektroskopickou analýzu bylo zvolené široké spektrum typů meteoritů: Campo del Cielo (železný, IAB-MG), Jiddat al Harasis (JAH) 267 (mezosiderit), Jiddat al Harasis (JAH) 804 (HED achondrit – eukrit), Jbilet Winselwan (uhlíkatý chondrit – CM2), Košice (obyčejný chondrit – H5), Northwest Africa (NWA) 12269 (marsovský – shergottit), Northwest Africa (NWA) 4561 (enstatit – EL), Ramlat as Sahmah (RAS) 445 (obyčejný chondrit – L3), Sayh al Uhaymir (SAU) 567 (obyčejný chondrit – H3) a jako srovnávací vzorek vrostlice olivínu. Výběr meteoritů byl prováděn s ohledem na pokrytí různých typů těles s různým chemickým složením a původem.

Obr. 4: Záznam laboratorního spektra meteoritu ze spektrografu Flir Blackfly BFS-U3-200S6M pomocí LIBS metody. Nahoře Northwest Africa (NWA) 12269 (marsovský – shergottit), uprostřed Ramlat as Sahmah (RAS) 445 (obyčejný chondrit – L3) a dole Jiddat al Harasis (JAH) 804 (HED achondrit – eukrit). Autor: Jakub Koukal

Stanovení prvkového složení tělesa během měření emisních spekter plazmatu vytvořeného nad povrchem ablujícího tělesa (meteoroidu) je koncepčně podobné spektrální analýze realizované laboratorním laserem metodou LIBS. Analýza může sahat od kvalitativní, tj. jednoduché identifikace emisních čar prvků, po kvantitativní, tj. podrobné stanovení relativních koncentrací nebo absolutních hmotností jednotlivých prvků ve vzorku meteoritu nebo reálného meteoroidu/meteoru. Kvalitativní analýza závisí pouze na poloze zjištěných spektrálních čar, zatímco kvantitativní analýza závisí také na experimentálně zaznamenané intenzitě emisních čar. Spektra meteoritů s nízkým rozlišením realizované metodou LIBS, zaznamená spektrografem Flir Blackfly BFS-U3-200S6M určeným pro záznam spekter meteorů, ukazují značnou podobnost s reálnými spektry meteorů. Intenzita atmosférických emisních čar (NI, OI) odpovídá zhruba vstupní rychlosti tělesa kolem 35 - 40 km/s. Pro srovnání bylo zvoleno spektrum bolidu M20200421_030152 LYR, který patřil k meteorickému roji Lyrid se vstupní rychlostí 48,3 km/s, a laboratorní spektrum uhlíkatého chondritu Jbilet Winselwan (typ CM2). V případě některých meteorických rojů (např. Perseidy, Leonidy) byly zjištěny inkluze podobné uhlíkatým chondritům typu CI a CM, proto bylo zvoleno spektrum bolidu patřícího k meteorickému roji Lyrid jako srovnávací s laboratorním měřením uhlíkatého chondritu. Dalším kritériem byla poměrně nízká vstupní rychlost těles patřících k meteorickému roji Lyrid, na rozdíl od vstupních rychlostí meteorických rojů Perseid a Leonid, které jsou výrazně vyšší.

Obr. 5: Srovnání laboratorního spektra uhlíkatého chondritu Jbilet Winselwan (typ CM2) získaného spektrografem Flir Blackfly BFS-U3-200S6M pomocí LIBS metody a spektra bolidu M20200421_030152 LYR, který patřil k meteorickému roji Lyrid. Autor: Jakub Koukal

Poděkování

Projekt RPOS (Rozvoj přeshraniční observační sítě) byl spolufinancován z programu Fond malých projektů programu Interreg V-A Slovenská republika – Česká republika 2014 – 2020, kód výzvy 5/FMP/11b, reg. č. CZ/FMP/11b/05/058. Projekt nákupu a provozu spektroskopických kamer s vysokým rozlišením je částečně dotován Programem pro regionální spolupráci AV ČR, reg. č. R200402101.