An improved efficiency model for ACE/SWICS: determination of the carbon isotopic ratio 13C/12C in the solar wind from ACE/SWICS measurements

Köten, Muharrem

The elemental and isotopic composition of heavy ions in the solar wind is a source of information about the composition of the presolar nebula because there is no synthesis of heavy ions from helium due to nuclear burning in the Sun. Thus, the solar composition can be used as a baseline for the detection of eventual spatial deviations in the solar system. Especially the isotopic composition of different extraterrestrial samples compared to the composition of the presolar nebula can provide information about the early evolution of the solar system. The focus of this work is to study the solar isotopic composition of the fourth most abundant solar wind ion, carbon, especially the ratio of the two stable isotopes 12C and 13C. For that we have used measurements of ACE/SWICS, a linear Time-of-Flight mass spectrometer which is positioned at L1. For the purpose of a detailed analysis of these data we have developed an advanced efficiency model of the instrument. Carbon is a highly volatile element and therefore, the terrestrial abundance with respect to non-volatile elements is lower than is observed for solar elemental composition. Nevertheless, it is assumed that the solar carbon isotopic composition as well as the composition of the solar wind is similar to the terrestrial one. A possible deviation between the solar and the solar-wind composition would indicate mass dependent fractionation processes in solar-wind evolution. All previous measurements of the solar carbon-isotopic ratio were accomplished via spectroscopic observations. These determinations are based on measurements of CO absorption lines in the solar electromagnetic radiation spectrum. Most of the previous results show that the solar value is similar to the terrestrial one, e.g. (Harris et.al [1987]) found 12C/13C=84 +/- 5. For the first time we have determined that ratio in the solar wind by in-situ measurements and found 12C/13C=97.7 +10.3/-9.3. Within the error bars both ratios are consistent with the terrestrial ratio of about 12C/13C = 89.

Die Element- und Isotopen-Zusammensetzung schwerer Ionen im Sonnenwind liefert wertvolle Informationen über die Zusammensetzung des präsolaren Nebels, da in der Sonne keine schwereren Elemente als Helium durch Kernfusion synthetisiert werden. Daher kann die solare Zusammensetzung als Bezugspunkt zum Nachweis eventuell vorhandener Abweichungen in unterschiedlichen Regionen des Sonnensystems verwendet werden. Besonders der Vergleich der Isotopen-Zusammensetzung extraterrestrischer Proben mit der des präsolaren Nebels liefert Hinweise über die frühe Entwicklung des Sonnensystems. Diese Arbeit befaßt sich mit dem Studium der Isotopen-Zusammensetzung des vierthäufigsten Elementes im Sonnensystem, Kohlenstoff, oder genauer, der Untersuchung des Verhältnisses der beiden stabilen Kohlenstoff-Isotope 12C und 13C. Hierfür haben wir Messungen von ACE/SWICS, einem linearen Flugzeit-Massenspektrometer, welches am 1. Lagrange-Punkt positioniert ist, verwendet. Zum Zweck einer detaillierten Datenanalyse haben wir ein Effizienzmodell für das Instrument entwickelt. Da Kohlenstoff ein hochgradig volatiles Element ist, ist die relative Häufigkeit verglichen mit fraktionären Elementen auf der Erde sehr viel niedriger im Vergleich zur Element-Zusammensetzung der Sonne. Es kann davon ausgegangen werden, daß die Isotopen-Zusammensetzung der Sonne und des Sonnenwindes ähnlich der der Erde sind. Eine mögliche Abweichung zwischen der Zusammensetzung der Sonne und der des Sonnenwindes würden darauf hindeuten, daß während der Sonnenwindentstehung massenabhängige Fraktionierungsprozesse ablaufen. Bis zum heutigen Zeitpunkt existieren lediglich Publikation, in denen die Kohlenstoff-Zusammensetzung der Sonne spektroskopisch bestimmt wurde. Diese Bestimmungen basieren auf Messungen von CO Absorptionslinien. Größtenteils belegen bisherige Resultate, daß der solare Wert ähnlich dem terrestrischen Wert ist, z.B. fanden (Harris et.al. [1987]) einen Wert von 12C/13C=84 +/- 5. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals dieses Isotopenverhältnis im Sonnenwind durch in-situ Messungen bestimmt mit dem Ergebnis 12C/13C=97,7 +10.3/-9.3. Innerhalb der Fehlerbalken stimmen sowohl der hier bestimmte Wert als auch der Wert von (Harris et.al. [1987]) mit dem terrestrischen Verhältnis von etwa 12C/13C = 89 überein.

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Köten, Muharrem: An improved efficiency model for ACE/SWICS: determination of the carbon isotopic ratio 13C/12C in the solar wind from ACE/SWICS measurements. 2009.

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