Streamer propagation in the atmosphere of Titan and other N2:CH4 mixtures compared to N2:O2 mixtures

Streamers, thin, ionized plasma channels, form the early stages of lightning discharges. Here we approach the study of extraterrestrial lightning by studying the formation and propagation of streamer discharges in various nitrogen-methane and nitrogen-oxygen mixtures with levels of nitrogen from 20% to 98.4%. We present the friction force and breakdown fields Ek in various N2:O2 (Earth-like) and N2:CH4 (Titan-like) mixtures. The strength of the friction force is larger in N2:CH4 mixtures whereas the breakdown field in mixtures with methane is half as large as in mixtures with oxygen. We use a 2.5 dimensional Monte Carlo particle-in-cell code with cylindrical symmetry to simulate the development of electron avalanches from an initial electron-ion patch in ambient electric fields between 1.5Ek and 3Ek. We compare the electron density, the electric field, the front velocities as well as the occurrence of avalanche-to-streamer transition between mixtures with methane and with oxygen. Whereas we observe the formation of streamers in oxygen in all considered cases, we observe streamer inceptions in methane for small percentages of nitrogen or for large electric fields only. For large percentages of nitrogen or for small fields, ionization is not efficient enough to form a streamer channel within the length of the simulation domain. In oxygen, positive and negative streamers move faster for small percentages of nitrogen. In mixtures with methane, electron or streamer fronts move 10-100 times slower than in mixtures with oxygen; the higher the percentage of methane, the faster the fronts move.Comment: 34 pages, 11 figures, 1 tabl

Study of Chemical Processes in Titan Atmosphere Initiated by Discharge in Electrode Configuration Like Gliding Arc Discharge

Cílem disertační práce je studium plazmochemických procesů a syntéza organických sloučenin vznikajících v elektrickém výboji plynné směsi odpovídající složení atmosféry Saturnova největšího měsíce Titanu. Atmosféra Titanu je svým chemickým složením velmi podobná atmosféře Země v době jejího vzniku. Látky obsažení v atmosféře jsou převážně dusík a metan s malý obsahem organických látek. Dosud byla publikována celá řada prací zabývajících se jak teoretickým-modelovým výzkumem, tak i laboratorními experimenty, v poslední době je snaha o jejich propojení. Hlavním cílem práce je identifikace plynných organických, amino, imino a kyano sloučenin promocí různých analytických metod jako jsou PTR-MS, FTIR a GC-MS. K získání vybraných parametrů plazmatu pak bylo využito OES. Ke studiu generace plynných produktů a radikálů bylo využito výboje generovaného ve směsích N2-CH4 (podíl metanu byl 0,5 až 5 %) za atmosférického tlaku v průtočném režimu při celkových průtocích 50 až 200 sccm a výbojovém proudu v rozmezí 15 až 40 mA. Část měření se rovněž zaměřila na studium vlivu příměsí vodíku a oxidu uhličitého. První část výsledků měření předložených v této práci byla získána z OES za vybraných podmínek (složení plynné směsi, dodávaný výkon). V naměřených spektrech byly identifikovány první negativní a druhý pozitivní systém dusíku, fialový systém radikálu CN a Swanův systém C2. Kromě nich byly rovněž detekovány čáry vodíku H, H a ve spektru druhého řádu i čára atomárního uhlíku. Tato spektra pak byla využita pro výpočet rotačních a vibračních teplot plazmatu. In situ analýzy plynných produktů pomocí FTIR ukázaly ve všech experimentech přítomnost různých nitrilů a uhlovodíků. Jako hlavní produkty generované výbojem byly identifikovány HCN, C2H2, NH3, přičemž jejich koncentrace odpovídaly relaci HCN > NH3 > C2H2. Tato relace byla potvrzena v závislosti na různých experimentálních parametrech. Další část práce byla zaměřena na studium vlivu příměsi CO2 na reaktivitu výše zmíněných plynných směsí. Kromě hlavních produktů, zmíněných výše, byly navíc detekovány CO2 a CO a také některé složitější kyslíkaté organické sloučeniny. Ty ale nebylo možné přesněji určit kvůli velké komplexnosti změřených spekter a překryvu jednotlivých absorpčních pásů. V případě příměsi vodíku do reakční směsi se nepodařilo identifikovat žádné nové látky ani funkční skupiny. K detailnější analýze plynných produktů výboje bylo využito in situ PTR-MS. V tomto případě bylo detekováno velké množství molekulárních struktur obsahujících nitrilové (–CN), amino (–NH2, –NH– a –N CH3CN > C2H5CN. Mimo tyto sloučeniny byla detekována celá řada dalších uhlovodíků i nitrilů.The aim of this work is the study of plasma processes and the synthesis of organic compounds due to electric discharge generated in gas mixture corresponding to the composition of the atmosphere of Saturn's largest moon Titan. This study focuses on the mimic of Titan's atmosphere at atmospheric pressure and ambient laboratory temperature. The chemical composition of Titan's atmosphere is very similar to atmosphere of prehistoric Earth. Many articles have been published with theoretical model-research, and laboratory experiments are the pursuit of their interconnection. The main aim of thesis is the identification of synthesized gaseous organic, amino, imino and cyano compounds by use to various analytical methods such as the PTR-MS, FTIR and GC-MS. The OES and electric measurements were applied to the determination of selected electric discharge parameters. The gaseous products and radicals formed in an atmospheric discharge fed by different mixtures of N2:CH4 (0,5 up to 5 % of CH4) operated in a flowing regime at the total gas mixture flows from 50 to 200 sccm at different discharge currents from 15 up to 40 mA were determined. A part of experiments was carried out with admixtures of CO2 and hydrogen. This first part of results has been obtained using OES in dependence on the gas mixture composition and supplied power. The bands of the nitrogen second positive and the first negative systems, CN violet system and Swan system of C2 were recorded. Besides them, atomic lines H, H, and C (in the second order) were also observed. These spectra allowed calculation of rotational and vibrational temperatures. FTIR in situ analysis of the gaseous products showed presence of various nitrile compounds and hydrocarbons in all experiments. The HCN, C2H2, NH3 were the main products generated in our system. The dependences of their concentrations on various experimental parameters were measured. The other part of this work was devoted to estimate the influence of CO2 traces addition on the reactivity in the gaseous mixtures mentioned above. Besides the main products mentioned above, CO2 and CO were detected and also some more complicated oxygen molecules has been confirmed but not estimated because of FTIR spectra complexity. In the case of hydrogen traces addition into the reaction gas mixture, no other compounds were determined. Impurities of CO2 as well as hydrogen have a great positive influence on the production efficiency of the major generated compounds at all conditions. The more detailed gaseous products analyses were carried out using the in situ PTR-MS. A huge number of different molecular structures containing nitrile groups (–CN), amino groups (–NH2, –NH–, –N CH3CN > C2H5CN. Besides them, many other hydrocarbons and nitriles were detected. Presence of all compounds was studi

Infrared Spectra of Small Radicals for Exoplanetary Spectroscopy: OH, NH, CN and CH: The State of Current Knowledge

In this study, we present a current state-of-the-art review of middle-to-near IR emission spectra of four simple astrophysically relevant molecular radicals—OH, NH, CN and CH. The spectra of these radicals were measured by means of time-resolved Fourier transform infrared spectroscopy in the 700–7500 cm−1 spectral range and with 0.07–0.02 cm−1 spectral resolution. The radicals were generated in a glow discharge of gaseous mixtures in a specially designed discharge cell. The spectra of short-lived radicals published here are of great importance, especially for the detailed knowledge and study of the composition of exoplanetary atmospheres in selected new planets. Today, with the help of the James Webb telescope and upcoming studies with the help of Plato and Ariel satellites, when the investigated spectral area is extended into the infrared spectral range, it means that detailed knowledge of the infrared spectra of not only stable molecules but also the spectra of short-lived radicals or ions, is indispensable. This paper follows a simple structure. Each radical is described in a separate chapter, starting with historical and actual theoretical background, continued by our experimental results and concluded by spectral line lists with assigned notation

Effects of electrical discharges on the Mars´ atmosphere

Cílem bakalářské práce bylo prostudovat účinky elektrického výboje na atmosféru simulují-cí podmínky na Marsu. Tato bakalářská práce je zaměřena na simulaci atmosféry Marsu za atmosférického tlaku a běžné laboratorní teploty. Atmosféra Marsu se v minulosti více po-dobala Zemi. Mars je převážně složen z oxidu uhličitého, který tvoří více jak 90 % atmosfé-ry Marsu. Ke studiu simulace atmosféry Marsu bylo využito doutnavého výboje generova-ného v reaktoru za atmosférického tlaku při průtoku CO2 (100 sccm) a výbojovém proudu 20, 30 a 40 mA. Část měření se zaměřila na studium vlivu přídavku vodíku při různých prů-tocích. Byl také sledován časový průběh měření s různými změnami podmínek během měře-ní. Produkty vznikající v reaktoru byly analyzovány pomocí hmotnostního spektrometru s protonovou ionizací a s analyzátorem doby letu. Bylo detekováno množství alifatických uhlovodíků a jejich derivátů, zejména alkoholů, ale i cyklických sloučenin. Jako hlavní pro-dukty objevující se ve všech experimentech s výraznou koncentrací byly identifikovány mo-lekuly jako eten, etan, etanol, aceton, pentan, benzen a další.The aim of this thesis was to study the effects of electric discharge on the atmosphere simu-lating conditions on Mars. This bachelor thesis is focused on simulation of Mars atmosphere at atmospheric pressure and normal laboratory temperature. Mars's atmosphere was more like Earth in the past. Mars is mostly composed of carbon dioxide, which accounts for more than 90% of Mars' atmosphere. To study the Mars atmosphere simulation, glow discharge generated in the reactor at atmospheric pressure was used at a CO2 flow (100 sccm) and dis-charge current of 20, 30 and 40 mA. A part of the measurements was focused on the influ-ence of hydrogen addition at different flow rates. The measurement time course with differ-ent measurement changes was also recorded. Reaction products were analysed using a pro-ton ion mass spectrometer and a flight time analyser. A high amount of aliphatic hydrocar-bons and their derivates, especially alcohols, was detected as well as several cyclic struc-tures. The main products identified in all experiments with a substantial concentration were molecules of ethen, ethane, ethanol, acetone, pentane, benzene and others.

Study of chemical processes in Titan atmosphere

Bakalářská práce se zabývá studiem chemických procesů v atmosféře Titanu simulované v laboratorních podmínkách. Abnormální doutnavý výboj jako předstupeň pro klouzavý obloukový výboj byl použit pro vygenerování plazmatu ve směsi dusík-metan, která odpovídá složení atmosféry Titanu. Jako základní diagnostická metoda plazmatu posloužila optická emisní spektrometrie. Teoretická část práce stručně popisuje historii studia atmosféry Titanu včetně posledních dosažených výsledků z průzkumu meziplanetární sondou. Dále jsou uvedeny základní vlastnosti plazmatu včetně jeho diagnostiky. Jednotlivé komponenty stanovené v atmosféře Titanu jsou molekuly N2, CH4, H2, stejně jako řada uhlovodíků s nižší hmotností včetně HCN, C2H2 a C2H4, rovněž byly nalezeny i stopy některých vyšších uhlovodíků a aminokyselin. Zvolená elektrodová konfigurace odpovídala klouzavému elektrickému obloukovému výboji s mezielektrodovou vzdáleností 2 mm, na elektrody bylo přiloženo vysoké napětí s výkonem do 300 W. Plazma bylo vygenerováno za atmosférického tlaku ve směsi dusík - methan (0,5 - 2,5% metanu). Oba plyny byly použity s čistotu až 99,999%, a celá aparatura byla před měřením evakuovány pro potlačení stopových příměsí kyslíku. Optická emisní spektra byla získána v závislosti na dodávaném výkonu a složení plynné směsi. Ve spektrech se podařilo identifikovat molekulární pásy dusíku a radikálu CN, stejně jako atomové čáry vodíku a uhlíku. Vibrační teploty 2300 - 8000 K byly stanoveny ze spekter N2, N2+, CN a C2. Rotační teploty vypočtené z pásů 0-0 druhého pozitivního systému dusíku a CN se pohybovaly v intervalu 1200 - 4800 K v závislosti na experimentálních podmínkách. Výsledky byly využity v článku odeslaném do mezinárodního časopisu. Získané poznatky mohou být použity jako základ pro budoucí studium atmosféry Titanu i s využitím jiných elektrických výbojů.The bachelor’s thesis deals with study of chemical processes in Titan atmosphere simulated under laboratory conditions. The abnormal glow discharge as a for-step for gliding arc discharge was used for the plasma generation in nitrogen-methane gas mixture corresponding to the Titan atmosphere composition. The optical emission spectroscopy was chosen as the basic plasma diagnostic method. The theoretic part of thesis describes briefly history of Titan atmosphere studies including the last space craft obtained results. Later, the fundamental properties of plasmas including their diagnostics are given. The general components determined in Titan atmosphere include N2, CH4, H2 molecules as well as a suite of lower weight hydrocarbons including HCN, C2H2 and C2H4; some traces of higher hydrocarbons and amino acids were determined, too. The electrode configuration corresponding to gliding arc arrangement with interelectrode gap of 2 mm was used with high voltage power supply giving power up to 300 W. Plasma was generated in the nitrogen-methane mixtures (0.5 – 2.5 % of methane) at atmospheric pressure. Both gases had purity better than 99.999% and all system was evacuated before measurement to suppress oxygen traces. Optical emission spectra were taken in dependence of applied power and gas mixture composition. Nitrogen and CN radical spectra as well as atomic lines of hydrogen and carbon were identified in the spectra. The vibrational temperatures of 2300 - 8000 K were determined from the spectra of nitrogen second positive, CN violet and C2 spectral systems. Rotational temperature calculated from nitrogen second positive and CN violet 0-0 bands varied in the interval of 1200 - 4800 K depending on the experimental conditions. The obtained results were submitted as a part of paper into international journal. The obtained results maybe used as a fundament for the future study of Titan atmosphere using also other discharge.

Study of Chemical Processes in Exoplanetary Atmospheres

V predkladanej práci bol generovaný abnormálny dútnavý výboj pri atmosférickom tlaku, v plynnej zmesi metánu (1 až 5 %) v dusíku, pre simuláciu atmosféry mesiaca Titan. Výboj bol charakterizovaný pomocou optickej emisnej spektrometrie, ktorá potvrdzuje prítomnosť aktívnych foriem dusíka a radikálov vznikajúcich z metánu. Okrem toho boli tiež pozorované spektrálne pásy CN radikálu. Intenzity vybraných spektrálnych systémov boli študované v závislosti na prúde dodávanom do výboja a zmene v zložení plynnej zmesi. Rotačná teplota bola stanovená z druhého pozitívneho systému dusíka na hodnotu približne 2000 K. Z rovnakého systému bola stanovená aj vibračná teplota v závislosti na koncentrácii plynnej zmesi od 3000 K (1 % CH4) do 3600 K (5 % CH4). Vibračná teplota prvého negatívneho systému dusíka rástla s výkonom a klesala s koncentráciou metánu v intervale od 3700 K do 4200 K. Rovnakú závislosť mala vibračná teplota vypočítaná pre fialový spektrálny systém CN, ktorej hodnota bola 4600 až 5800 K. Stabilné produkty vznikajúce v reaktore boli analyzované pomocou hmotnostného spektrometra s protónovou ionizáciou a s analyzátorom doby letu. Detegovaných bolo množstvo alifatických uhľovodíkov, niektoré aromatické uhľovodíky a tiež pomerne veľa amino či kyano zlúčenín. So vzrastajúcou koncentráciou metánu vznikalo viac látok s vyššou molekulovou hmotnosťou a menej jednoduchých látok, ktoré sa pravdepodobne spotrebúvali na zložitejšie látky. Ich relatívne intenzity boli stanovené za rovnakých podmienok, ako boli namerané optické emisné spektrá.In the present work, the abnormal glow discharge at atmospheric pressure was generated in the nitrogen-methane (1 to 5 %) gaseous mixtures related to the atmosphere of Titan. The discharge itself was monitored by optical emission spectrometry that confirmed presence of active nitrogen species and various radicals formed from methane. Besides them, the CN spectral bands were observed. Intensities of all light emitting species were studied in the dependence on applied power and composition of nitrogen-methane mixture. The rotational temperature of about 2000 K was calculated from the second positive nitrogen system. The vibrational temperature also obtained from neutral nitrogen molecule increased nearly directly with methane from 3000 K (1 % CH4) to 3600 K (5 % CH4). In the contrary, vibrational temperature obtained from nitrogen molecular ion decreased with methane in the gaseous mixture and increased with applied discharge power from 3700 K to 4200 K. The same trend showed the vibrational temperature calculated from violet system of CN with value from 4600 K to 5800 K. The stable discharge products were analysed by proton transfer time of flight mass spectrometry of the exhausting gas. Presence of many aliphatic and some aromatic hydrocarbons was confirmed as well as quite a lot of amino and cyano compounds. Increasing concentrations of methane have produced more substances with higher molecular weight and less simple substances that were likely to be consumed on more complex substances. Their relative intensities were determined under the same conditions as optical emission spectra were collected.

An aptamer-based sensing platform for luteinising hormone pulsatility measurement

Normal fertility in human involves highly orchestrated communication across the hypothalamic-pituitary-gonadal (HPG) axis. The pulsatile release of Luteinising Hormone (LH) is a critical element for downstream regulation of sex steroid hormone synthesis and the production of mature eggs. Changes in LH pulsatile pattern have been linked to hypothalamic dysfunction, resulting in multiple reproductive and growth disorders including Polycystic Ovary Syndrome (PCOS), Hypothalamic Amenorrhea (HA), and delayed/precocious puberty. Therefore, assessing the pulsatility of LH is important not only for academic investigation of infertility, but also for clinical decisions and monitoring of treatment. However, there is currently no clinically available tool for measuring human LH pulsatility. The immunoassay system is expensive and requires large volumes of patient blood, limiting its application for LH pulsatility monitoring. In this thesis, I propose a novel method using aptamer-enabled sensing technology to develop a device platform to measure LH pulsatility. I first generated a novel aptamer binding molecule against LH by a nitrocellulose membrane-based in vitro selection then characterised its high affinity and specific binding properties by multiple biophysical/chemical methods. I then developed a sensitive electrochemical-based detection method using this aptamer. The principal mechanism is that structure switching upon binding is associated with the electron transfer rate changes of the MB redox label. I then customised this assay to numerous device platforms under our rapid prototyping strategy including 96 well automated platform, continuous sensing platform and chip-based multiple electrode platform. The best-performing device was found to be the AELECAP (Automated ELEctroChemical Aptamer Platform) – a 96-well plate based automatic micro-wire sensing platform capable of measuring a series of low volume luteinising hormone within a short time. Clinical samples were evaluated using AELECAP. A series of clinical samples were measured including LH pulsatility profile of menopause female (high LH amplitude), normal female/male (normal LH amplitude) and female with hypothalamic amenorrhea (no LH pulsatility). Total patient numbers were 12 of each type, with 50 blood samples collected every 10 mins in 8 hours. Results showed that the system can distinguish LH pulsatile pattern among the cohorts and pulsatility profiles were consistent with the result measured by clinical assays. AELECAP shows high potential as a novel approach for clinical aptamer-based sensing. AELECAP competes with current automated immunometric assays system with lower costs, lower reagent use, and a simpler setup. There is potential for this approach to be further developed as a tool for infertility research and to assist clinicians in personalised treatment with hormonal therapy.Open Acces

Diagnostics of plasma generated in the atmosphere simulating Mars

Cílem diplomové práce byla diagnostika plazmatu generovaného v atmosféře simulující podmínky na Marsu. Tato diplomová práce je zaměřena na simulaci atmosféry Marsu za atmosférického tlaku a běžné laboratorní teploty. Díky podobným podmínkám atmosféry Marsu se Zemí byla tato planeta zkoumána již v minulosti a výzkum trvá dodnes. Atmosféra Marsu je složena převážně z oxidu uhličitého, který tvoří více jak 90 % atmosféry Marsu. Na simulaci atmosféry Marsu byl využit doutnavý výboj generovaný ve speciálním reaktoru za atmosférického tlaku při průtoku čistého CO2. Část měření proběhla pouze v čistém CO2 při změně proudu 20, 25, 30, 35 a 40 mA. Část měření se zaměřila na studium vlivu přídavku různých plynů jako je dusík, vodík a metan při změnách jejich průtoků 1, 2, 3, 4 a 5 sccm. Produkty vznikající ve speciálním reaktoru byly analyzovány pomocí hmotnostního spektrometru s protonovou ionizací a analyzátorem doby letu. Pro diagnostiku a složení plazmatu byla použita optická emisní spektrometrie. Byly detekovány převážně jednoduché alifatické uhlovodíky, alkoholy, aldehydy a ketony. Se zvyšováním průtoků jednotlivých plynů vznikaly i složitější aromatické sloučeniny s vyšší molekulovou hmotností. Odpovídající si hmotnostní a optická emisní spektra byla měřena současně.The aim of the diploma thesis was the diagnostics of plasma generated in the atmosphere simulating conditions on Mars. This diploma thesis is focused on the simulation of Mars’ atmosphere at atmospheric pressure and normal laboratory temperature. Due to the similar conditions of Mars' atmosphere with Earth, this planet has been explored in the past as well as up to now. Mars' atmosphere is composed mostly of carbon dioxide, which makes up more than 90 % of Mars' atmosphere. A glow discharge generated in a special reactor at atmospheric pressure at a flow of pure CO2 was used to simulate the atmosphere of Mars. Part of the measurement was performed only in pure CO2 with changing current of 20, 25, 30, 35 and 40 mA. Part of the measurements was focused on the study of the effect of the addition of various gases, such as nitrogen, hydrogen and methane, at changes in their flow rates of 1, 2, 3, 4 and 5 sccm. The products formed in the special reactor were analysed using a mass spectrometer with proton ionization and with a flight time analyser. Optical emission spectrometry was used for plasma diagnostics and composition. Mainly simple aliphatic hydrocarbons, alcohols, aldehydes, and ketones were detected. With increasing flow rates of the individual gases, more complex aromatic compounds with higher molecular weights were formed. Corresponding mass and optical emission spectra were measured simultaneously.

From midplane to planets : the chemical fingerprint of a disk

This thesis addresses the chemical processes that determine the compositions of giant planet atmospheres. Connecting the observed composition of exoplanets to their formation sites often involves comparing the observed planetary atmospheric carbon-to-oxygen (C/O) ratio to a disk midplane model with a fixed chemical composition. In this scenario chemistry during the planet formation era is not considered, and the C/O ratios of gas and ice in disk midplane are simply defined by volatile icelines in a midplane of fixed chemical composition. However, kinetic chemical evolution during the lifetime of the gaseous disk can change the relative abundances of volatile species, thus altering the C/O ratios of planetary building blocks. In my chemical evolution models I utilize a large network of gas-phase, grain-surface and gas-grain interaction reactions, thus providing a comprehensive treatment of chemistry. In my talk I will show how chemical evolution can modify disk miplane chemistry and how this affects the C/O ratio of giant planet-forming material. I will argue that midplane chemical evolution needs to be addressed when predicting the chemical makeup of planets and their atmospheres. And as an extra, I will propose that chemical evolution can help constrain the formation histories of comets.Laboratory astrophysics and astrochemistr