We report experimental studies of 100keVAr+ ion irradiation of ice leading to the formation of molecular oxygen and its trapping and ejection from the surface, at temperatures between 80 and 150K. The use of a mass spectrometer and a quartz-crystal microbalance and sputter depth profiling at 20K with low energy Ar ions allowed us to obtain a consistent picture of the complex radiolytic mechanism. We show that the dependence of O2 sputtering on ion fluence is mainly due to the buildup of trapped O2 near the surface. A small proportion of the O2 is ejected above 130K immediately upon creation from a precursor such as OH or H2O2. The distribution of trapped oxygen peaks at or near the surface and is shallower than the ion range. Measurements of sputtering of H2 help to elucidate the role of this molecule in the process of O2 formation: out-diffusion leading to oxygen enrichment near the surface. The competing phenomena of OH diffusion away from the ion track and hydrogen escape from the ice and their temperature dependence are used to explain the finding of opposite temperature dependencies of O2 and H2O2 synthesis. Based on the new data and understanding, we discuss the application of our findings to ices in the outer solar system and interstellar space.

1.
J. E.
Dyson
and
D. A.
Williams
,
The Physics of the Interstellar Medium
(
IOP, University of Reading
,
Berkshire
,
1997
).
2.
J. F.
Cooper
,
R. E.
Johnson
,
B. H.
Mauk
,
H. B.
Garrett
, and
N.
Gehrels
,
Icarus
149
,
133
(
2001
).
3.
W. L.
Brown
,
W. M.
Augustyniak
,
E.
Simmons
,
K. J.
Marcantonio
,
L. J.
Lanzerotti
,
R. E.
Johnson
,
J. W.
Boring
,
C. T.
Reimann
,
G.
Foti
, and
V.
Pirronello
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.
198
,
1
(
1982
).
4.
G.
Ciavola
,
G.
Foti
,
L.
Torrisi
,
V.
Pirronello
, and
G.
Strazzulla
,
Radiat. Eff.
65
,
167
(
1982
).
5.
R. A.
Haring
,
A.
Haring
,
F. S.
Klein
,
A. C.
Kummel
, and
A. E.
de Vries
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.
211
,
529
(
1983
).
6.
J. W.
Boring
,
R. E.
Johnson
,
C. T.
Reimann
,
J. W.
Garret
,
W. L.
Brown
, and
K. J.
Marcantonio
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.
218
,
707
(
1983
).
7.
C. T.
Reimann
,
J. W.
Boring
,
R. E.
Johnson
,
J. W.
Garrett
,
K. R.
Farmer
,
W. L.
Brown
,
K. J.
Marcantonio
, and
W. M.
Augustyniak
,
Surf. Sci.
147
,
227
(
1984
).
8.
A.
Bar-Nun
,
G.
Herman
,
M. L.
Rappaport
, and
Y.
Mekler
,
Surf. Sci.
150
,
143
(
1985
).
9.
M. S.
Westley
,
R. A.
Baragiola
,
R. E.
Johnson
, and
G. A.
Baratta
,
Planet. Space Sci.
43
,
1311
(
1995
).
10.
N.
Watanabe
,
T.
Horii
, and
A.
Kouchi
,
Astrophys. J.
541
,
772
(
2000
).
11.
G. A.
Kimmel
,
T. M.
Orlando
,
C.
Vezina
, and
L.
Sanche
,
J. Chem. Phys.
101
,
3282
(
1994
).
12.
M. T.
Sieger
,
W. C.
Simpson
, and
T. M.
Orlando
,
Nature (London)
394
,
554
(
1998
).
13.
T. M.
Orlando
and
M. T.
Sieger
,
Surf. Sci.
528
,
1
(
2003
).
14.
R. E.
Johnson
,
P. D.
Cooper
,
T. I.
Quickenden
, and
G. A.
Grieves
,
J. Chem. Phys.
123
,
184715
(
2005
).
15.
N. G.
Petrik
and
G. A.
Kimmel
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
166102
(
2003
).
16.
N. G.
Petrik
and
G. A.
Kimmel
,
J. Chem. Phys.
121
,
3736
(
2004
).
17.
N. G.
Petrik
and
G. A.
Kimmel
,
J. Chem. Phys.
123
,
054702
(
2005
).
18.
N. G.
Petrik
,
A. G.
Kavetsky
, and
G. A.
Kimmel
,
J. Phys. Chem. B
110
,
2723
(
2006
).
19.
N. G.
Petrik
,
A. G.
Kavetsky
, and
G. A.
Kimmel
,
J. Chem. Phys.
125
,
124702
(
2006
).
20.
D. T.
Hall
,
D. F.
Strobel
,
P. D.
Feldman
,
M. A.
McGrath
, and
H. A.
Weaver
,
Nature (London)
373
,
677
(
1995
).
21.
D. T.
Hall
,
P. D.
Feldman
,
M. A.
McGrath
, and
D. F.
Strobel
,
Astrophys. J.
499
,
475
(
1998
).
22.
R. L.
Tokar
,
R. E.
Johnson
,
M. F.
Thomsen
,
D. M.
Delapp
,
R. A.
Baragiola
,
M. F.
Francis
,
D. B.
Reisenfeld
,
B. A.
Fish
,
D. T.
Young
,
F. J.
Crary
,
A. J.
Coates
,
D. A.
Gurnett
, and
W. S.
Kurth
,
Geophys. Res. Lett.
32
,
L14S04
, DOI: 10.1029/2005GL022690 (
2005
).
23.
B. D.
Teolis
,
R. A.
Vidal
,
J.
Shi
, and
R. A.
Baragiola
,
Phys. Rev. B
72
,
245422
(
2005
).
24.
J. A.
Ghormley
and
A. C.
Stewart
,
J. Am. Chem. Soc.
78
,
2934
(
1956
).
25.
A. J.
Matich
,
M. G.
Bakker
,
D.
Lennon
,
T. I.
Quickenden
, and
C. G.
Freeman
,
J. Phys. Chem.
97
,
10539
(
1993
).
26.
D. A.
Bahr
,
M.
Fama
,
R. A.
Vidal
, and
R. A.
Baragiola
,
J. Geophys. Res.
106
,
33285
, DOI: 10.1029/2000JE001324 (
2001
).
27.
G. A.
Grieves
and
T. M.
Orlando
,
Surf. Sci.
593
,
180
(
2005
).
28.
W.
Zheng
,
D.
Jewitt
, and
R. I.
Kaiser
,
Astrophys. J.
639
,
534
(
2006
).
29.
M. J.
Loeffler
,
B. D.
Teolis
, and
R. A.
Baragiola
,
Astrophys. J. Lett.
639
,
L103
(
2006
).
30.
C.
Laffon
,
S.
Lacombe
,
F.
Bournel
, and
P.
Parent
,
J. Chem. Phys.
125
,
204714
(
2006
).
31.
B. D.
Teolis
,
M. J.
Loeffler
,
U.
Raut
,
M.
Fama
, and
R. A.
Baragiola
,
Astrophys. J.
644
,
L141
(
2006
).
32.
J. R.
Spencer
,
W. M.
Calvin
, and
M. J.
Person
,
J. Geophys. Res.
100
,
19049
, DOI: 10.1029/95JE01503 (
1995
).
33.
J. R.
Spencer
and
W. M.
Calvin
,
Astron. J.
124
,
3400
(
2002
).
34.
R. E.
Johnson
and
W. A.
Jesser
,
Astrophys. J.
480
,
L79
(
1997
).
35.
R. A.
Vidal
,
D.
Bahr
,
R. A.
Baragiola
, and
M.
Peters
,
Science
276
,
1839
(
1997
).
36.
R. A.
Baragiola
and
D. A.
Bahr
,
J. Geophys. Res.
103
,
25865
, DOI: 10.1029/98JE01634 (
1998
).
37.
G. S.
Orton
,
J. R.
Spencer
,
L. D.
Travis
,
T. Z.
Martin
, and
L. K.
Tamppari
,
Science
274
,
389
(
1996
).
38.
P. D.
Cooper
,
R. E.
Johnson
, and
T. I.
Quickenden
,
Icarus
166
,
444
(
2003
).
39.
G.
Grieves
,
T.
Orlando
,
M.
Sieger
, and
R. E.
Johnson
,
American Geophysical Union
2003
Fall Meeting (unpublished).
40.
O.
Gomis
,
G.
Leto
, and
G.
Strazzulla
,
Astron. Astrophys.
420
,
405
(
2004
).
41.
M. H.
Moore
and
R. L.
Hudson
,
Icarus
145
,
282
(
2000
).
42.
M. J.
Loeffler
,
U.
Raut
,
R. A.
Vidal
,
R. A.
Baragiola
, and
R. W.
Carlson
,
Icarus
180
,
265
(
2006
).
43.
M. J.
Loeffler
,
B. D.
Teolis
, and
R. A.
Baragiola
,
J. Chem. Phys.
124
,
104702
(
2006
).
44.
K. S.
Noll
,
R. E.
Johnson
,
A. L.
Lane
,
D. L.
Domingue
, and
H. A.
Weaver
,
Science
273
,
341
(
1996
).
45.
K. S.
Noll
,
T. L.
Roush
,
D. P.
Cruikshank
,
R. E.
Johnson
, and
Y. J.
Pendleton
,
Nature (London)
388
,
45
(
1997
).
46.
M. S.
Westley
,
G. A.
Baratta
, and
R. A.
Baragiola
,
J. Chem. Phys.
108
,
3321
(
1998
).
47.
TRIM06, program available from http://www.srim.org/SRIM/SRIM2006.htm [based on
J. F.
Ziegler
,
J. P.
Biersack
, and
U.
Littmark
,
The Stopping and Range of Ions in Solids
(
Pergamon
,
New York
,
1985
)].
48.
R. A.
Baragiola
,
Planet. Space Sci.
51
,
953
(
2003
).
49.
U.
Raut
,
B. D.
Teolis
,
M. J.
Loeffler
,
R. A.
Vidal
,
M.
Fama
, and
R. A.
Baragiola
,
J. Chem. Phys.
126
,
244511
(
2007
).
50.
R. A.
Baragiola
,
C. L.
Atteberry
,
C. A.
Dukes
,
M.
Fama
, and
B. D.
Teolis
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
193
,
720
(
2002
).
51.
M. J.
Loeffler
,
U.
Raut
, and
R. A.
Baragiola
,
Astrophys. J.
649
,
L133
(
2006
).
52.
T. G.
Slanger
and
G.
Black
,
J. Chem. Phys.
77
,
2432
(
1982
).
You do not currently have access to this content.