Advanced

Turbulent concentration of particles

Dahlén, Erik LU (2012) In Lund Observatory Examensarbeten ASTK01 20121
Lund Observatory
Department of Astronomy and Theoretical Physics
Abstract (Swedish)
Den bakomliggande teorin om planetbildning är att planeterna bildas samtidigt som stjärnan och därför av samma material som stjärnan. Därför måste dessa stoft- och gaspartiklar bindas samman till planeter. Teorin säger att detta görs i en disk runt stjärnan vilken uppstår vid stjärnbildning för att bevara rörelsemängdsmomentet och sådana diskar har observerats och skulle förklara varför alla planeter i vårt solsystem roterar i samma plan. Man kan dela in denna process i tre faser där olika krafter dominerar. Den första är när de enskilda particlarna binds samman av elektriska krafter till mikrometer stora partiklar. Den andra är när dessa mikrometer stora partiklar binds samman till kilometer stora objekt (planetesimal på engelska). Den... (More)
Den bakomliggande teorin om planetbildning är att planeterna bildas samtidigt som stjärnan och därför av samma material som stjärnan. Därför måste dessa stoft- och gaspartiklar bindas samman till planeter. Teorin säger att detta görs i en disk runt stjärnan vilken uppstår vid stjärnbildning för att bevara rörelsemängdsmomentet och sådana diskar har observerats och skulle förklara varför alla planeter i vårt solsystem roterar i samma plan. Man kan dela in denna process i tre faser där olika krafter dominerar. Den första är när de enskilda particlarna binds samman av elektriska krafter till mikrometer stora partiklar. Den andra är när dessa mikrometer stora partiklar binds samman till kilometer stora objekt (planetesimal på engelska). Den tredje och sista är när dessa kilometer stora objekt binds samman av gravitation till tusen kilometer stora kroppar som sedan är så stora att de uppfyller definitionen som planet. Under denna process är det steg två som inte riktigt kan förklaras, eftersom både gravitationskraften och de elektriska krafterna är försumbara. En teori för att lösa detta är att turbulens i disken runt stjärnan skulle kunna ansamla så många partiklar på ett ställe att gravitationen skulle ta över och bilda objekt på över en kilometer i diameter. Turbulens är en makroskopisk rörelse i en gas, eller vätska, som är kaotisk. Vid turbulens uppstår det virvlar som i den fria rymden har ett lågtryck i mitten av sig. Detta uppstår då gasen i virvlen känner en centrifugalkraft utåt så måste detta kompenserar av en tryckkraft inåt som enbart kan uppstå om virveln har ett lägre tryck i mittan än utanför. Om man skulle ha partiklar i en sådan turbulent gas kommer de att yga ut ur virvlarna eftersom de också kommer känna centrifugalkraften men inte tryckkraften som gasen känner. Hur eektivt de lämnar virveln beror på hur väl de känner av gasens rörelse, vilket beror på hur väl sammankopplade de är. Jag har därför försökt simulera en turbulent gas med partiklar enligt ovan beskrivning. Det har gjorts genom att använda Pencil Code för att numeriskt beräkna vad som händer med en gas och dess partiklar över tiden när man inför turbulens. Detta har gjorts genom att anta att gasen följer Navier-Stokes ekvation och att partiklarna är kopplade till gasen med en friktionstid. Dessa simuleringar visar att man med rätt friktionstid, vilken avgör hur väl gasen och partiklarna är kopplade, kan man få en mycket hög ökning av partikelkonsentrationen på vissa ställen. Simuleringarna visar även att upplösningen och gasens viskösitet inte har någon större betydelse för partikelansamlingarna. (Less)
Abstract
Turbulence which can increase the maximum particle density in some region is interesting for planet formation since the process for building up planets has some problem. Planets are formed by dust grains sticking together into planets during the star formation period and the major problem is the growth from cm to km scale. During this phase both the microscopic molecular forces and the macroscopic gravity are negligible, therefore are there no well accepted theory for the entire planet formation phase. One idea is that turbulence could help in clustering particles together so that self gravity takes over and planetesimal can form. The Pencil Code has been used to simulate how turbulence affects the particle density distribution for dust... (More)
Turbulence which can increase the maximum particle density in some region is interesting for planet formation since the process for building up planets has some problem. Planets are formed by dust grains sticking together into planets during the star formation period and the major problem is the growth from cm to km scale. During this phase both the microscopic molecular forces and the macroscopic gravity are negligible, therefore are there no well accepted theory for the entire planet formation phase. One idea is that turbulence could help in clustering particles together so that self gravity takes over and planetesimal can form. The Pencil Code has been used to simulate how turbulence affects the particle density distribution for dust particles in a gas. In a 2D simulation one can fi nd a peak of the particle density at some values of the friction time, the highest peak had 84 times higher maximum particle density than the mean particle density when averaged from time 0 to 4900. This indicate that turbulence could contribute to planetesimal formation. The simulation also shows that 2D has a inwards cascade that follows the E(k) / k (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Dahlén, Erik LU
supervisor
organization
course
ASTK01 20121
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
publication/series
Lund Observatory Examensarbeten
report number
2012-EXA64
language
English
id
2642851
date added to LUP
2012-06-04 13:38:49
date last changed
2012-06-04 13:38:49
@misc{2642851,
  abstract     = {Turbulence which can increase the maximum particle density in some region is interesting for planet formation since the process for building up planets has some problem. Planets are formed by dust grains sticking together into planets during the star formation period and the major problem is the growth from cm to km scale. During this phase both the microscopic molecular forces and the macroscopic gravity are negligible, therefore are there no well accepted theory for the entire planet formation phase. One idea is that turbulence could help in clustering particles together so that self gravity takes over and planetesimal can form. The Pencil Code has been used to simulate how turbulence affects the particle density distribution for dust particles in a gas. In a 2D simulation one can fi nd a peak of the particle density at some values of the friction time, the highest peak had 84 times higher maximum particle density than the mean particle density when averaged from time 0 to 4900. This indicate that turbulence could contribute to planetesimal formation. The simulation also shows that 2D has a inwards cascade that follows the E(k) / k},
  author       = {Dahlén, Erik},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observatory Examensarbeten},
  title        = {Turbulent concentration of particles},
  year         = {2012},
}