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Licht-Induzierte Kräfte auf Staubaggregate und deren Anwendung auf Planetare und Protoplanetare Oberflächen

Kelling, Thorben

Intensive optische Strahlung induziert bei wenigen mbar Umgebungsdrücken photophoretische und Knudsen Kompressor Kräfte in Staubschichten, die einzelne Aggregate gegen die Kohäsions- und Gravitationskraft aus einer Staubschicht herauslösen können. In dieser Arbeit werden Experimente und deren Ergebnisse sowie theoretische Ansätze der licht-induzierten Partikelauswürfe diskutiert und deren Anwendungen im Kontext der Planetenentstehung dargestellt. Neben Laborexperimenten werden auch μg-Experimente und deren Ergebnisse vorgestellt. Die Resultate dieser Arbeit bestätigen die teils starke Wirkung von Photophorese, Thermophorese und Knudsen Kompressor Effekten auf freie und gebundene Staub- und Eisteilchen bei mbar Drücken. Licht-induzierte Kräfte in Staubschichten sind für die Planetenentstehung in protoplanetaren Scheiben relevant. Die μg-Experimente haben gezeigt, dass die Auswurfrate von Aggregaten aus einer Staubschicht invers von der gravitativen Beschleunigung abhängt. Staubige Körper in protoplanetaren Scheiben werden durch licht-induzierten Aggregatauswürfe (teilweise) erodiert und sind dadurch zu dem eine Quelle von μm Teilchen. Dieselben Effekte sind auch auf planetaren Köpern wie dem Mars anwendbar, wo sie eine Erklärung der Staub- teufelaktivität sein können. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Knudsen Kompressor Effekte nicht nur heftige Partikeleruptionen in rasch abgedunkelten Staubschichten auslösen können sondern ganz generell ein Phänomen poröser Teilchen (hier: Staub- und Eisteilchen) mit einem Temperaturunterschied sind und das dieser Effekt sogar ausge- prägt genug ist, um Staub- und Eisteilchen über einer Oberfläche gegen die Gravitation levitieren zu lassen.

Intense optical radiation induces photophoretic and Knudsen compressor forces at a few mbar gas pressure in dust beds which are strong enough to eject particles against the cohesion and gravitational force from the dust beds surface into the surroudings. In this thesis experiments, their results as well as theoretical approaches on the light induced particle releases are discussed and their application in the context of planet formation is presented. Besides laboratory experiments, μg experiments and their results are presented. The conclusion of the work approves the strong effect of photophoresis, ther- mophoresis and Knudsen compressor effects on dust and ice particles at mbar pressure. The light induced forces in dust beds play an important role in planet formation pro- cesses in protoplanetary disks. The μg experiments showed, that the ejection rate scales inversely with gravity. Dusty bodies in protoplanetary disks are (partially) eroded by light induced particle eruptions and are hence a source of μm particles. The same effects are also appliciable to planetary bodies like Mars where they might explain the dust devil activity. It is further more demonstrated that Knudsen compressor effects do not only induce intense particle eruptions in rapidly shaded dust beds but are a general phe- nomena in porous particles (here: dust and ice particles) with a temperaure difference over themselves. The Knudsen compressor effect is strong enough to levitate particles against gravity over a surface.

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Kelling, Thorben: Licht-Induzierte Kräfte auf Staubaggregate und deren Anwendung auf Planetare und Protoplanetare Oberflächen. 2012.

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