Experiments on sublimation and contact forces of water ice particles and their application on planet formation

Aumatell Gomez, Guillem

To date, the most accepted planet formation’s model is the so called “Nebular Hypothesis”. It proposes that planets are formed in a nebular region which remains orbiting around stars before they enter in the main sequence stage. This nebula, made of gas and dust, is called “Protoplanetary Disc” (PPD) due to its flat and symmetrical shape. Sub-micrometre particles’ aggregation is the main growth mechanism during the first planet formation phase in the disc. Contact forces between the constituents of solid aggregates determine the outcome of collisional events which occur in the disc. Icy grains are very abundant in regions where water condensates into solid state (regions situated beyond the so called “Snowline”). It implies that water ice is a fundamental ingredient during the planetesimal formation process.
In this thesis, experiments on ice coagulation, sublimation and fragmentation are carried out in order to compare the obtained results with the existing theories. It is shown that sublimation of relatively large icy aggregates (∼ 1 metre) close to the snowline cause their fragmentation and the subsequent concentration of solids inthis region, boosting planetesimal formation.
Making use of a “Temperature Gradient Force Microscope” (TGFM), critical forces between water ice particles are determined. This setup allows to establish an upper limit of variables related to contact physics like rolling and twisting torques. When the radius of the contact surface formed between two ice grains is ≲ 1 nm, actual theories are not able to predict the experimental observations. The variation of water ice’s surface energy may cause a reduction of the difference rate between experimental results and theoretical predictions. However, the development of a new model at such small scales may solve the issues presented in this thesis.

Das bis heute am meisten akzeptiertes Modell der Planetenentstehung ist die so genannte “Nebular Hypothese”. Diese nimmt an, dass Planeten in einer nebeligen Region, die einen neu enstandenen Sterne umkreist, gebildet werden. Diese Sterne haben die Hauptreihenphase noch nicht erreicht. Der Nebel besteht aus Gas und Staub, und wird wegen seines flachen und symmetrischer Form “Protoplanetarische Scheibe” (PPD auf Englisch) genannt. Die Aggregation Sub-mikrometer Partikeln ist der Hauptwachstumsmechanismus w ̈ahrend der ersten Phase der Planetenbildung in der Scheibe. Kontaktkräfte zwischen den Bestandteilen der festen Aggregate, bestimmen das Ergebnis der Kollisionsereignisse, die in der Scheibe auftreten. Eispartikel sind sehr zahlreich in Regionen vorhanden, in denen Wasser in festen Zustand kondensiert (Regionen jenseits die so genannte ”Schneelinie”). Es impliziert, dass Wassereis ein Grundbestandteil während des Planetesimalbildungsprozess ist.
In dieser Arbeit werden Experimente zu Eis Koagulation, Sublimation und Fragmentierung durchgeführt, und die erhaltenen Ergebnisse mit den bestehenden Theorien verglichen. Die Sublimation von relativ großen Eisaggregaten (∼ 1 Meter) in der Nähe der Schneelinie, führen zu ihrer Fragmentation und die anschließende Konzentration der Feststoffe in dieser Region. Das erhöht die Bildung von Planetesimalen.
Durch die Nutzung eines Temperatur-Gradient-Kraft-Mikroskop (Thermal Gradient Force Microscope -TGFM- auf Englisch) werden kritische Kräfte zwischen Wassereisteilchen bestimmt. Dieser Aufbau ermöglicht die Obergrenze von Variablen im Zusammenhang mit Kontaktphysik wie die Rollbewegungs- und das Twistens Drehmomente herzustellen. Wenn der Radius der Kontaktfläche zwischen zwei Eispartikeln ≲ 1 nm ist, sind die Theorien nicht in der Lage, die experimentellen Beobachtungen vorherzusagen. Die Variation der Oberflächenenergie des Wassereis, könnte die Differenzrate zwischen experimentellen Ergebnisse und theoretischen Vorhersagen verringern. Jedoch, die Entwicklung eines neues Modell bei so kleinen Skalen könnte helfen die - sich in dieser Dissertation zeigenden - Probleme zu lösen.

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Aumatell Gomez, Guillem: Experiments on sublimation and contact forces of water ice particles and their application on planet formation. 2015.

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