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Experimentelle Untersuchungen lichtinduzierter Transportprozesse auf dem Mars und in protoplanetaren Scheiben

Küpper, Markus

Diese Arbeit befasst sich mit den Effekten der Photophorese und des thermischen Kriechens im Hinblick auf den Transport von Teilchen auf dem Mars und in protoplanetaren Scheiben. In verschiedenen Experimenten und Messkampagnen werden einzelne Teilaspekte dieser Phänomene näher betrachtet. Die durch thermisches Kriechen induzierten Gasströme können einen signifikanten Einfluss auf Teilchen haben. Dies funktioniert allerdings nur dann effizient, wenn die Größe des Teilchens oder seiner Kapillaren beziehungsweise Poren ungefähr der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle entspricht. Diese Bedingung ist für den Marsboden gut erfüllt. Daher kann dort durch Temperaturgradienten Gas durch die Poren gepumpt werden, wodurch ein Überdruck unter der Oberfläche auftritt. Dieser Überdruck übt eine hebende Kraft auf das Staubbett aus, wodurch Staubtransport begünstigt werden kann. Die Transportgrenze beschreibt die Windgeschwindigkeit, ab der Transport stattfindet. Diese wird im Experiment unter Einfluss von Beleuchtung untersucht. Reskaliert auf den Mars kann die Transportgrenze um bis zu 12% durch Sonneneinstrahlung reduziert werden. Diese Reduktion kann einen Teil der Diskrepanzen zwischen beobachteten Windgeschwindigkeiten, die Transport nach bisherigen Erkenntnissen selten zulassen, und den häufig zu beobachteten Transportphänomenen zu erklären. Die Photophorese ist eher für die Bewegung einzelner freier Teilchen bedeutsam und es wird untersucht, in wie weit sie für verlängerte Verweildauern von Staub in der Marsatmosphäre verantwortlich sein kann. Für die untersuchten Basaltteilchen liegt die Kraft nur im Prozentbereich der Gravitation und spielt daher für diese Klasse von Teilchen nur eine untergeordnete Rolle. In einer protoplanetaren Scheibe hingegen erfahren die Teilchen nur wenig Gravitation, da sie sich in einer Umlaufbahn befinden; durch die Gasreibung entsteht eine Restgravitation, die die Teilchen nach innen und zur Mittelebene sedimentieren lässt. Hier können auch kleine Kräfte die Bahn der Teilchen signifikant beeinflussen. Metergroße Körper driften in einer protoplanetaren Scheibe mit einer vom Scheibenmodell abhängigen Geschwindigkeit (der Größenordnung 100 m/s) radial in Richtung Stern und sind damit schnell für das Planetenwachstum verloren. Die Photophorese kann diese Geschwindigkeiten soweit beeinflussen, dass diese Körper sogar eine signifikante Geschwindigkeit radial nach außen aufweisen. Dieser Effekt wird bei porösen Körpern noch durch thermisches Kriechen durch die Poren verstärkt. Allerdings funktioniert die Photophorese durch direkte Strahlung vom Stern nur dort, wo die Scheibe optisch dünn ist. Dies ist bei den meisten Scheibenmodellen nur an der Oberfläche der Scheibe der Fall. Die Grenze zwischen optisch dünn und optisch dicht wird im Zuge der Evolution der Scheibe durch verschiedene Prozesse kontinuierlich radial nach außen verschoben.

This work is about the effects of photophoresis and thermal creep in terms of transport of particles on Mars and in protoplanetary disks. Individual aspects of these phenomena are considered in various experiments and measurement campaigns. Thermal creep induced gas streams may have a significant influence on the behaviour of the examined object. This will only work if the size of the object or of its capillaries or pores is approximately equal to the mean free path of the gas molecules. This condition is well satisfied for the Martian soil. Therefore it is possible on Mars that gas is pumped through the pores by temperature gradients, creating an overpressure below the surface. This pressure exerts a lifting force on the dust bed, whereby dust transport can be promoted. From the experimental results a reduction of the transport limit – which is the minimum wind velocity for transport – of up to 12 % can be deduced. The photophoresis rather moves individual particles and its influence concerning the prolonged residence time of dust in the atmosphere is examined. For the investigated basalt particles the force is only a few percent of gravity and therefore just plays a minor role for this class of particles. When considering a protoplanetary disk this effect is more important, since the particles in orbit around the star experience only small residual gravity; induced by the gas friction, the particles settle to the mid plane and drift inward. Especially at the meter-barrier where meter sized objects drift inward with a velocity depending on the disk model (in the order of 100 m/s), and hence would quickly be lost for planet growth, photophoresis can influence these speeds to such extent that the bodies even move outward with significant speed. This effect is enhanced in porous bodies due to thermal creep through the pores. However, this applies only for optically thin regions of the disk. For most disk models this is only the case at the disk surfaces. The border of the transition between optically thin and optically thick moves continually outward during the disks lifetime.

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Küpper, Markus: Experimentelle Untersuchungen lichtinduzierter Transportprozesse auf dem Mars und in protoplanetaren Scheiben. 2016.

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