Particle Lift by a Solid State Greenhouse Effect and Thermophoresis on Planetary and Protoplanetary Surfaces
Final Report Abstract
Bei geringem Umgebungsdruck, wie er auf der Marsoberfläche oder in protoplanetaren Scheiben herrscht, kann die optische Bestrahlung eines Staubbetts Partikel eruptionsartig von der Oberfläche lösen. In erdgebundenen Laborexperimenten, unter Mikrogravitationsbedingungen im Parabelflug sowie in Wärme- und Strahlungstransportrechnungen wurden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse im Detail untersucht. Es zeigt sich, dass die Beleuchtung absorbierenden Staubes immer zu einem Treibhauseffekt in den oberen Schichten des Staubbetts führt, d.h. dass das Maximum der Temperatur unter der Oberfläche liegt. Dieser „inverse“ Temperaturgradient führt dann zu photophoretischen Kräften, die ausreichen können, um Partikel aus dem Verbund zu lösen. Stauberuptionen können ebenfalls ausgelöst werden, wenn die Lichtquelle ausgeschaltet wird. Diese Situation entspricht unter anderem einem Schattenwurf. In diesem Fall führt thermisches Kriechen von Gas durch die Poren des Staubes in tiefer liegende Schichten zu einem Überdruck, der bei genügender Stärke zu Eruptionen führt. Unter Marsbedingungen sind die durch Licht induzierten Kräfte stark genug, um die Gravitation zu überwinden. In protoplanetaren Scheiben kann der Mechanismus aus Staub bestehende Körper nahe am Stern signifikant erodieren und kleine Partikel erzeugen. Generell werden die Prozesse zu einem gewissen Grad zu einem Recycling von Staub in protoplanetaren Scheiben führen, was von Bedeutung für die Planetenentstehung ist. Während des Projekts wurden neue Techniken entwickelt, um Staub- und Eispartikel bis zu cm-Größe zu levitieren. Dies bietet unerwartete Möglichkeiten, die Physik kleiner Partikel in Niederdruckbereichen, wie sie auf dem Mars oder in protoplanetaren Scheiben vorliegen, in Zukunft zu untersuchen.
Publications
- Self-sustained Levitation of Dust Aggregate Ensembles by Temperature Gradient Induced Overpressures. Physical Review Letters, 103:215502 1-4, 2009
T. Kelling and G. Wurm
- Dust Ejection from (Pre-) Planetary Bodies by Temperature Gradients: Radiative and Heat Transfer. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 404:1512-1518, 2010
M. Kocifaj, J. Klačka, G. Wurm, T. Kelling, I. Kohút
- A Mechanism to Produce the Small Dust Observed in Protoplanetary Disks. Astrophysical Journal, 733:120-124, 2011
T. Kelling and G. Wurm
- Dust Ejection from Planetary Bodies by Temperature Gradients: Laboratory Experiments. Icarus, 212, 935-940, 2011
T. Kelling, G. Wurm, M. Kocifaj, J. Klačka, and D. Reiss
- Ice Particles Trapped by Temperature Gradients at mbar Pressure. Review of Scientific Instruments, 82, 115105 1-5, 2011
T. Kelling, G. Wurm, C. Dürmann
- Radative Cooling within Illuminated Layers of Dust on (Pre)-Planetary Surfaces and its Effect on Dust Ejection. Icarus, 211:832-838, 2011
M. Kocifaj, J. Klačka, T. Kelling, G. Wurm
