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Dust Opacity Tables for Protostellar Environments

Eva Brigitte Trausinger

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Astronomie

Betreuer*in

Ernst Dorfi

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DOI

10.25365/thesis.50766

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30904.97377.493252-8

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Opazität oder Extinktion beschreibt die Abschwächung von Strahlung beim Durchqueren eines Mediums durch Absorption und Streuung. Sie ist somit eine Eigenschaft des betrachteten Mediums selbst, beeinflusst thermodynamische Größen und in weiterer Folge auch die Dynamik des Systems, und ist daher vor allem in der Evolution von protoplanetaren Scheiben relevant. Es gibt zwei Opazitätsmittel, die die über die Frequenzen integrierte Opazität beschreiben. Das Planck Mittel findet Anwendung für optisch dünne Umgebungen, geht daher in die Strahlungsenergiegleichung sowie in die innere Energiegleichung ein. Die Gewichtung erfolgt mittels der Planck Funktion. Das Rosseland Mittel, das für den optisch dicken Fall gilt, wird mit der Ableitung der Planck Funktion nach der Temperatur gewichtet und geht in die Strahlungsflussgleichung sowie in die Bewegungsgleichung ein. In protoplanetaren Scheiben wird die Opazität durch die Streuungs- und Absorptionseigenschaften des Gases sowie der festen Partikeln, i.e. Staub, bestimmt. Mit der Zeit wird sich Staub gravitativ bedingt in der Äquatorebene der Scheibe ansammeln und zur späteren Planeten entstehung beitragen, wohingegegen das leichtere Gas durch den der Gravitation entgegen wirkenden Strahlungsdruck eine stärkere vertikale Ausdehnung aufweisen wird. Daher wird eine getrennte Betrachtung von Staub und Gas, insbesondere in Hinblick auf ihre Opazität wichtig. Zudem wird sich die Größenverteilungsfunktion für Staub auch durch Aggregation, dem Zusammenwachsen von Partikeln, lokalzeitlich verändern, und kann somit nicht als zeitlich konstant angenommen werden. Ziel dieser Masterarbeit ist daher die Erstellung von Tabellen für monochromatische als auch mittlere Staubopazitäten in protostellaren Umgebungen. Um diese für frühe Entstehungsprozesse der Scheibe als auch spätere Evolutionsphasen, in denen v.a. eine korrekte Modellierung des Verlustes der dichten Uratmosphäre eines Planeten relevant wird, zu berechnen, werden zwei verschiedene Größenverteilungsfunktionen, eine für kleinere Partikelgrößen und die zweite für größere Aggregate, angenommen. Für größere Partikel ist auch der Effekt ihrer Porösität auf die Opazität relevant. In dieser Arbeit werden daher monochromatische sowie Rosseland und Planck Mittel mit Hilfe von Mie Theorie berechnet, einerseits für kompakte sphärische Partikel, die nur aus einem Material bestehen, und andererseits für Aggregate, die unterschiedliche Porösitäten und Materialmischungen aufweisen. Die benötigten, mittleren Brechungsindizes für Staubaggregate werden mit Hilfe der Effective Medium Theory berechnet. Die höchsten mittleren Opazitäten ergeben sich für kompakte (nicht-poröse) Aggregate mit Radien von 1-10 μm für Temperaturen ≤425 K. Für weiter zunehmende Partikelgrößen, außer für sehr kleine Temperaturen, zeigt sich eine generelle Abnahme der mittleren Opazitäten. Die Annahme von Porösität führt nur für sehr große Aggregate zu einer Opazitätszunahme. Eine Erhöhung des Vakuumanteils für Partikel, die maximale Radien von <10 μm aufweisen, wirkt sich umgekehrt aus und geht mit kleineren Opazitäten einher. Bei Temperaturen über 425 K tragen kleinere Partikel zum Großteil der Extinktion bei.

Abstract

(Englisch)

The opacity of a medium describes how much light is extinct by absorption and scattering while traversing it. The combination of these two processes is known as extinction and plays an important role in the evolution of protoplanetary disks since it influences the energy budget of a medium, thermodynamic quantities and hence, hydrodynamics. There are two quantities that describe the mean opacity of a medium integrated over the spectral range. The first is known as the Planck mean, applied to optically thin media with its weighting function being the Planck function for Black Body radiation. The second uses the derivative of the Planck function with temperature as the weighting function and is called Rosseland mean. While the Planck mean enters into the radiation energy equation and the internal energy equation, the Rosseland mean is needed for the calculation of the radiation flux equation and the equation of motion, and is suited for optically thick media. Due to segregation processes during the evolution of a protoplanetary disk, heavier materials, i.e. dust, will accumulate at the disk’s equator resulting in later planet formation while gas, supported against gravitation through radiation pressure, will still extend farther outwards. Therefore, the separation of dust and gas dynamics becomes a necessary issue and seems even more important for protoplanetary atmospheres. Beside this, also the size distribution function that is often viewed as constant during the whole disk evolution changes and has large effects on the mean opacity of the dust medium. So, the aim of this master thesis is to create opacity tables only for the dust fraction of the medium. To cover early evolution phases of the disk as well as later stages, in which also correct modelling of the loss of primordial protoplanetary atmospheres becomes relevant, tow different size distributions for smaller and larger aggregate particles are considered. In the case of aggregates, also the effect of porosity is evaluated. A decrease in opacity by assuming larger particle sizes leads to a reduction in planet formation time-scales which would be otherwise comparable to the disk’s lifetime and hence, unrealistic. In this thesis, monochromatic, as well as Rosseland and Planck mean opacities derived with full Mie Theory calculations are presented for compact spherical particles of one species and aggregate particles having different porosities and compositions. Average complex refractive indices for aggregate particles are calculated with Effective Medium Theory. Considering protoplanetary atmospheres, a variation of larger aggregate particle size ranges is assumed and hence, a different size distribution with respect to the standard MRN size distribution. The highest mean opacities for temperatures ≤425 K are obtained from compact aggregates with particle sizes of 1-10 μm. Varying the size distribution and shifting the size range of particles to larger ones is especially important for small temperatures where the narrow dip before the vaporization of water ice becomes lower in magnitude but broader to the left and hence, higher mean opacities at lower temperatures are present while magnitude decreases for higher ones. The assumption of high porosities leads only for very large particle size ranges to higher magnitudes of mean extinction. For smaller particle ranges and high porosities, slopes being similar to those for very small particle size ranges are obtained. At temperatures > 425 K small particles contribute most to extinction.

Autor*innen

Eva Brigitte Trausinger

Haupttitel (Englisch)

Dust Opacity Tables for Protostellar Environments

Paralleltitel (Deutsch)

Staubopazitätstabellen für protostellare Umgebungen

Paralleltitel (Englisch)

Dust Opacity Tables for Protostellar Environments

Publikationsjahr

2018

Umfangsangabe

ii, 88 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Ernst Dorfi

Klassifikationen

39 Astronomie > 39.40 Sternsysteme, Sterne ,

39 Astronomie > 39.54 Interplanetare Materie

AC Nummer

AC14534986

Utheses ID

44869

Studienkennzahl

UA | 066 | 861 | |

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Schlagwörter