[論文レビュー] Dust in Brown Dwarfs IV. Dust formation and driven turbulence on mesoscopic scales

Ch. Helling, Rupert Klein+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 49被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、コルモゴロフの慣性領域における確率的重ね合わせ波を用いた擬スペクトル法により、中間スケールの乱流をモデル化することで、褐色矮星の大気におけるダスト形成を調査している。乱流が微小スケールで核生成フロントを引き起こし、複雑な形態を示す不均一で光学的に厚いダスト構造を形成することを示しており、大規模なダストを含む天体物理学的系のシミュレーションにおける小スケール閉じ込めモデルの重要な基準を導出している。

ABSTRACT

Dust formation in brown dwarf atmospheres is studied by utilising a model for driven turbulence in the mesoscopic scale regime. We apply a pseudo-spectral method where waves are created and superimposed within a limited wavenumber interval. The turbulent kinetic energy distribution follows the Kolmogoroff spectrum which is assumed to be the most likely value. Such superimposed, stochastic waves may occur in a convectively active environment. They cause nucleation fronts and nucleation events and thereby initiate the dust formation process which continues until all condensible material is consumed. Small disturbances are found to have a large impact on the dust forming system. An initially dust-hostile region, which may originally be optically thin, becomes optically thick in a patchy way showing considerable variations in the dust properties during the formation process. The dust appears in lanes and curls as a result of the interaction with waves, i.e. turbulence, which form larger and larger structures with time. Aiming on a physical understanding of the variability of brown dwarfs, related to structure formation in substellar atmospheres, we work out first necessary criteria for small-scale closure models to be applied in macroscopic simulations of dust forming astrophysical systems.

研究の動機と目的

• 中間スケールの乱流が褐色矮星の大気におけるダスト形成の開始と形状に果たす役割を理解すること。
• 対流的活性な環境下における確率的駆動波とダスト核生成プロセスの相互作用をモデル化すること。
• 大規模なダストを含む天体物理学的系のシミュレーションに適用可能な小スケール閉じ込めモデルの物理的基準を導出すること。
• 乱流が亜恒星大気におけるダストの空間的分布および光学的性質に与える影響を調査すること。
• 微視的スケールのダスト核生成と巨視的スケールの大気対流の間のギャップを埋めること。

提案手法

• 乱流をシミュレートするために、慣性領域内の限定された波数帯域に確率的波を重ね合わせる擬スペクトル法が用いられている。
• 乱流運動エネルギーの分布は、高レイノルズ数流れにおける最も確率的なエネルギー伝達と仮定されるコルモゴロフスペクトルに従う。
• Woitke & Helling (2003a) の先行研究に基づく一貫した取り扱いにより、不均一なダスト粒子の核生成、成長、蒸発、重力沈降をモデルに組み込んでいる。
• 波の相互作用を用いて対流的駆動を模擬し、温度の揺らぎを発生させ、ダスト核生成を誘発している。
• ダストモーメント、核生成率、光学濃度の時間発展を追跡し、レーンやカールのような空間的構造の発展に注目している。
• さまざまな大気条件を探索するため、複数のテストケースにおいて熱力学的・流体力学的およびダスト特性の基準値を定義している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間スケールの確率的駆動波は、褐色矮星の大気におけるダスト核生成および成長にどのように影響を与えるか？
• RQ2 乱流誘発核生成フロントによって生じるダスト分布にどのような形態的構造が現れるか？
• RQ3 微小な初期摂動が、光学的厚さおよびダスト特性に顕著な変動を引き起こすメカニズムは何か？
• RQ4 大規模なダストを含む乱流天体物理学的系のシミュレーションにおける効果的な小スケール閉じ込めモデルに必要な物理的基準は何か？
• RQ5 乱流は、初期には光学的に薄い領域に不均一で不連続なダスト層を形成する程度まで影響を与えるか？

主な発見

• 流体場の微小な摂動が、放射冷却と核生成の自己強化フィードバックループを介して、核生成閾値を下回る局所的温度低下を引き起こし、ダスト形成を誘発する。
• 波-乱流相互作用により、レーンやカールといった空間的に不均一な構造が形成され、時間経過とともに構造が拡大する。
• 初期には光学的に薄い領域が、局所的で乱流駆動の核生成によって不均一に光学的に厚くなるため、ダスト特性に顕著な空間的変動が生じる。
• 乱流運動エネルギースペクトルは、コルモゴロフの -5/3 乗法則に従い、モデルにおける慣性領域仮定の妥当性が確認された。
• 波誘発摂動に対して核生成率が著しく増加し、基準ケースではピーク値として $ J_{*, m ref}/n_{ m<H>,ref} = 2.5 \times 10^{-6} $ s⁻¹ に達する。
• 本モデルは、ダスト形成効率および乱流結合を支配する無次元数 $ Da^{ m nuc}_{ m d} $, $ Da^{ m gr}_{ m d} $, および $ El $ を含む、小スケール閉じ込めモデルに不可欠な基準を提供している。