[論文レビュー] Radial mixing in protoplanetary accretion disks VII. 2-dimensional transport of tracers

Michael Wehrstedt, H. P. Gail|ArXiv.org|Apr 21, 2008

Astro and Planetary Science参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、1+1次元の円盤構造と中緯度流れを組み合わせて、原始惑星系円盤内の2次元径方向混合をモデル化する。中緯度流れが、高温の内側円盤から、冷たい外側領域へと結晶性ケイ酸塩やメタンのような燃焼生成物を効率的に輸送することを示し、1Dモデルが予測するよりもはるかに高い10%の結晶性ケイ酸塩含有量を説明する。

ABSTRACT

The detection of significant concentrations of crystalline silicates in comets indicates an extensive radial mixing in the primordial solar nebula. In studying the radial transport of matter within protoplanetary disks by numerical model calculations it is essential to resolve the vertical disk structure since matter is mixed radially inward and outward by a complex 2-dimensional flow pattern that is superposed on the global inward directed accretion flow. A numerical model calculation for a protoplanetary accretion disks with radial and vertical mixing is performed in the 1+1-dimensional approximation. The global 2D velocity field of the disk is calculated from an analytical solution for the meridional flow pattern, that exhibits an inward drift in the upper layers and an outward drift in the midplane in most parts of the disk. The disk model is based on the $β$-prescription of viscosity and considers vertical self-gravitation of the disk. The mixing processes are studied for the following species: amorphous silicate grains (forsterite, enstatite) that crystallise by annealing, and carbonaceous grains that are destroyed by surface reactions with OH molecules at elevated temperatures. Considerable fractions of crystallised silicates and methane (formed as a by-product of carbon combustion) are transported to the site of comet formation far from the protosun within a period of 10$^6$ yrs. The 2-dimensional transport of tracers in the solar nebula offers a natural explanation for the presence of crystalline silicates in comets and the significant portions of crystalline silicates observed in accretion disks around young stellar objects.

研究の動機と目的

• 1Dモデルが予測する範囲を超えた広範な径方向混合を必要とする、彗星に存在する結晶性ケイ酸塩の存在を説明すること。
• 上層部では内向き、中間面では外向きの流れを特徴とする2次元中緯度流れが、原始惑星系円盤内のトレーサー輸送に与える影響を調査すること。
• 垂直方向に解像された時間依存トレーサー輸送を組み込み、自己一貫性のある円盤構造と化学反応を組み込んだ、従来の1Dモデルの改善を図ること。
• 円盤の幾何構造（フラーリング対フラット）と放射過程が、トレーサーの枯渇と混合効率に与える影響を定量化すること。
• ケイ酸塩の焼鈍や炭素の燃焼といった化学過程が、彗星の物体の鉱物および揮発性成分の組成に与える影響を評価すること。

提案手法

• 粘性のβ規定に基づく1+1次元円盤構造モデルを用い、温度、密度、および径方向／垂直方向プロファイルを計算するための垂直方向自己重力も含む。
• 解析的近似から得られる中緯度流れ場を用いて、トレーサー（例：非アモルファスおよび結晶性ケイ酸塩、炭素含有粒子）の2次元移流拡산反応系を統合的に解く。
• ファイバイトおよびフェロスルファイト（焼鈍によって結晶化する）および炭素粒子（高温でOH反応によって破壊される）といった主要な物質の輸送方程式を解く。
• 主な吸収体のローゼランド平均およびプランク平均透過率を用いた詳細な光学定数計算を組み込み、放射冷却および円盤熱的構造を正確にモデル化する。
• トレーサーの進化と円盤構造を自己一貫的に結合し、鉱物学的・化学的変化に伴う透過率の変化を考慮する。
• 円柱座標系を用いるが、トレーサー輸送において円盤のフラーリング効果を考慮し、平坦近似よりも極座標系が現実の円盤幾何構造をより適切に反映していることに留意する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元中緯度流れが、彗星物質に観測された10%の結晶性ケイ酸塩含有量をどの程度説明できるか。
• RQ2 中緯度流れを組み込むことで、1D1ゾーンモデルと比較して、揮発性および難揮発性物質の外向き輸送にどのような影響が生じるか。
• RQ3 円盤のフラーリングが、外側円盤領域におけるトレーサーの枯渇に与える役割は何か。また、中緯度混合とどのように相互作用するか。
• RQ4 ケイ酸塩焼鈍や炭素燃焼といった化学過程が、10^6年間の期間にわたり、主要なトレーサーの径方向分布に与える影響は何か。
• RQ5 垂直方向に解像された円盤モデルにおける2次元トレーサー輸送が、彗星に観測されたメタンおよびアセチレンの含有量を再現できるか。

主な発見

• 中緯度流れにより、高温の内側円盤から、10 AUを超える外側の彗星形成領域へと結晶性ケイ酸塩が効率的に外向きに輸送され、彗星に観測された10%の含有量を説明できる。
• 2次元モデルは、1D1ゾーンモデルと比較して、外側円盤における結晶性ケイ酸塩の径方向濃度プロファイルを10倍以上に高める。
• メタンおよびアセチレンは、炭素燃焼の副産物として生成され、中緯度流れによって外向きに効率的に輸送される。これは、彗星に存在するそれらの物質の妥当な起源を示唆する。
• 円盤のフラーリング幾何構造により、外側領域でのトレーサー枯渇が強くなるが、これは効率的な中緯度移流によって完全に相殺され、主要物質の高含有量が維持される。
• トレーサー輸送と円盤構造および化学反応を自己一貫的に結合することが不可欠であり、ケイ酸塩の結晶化に伴う鉱物学的進化に起因する透過率の変化が、放射冷却および円盤熱的構造に影響を与えるからである。
• 移流時間スケールが乱流拡散時間スケールと同等であることが確認され、大規模な流れ場が正確な混合予測に不可欠であることが示され、特に3次元系において顕著である。