[논문 리뷰] Radial mixing in protoplanetary accretion disks VII. 2-dimensional transport of tracers

Michael Wehrstedt, H. P. Gail|ArXiv.org|2008. 04. 21.

Astro and Planetary Science참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 1+1D 디스크 구조를 사용하여 원형으로 확산되는 2차원 방사성 혼합을 모델링하며, 수직 방향 유동을 통합하여 트레이서 운반을 시뮬레이션한다. 수평 유동이 뜨거운 내부 디스크에서 고체 실리케이트와 메탄과 같은 연소 생성물을 차가운 외부 영역으로 효율적으로 운반함을 보여주며, 이는 1D 모델이 예측하는 것보다 훨씬 높은 10%의 고체 실리케이트 농도를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 1D 모델이 예측하는 것보다 훨씬 광범위한 방사성 혼합이 필요하기 때문에 혜성 내 고체 실리케이트 존재를 설명하기 위해
• 내부 층에서의 유동과 중앙면에서의 유동을 특징으로 하는 2차원 수평 유동이 원형 디스크 내 트레이서 운반에 미치는 영향을 조사하기 위해
• 이전의 1D 모델을 향상시키기 위해 수직으로 분해된 시간 의존성 트레이서 운반을 자발적인 디스크 구조와 화학과 함께 통합하기 위해
• 디스크 기하학적 형태(기울어진 디스크 대 평평한 디스크)와 복사 과정이 트레이서 농도 감소와 혼합 효율성에 미치는 영향을 정량화하기 위해
• 실리케이트 재결정화와 탄소 연소와 같은 화학 과정이 혜성 천체의 광물 및 비휘발성 성분을 어떻게 결정짓는지 평가하기 위해

제안 방법

• 점성의 β-규격을 기반으로 한 1+1D 디스크 구조 모델을 사용하며, 온도, 밀도, 방사 및 수직 프로파일을 계산하기 위해 수직 자기중력 효과를 포함한다.
• 분석적 근사로부터 유도된 수평 유동장을 사용하여 트레이서(예: 비결정성 및 고체 실리케이트, 탄소 기반 입자)에 대한 2차원 대류-확산-반응 시스템을 통합한다.
• 포르스테리트와 에누스타이트(냉각을 통해 결정화됨) 및 고온에서 OH 반응에 의해 파괴되는 탄소 입자와 같은 주요 종의 운반 방정식을 해결한다.
• 주요 흡수체에 대해 로사엘란드 및 플랑크 평균 투과도를 사용하여 정밀한 복사 냉각 및 디스크 열적 구조 모델링을 위한 세부적인 투과도 계산을 통합한다.
• 트레이서 진화를 디스크 구조와 자발적으로 결합하여, 광물학적 및 화학적 변화로 인한 투과도 변화를 고려한다.
• 원통좌표계를 사용하지만, 트레이서 운반에 디스크 기울기 효과를 반영하며, 평평한 근사보다 극좌표계가 실제 디스크 기하학을 더 잘 반영함을 인지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 수평 유동이 혜성 물질에서 관측된 10%의 고체 실리케이트 농도를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ2 수평 유동을 포함함으로써 1D 일존 모델 대비 외부로의 비휘발성 및 고착성 물질 운반은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 디스크 기울기의 역할은 트레이서 외부 영역에서의 농도 감소를 어떻게 수정하며, 수평 혼합과의 상호작용은 어떠한가?
• RQ4 실리케이트 재결정화와 탄소 연소와 같은 화학 과정이 10^6년 동안 주요 트레이서의 방사적 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 수직으로 분해된 디스크 모델에서 2차원 트레이서 운반은 혜성 내 관측된 메탄과 아세틸렌 농도를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 수평 유동은 뜨거운 내부 디스크에서 고체 실리케이트를 외부 혜성 형성 영역(10 AU 이상)으로 효율적으로 운반하여 혜성 내 관측된 10%의 농도를 설명한다.
• 2D 모델은 1D 일존 모델보다 외부 디스크에서 고체 실리케이트의 방사 농도 프로파일을 10배 이상 높게 생산한다.
• 메탄과 아세틸렌은 탄소 연소의 부산물로 생성되며, 수평 유동을 통해 외부로 효율적으로 운반되어 혜성 내 존재에 대한 타당한 기원을 제공한다.
• 디스크의 기울어진 기하학적 형태는 외부 영역에서 트레이서 농도 감소를 강화하지만, 이는 효율적인 수평 대류에 의해 완전히 상쇄되어 핵심 종의 고농도를 유지한다.
• 트레이서 운반, 디스크 구조, 화학 반응 간의 자발적 결합이 필수적이며, 실리케이트 결정화와 같은 광물학적 진화로 인한 투과도 변화는 복사 냉각과 디스크 열적 구조에 영향을 준다.
• 모델은 대류 시간 상수와 난류 확산 시간 상수가 유사하므로, 대규모 유동장이 정확한 혼합 예측에 매우 중요하며, 특히 3D 모델에서 그러하다.