[论文解读] On the Ionisation Fraction in Protoplanetary Disks II: The Effect of Turbulent Mixing on Gas--phase Chemistry

M. Ilgner, Richard P. Nelson|ArXiv.org|Sep 19, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 27被引用 40

一句话总结

本文研究了湍流混合如何影响原行星盘中的电离分数，采用气相化学网络模拟物种的垂直扩散。研究发现，当镁的丰度超过阈值（$x_{\rm Mg} \sim 10^{-10}$–$10^{-8}$）时，湍流扩散可抑制金属离子的复合反应，从而消除磁性解耦的“死区”，并实现自持的MHD湍流。

ABSTRACT

We calculate the ionisation fraction in protostellar disk models using two different gas-phase chemical networks, and examine the effect of turbulent mixing by modelling the diffusion of chemical species vertically through the disk. The aim is to determine in which regions of the disk gas can couple to a magnetic field and sustain MHD turbulence. We find that the effect of diffusion depends crucially on the elemental abundance of heavy metals (magnesium) included in the chemical model. In the absence of heavy metals, diffusion has essentially no effect on the ionisation structure of the disks, as the recombination time scale is much shorter than the turbulent diffusion time scale. When metals are included with an elemental abundance above a threshold value, the diffusion can dramatically reduce the size of the magnetically decoupled region, or even remove it altogther. For a complex chemistry the elemental abundance of magnesium required to remove the dead zone is 10(-10) - 10(-8). We also find that diffusion can modify the reaction pathways, giving rise to dominant species when diffusion is switched on that are minor species when diffusion is absent. This suggests that there may be chemical signatures of diffusive mixing that could be used to indirectly detect turbulent activity in protoplanetary disks. We find examples of models in which the dead zone in the outer disk region is rendered deeper when diffusion is switched on. Overall these results suggest that global MHD turbulence in protoplanetary disks may be self-sustaining under favourable circumstances, as turbulent mixing can help maintain the ionisation fraction above that necessary to ensure good coupling between the gas and magnetic field.

研究动机与目标

• 确定湍流混合如何影响原行星盘中的电离结构，特别是与磁场耦合的关系。
• 评估湍流扩散是否能减少或消除低电离盘中磁性解耦区域（“死区”）。
• 研究重元素（尤其是镁）在扩散条件下对复合路径和电离分数的影响。
• 探讨湍流混合的化学特征是否可作为盘中湍流的间接观测诊断手段。
• 评估全局MHD湍流通过扩散与电离化学反馈实现自持的条件。

提出的方法

• 将原行星盘建模为标准的$\alpha$-盘，以X射线电离为主要电离源。
• 使用两个气相化学网络：简化的Oppenheimer & Dalgarno（1974）网络和基于UMIST数据库的复杂网络。
• 通过将扩散系数$\mathcal{D}$等同于运动粘性系数$\nu$，实现垂直湍流扩散。
• 求解所有化学物种（包括电子和关键离子）的时间依赖扩散-反应方程。
• 对比不同镁丰度下有无扩散时的电离分数和死区结构。
• 分析混合效应对主要离子种类和复合路径变化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 湍流混合能否减少或消除原行星盘中磁性解耦的“死区”？
• RQ2 引入镁等重元素后，其对湍流扩散维持电离效率的影响如何改变？
• RQ3 镁的丰度达到何种阈值时，扩散才能显著抑制复合反应并维持磁性耦合？
• RQ4 扩散作用下主要离子种类的变化是否指示可探测的湍流化学特征？
• RQ5 在何种条件下，湍流混合可导致盘中自持的MHD湍流？

主要发现

• 当镁丰度超过$x_{\rm Mg} = 10^{-10}$时，湍流扩散可在基于UMIST的模型中消除$R \geq 2$ AU区域的死区。
• 对于Oppenheimer & Dalgarno网络，当扩散存在时，镁丰度$x_{\rm Mg} = 10^{-12}$已足以在$R \geq 2$ AU区域消除死区。
• 在无重元素的模型中，扩散对死区影响甚微，原因在于分子离子与电子的复合反应极快。
• 金属离子（如Mg+）的复合时间比分子离子长几个数量级，因此在存在金属时，扩散可超过电子损失速率。
• 湍流混合改变了化学路径，导致死区边界附近主要离子种类发生改变，提示可能存在湍流的化学示踪剂。
• 在某些情况下，扩散可能通过将电子分数稀释至磁性耦合临界阈值以下，使外盘区域的死区更深。