Лаборатория падения башни для экспериментального моделирования пыли совокупных столкновениях в ранней Солнечной системе

Engineering
 

Summary

Мы представляем технику для достижения низкой скорости столкновения средней скорости между хрупких пыли агрегатов в лаборатории. Для этого, два вакуумных раскрывающемся башенные установок были разработаны, которые позволяют скоростях столкновения между <0,01 и ~ 10 м / с. События столкновений регистрируются высокоскоростной обработки изображений.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Blum, J., Beitz, E., Bukhari, M., Gundlach, B., Hagemann, J. H., Heißelmann, D., Kothe, S., Schräpler, R., von Borstel, I., Weidling, R. Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System. J. Vis. Exp. (88), e51541, doi:10.3791/51541 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

С целью исследования эволюции пыли агрегатов в ранней Солнечной системе, мы разработали два вакуум падение башни, в которых хрупкие пыли агрегаты размером до ~ 10 см и пористость до 70% может быть столкнулись. Один из падение башен в основном используется для очень низких скоростях воздействия вплоть до ниже 0,01 м / сек и использует механизм двойного релиза. Столкновения записываются в стерео-зрения двумя высокоскоростными камерами, которые падают вдоль стеклянной вакуумной трубки в системе центра масс рамках двух пыли агрегатов. Другой Башня свободного падения использует электромагнитного ускорителя, который способен мягко ускорения пыли агрегаты для до 5 м / с. В сочетании с выпуском другого пыли совокупности к свободного падения, столкновения на скорости до ~ 10 м / с может быть достигнута. Здесь две неподвижные высокоскоростные камеры записывать события столкновения. В обоих падение башен, пыль агрегаты в свободном падении во время столкновения так, что они совпадают и невесомойусловия в ранней Солнечной системе.

Introduction

Принято считать, что формирование планеты начинается с негравитационной накопления микроскопически малых пылинок в более крупные пылевые агрегатов (см. обзор по Blum & Вурм) 1. Частицы пыли сталкиваются в своих протопланетных дисков из-за броуновского движения, относительных движений дрейфа, и турбулентности туманности газа (см. обзор по Йохансен и др..) 2. Если скорости столкновения являются достаточно низкими, пылевые частицы слипаются в более крупные агломераты. Богатство лабораторных измерений за последние годы привели к модели столкновений пыли совокупности, которая предсказывает исход пары пыли агрегатов с произвольными массами и скоростях столкновения 3. Основные столкновительные результаты придерживаться (в целом для малых совокупных масс и малых скоростях столкновения), подпрыгивая, и фрагментация (для высокой скорости воздействия). Тем не менее, переходы между этими фазами не острые и есть другиерезультаты, как, например, перенос массы или эрозии. Применяя эту модель к типичному протопланетного диска прогнозирует рост см размера пылевых агрегатов в течение нескольких тысяч лет 4. Наличие см размера пылевых агрегатов была широко исследована астрономических наблюдений за последние годы, и теперь можно считать установленным (см. обзор по Тести и др.). 5, так что мы приходим к выводу, что принцип механизм, по которому первые макроскопические тела в молодых планетных систем была определена форма.

Тем не менее, дальнейший рост в органы по крайней мере размеров километровых не очень понятно. Для региона наземного планеты, две гипотезы в настоящее время обсуждается (см. также недавние отзывы по этому вопросу от Йохансен и др. 2 и Тести и др. 5..): (Я) концентрация см размера пылевых агрегатов на, например, потокового нестабильность 6 и последующее GravitРОКУ Национальная крах 7,8 и (II) рост нескольких "счастливчиков" до больших размеров с последующей массовой аккреции процесса массообмена 9,10,11. В обеих моделях см размера пыли агрегаты пройти огромное количество взаимных столкновений на низких и умеренных скоростях. Неясно, что возможные результаты этих столкновений (кроме подпрыгивая) являются.

Для улучшения пыли совокупная модель столкновения по Güttler др.. 3 и исследовать более подробно столкновения среди макроскопических пыли агрегатов в соответствующих режимов скорости, мы создали два падения башен в нашей лаборатории, в которой отдельные совокупные-агрегат столкновения может быть подробно изучены в вакууме и невесомости условиях. Оба падение башни обладают высоту свободного падения 1,5 м, что ограничивает время наблюдения до ~ 0,5 сек. Таким образом, мы наблюдаем столкновения высокоскоростными камерами с форматом мегапиксельной и до 7500 кадров в секунду.Для максимального контраста и высокой скорости записи, светлого поля освещение выбирается. Освещение, таким образом, обеспечивается высокой интенсивности светодиодных панелей и гомогенизируют экранов диффузора. Таким образом, высокоскоростные камеры смотреть столкновения пыль собирает, как темные объекты перед освещенной экране. Чтобы избежать мерцания, светодиоды = питание.

Для достижения низких скоростях столкновения, обе пыли агрегаты размещаются друг над другом в механизме двойного релиза. Освобождение верхней агрегировать время т до нижних одного приводит к относительной скорости у = GT, с г = 9,81 м / с 2, являющийся гравитационное ускорение Земли. Две камеры высокоскоростные, которые рассматривают столкновение с двух сторон 90 ° друг от друга, как правило, выпускаются в между двумя пыли агрегатов (как правило, T / 2 после верхней частицы). Камеры работают в непрерывном режиме записи, которая прекращается в результате воздействия на камерудержатели в песок ведра. Максимальная частота кадров в этом рабочем режиме составляет 1000 кадров в секунду при мегапиксельным разрешением. С помощью этой установки, скорости до температуры ниже 0,01 м / сек были достигнуты. Из-за ограничений механической установки механизма двойного выпуска, максимальная относительная скорость столкновения ~ 3 м / сек. Столкновения с участием пыли агрегаты с до 5 см в диаметре были исследованы в этом раскрывающемся башни. При более высоких скоростях столкновения до ~ 10 м / с, второй башни падение используется, который оснащен электромагнитным ускорителем, который способен к плавно ускорить пыль агрегатов до 5 м / с в вертикальном направлении вверх. Другой пыли совокупности принадлежит двустворчатой ​​люк механизма выпускным и может быть выпущен вращение-бесплатно в свободное падение в любой момент времени. Вот, это не имеет смысла использовать свободного падения камеры. Мы лучше использовать два стационарных камер высокоскоростных с до 7500 кадров в секунду и мегапиксельным разрешением. Из-за большого DiametER этой капли башни, пыль агрегатов до (и, возможно, выше) 10 см в диаметре могут быть использованы.

Protocol

ВНИМАНИЕ: В зависимости от степени опасности используемых частиц, которые можно найти в соответствующих паспортов безопасности, защита рта и защитное снаряжение необходимо надевать на человека, работающего с пылью. Кроме того, рекомендуется использовать систему всасывания сохранить окружающий воздух от пыли.

1. Подготовка см размера Пыль Совокупный образцов

  1. Рассчитайте количество требуемого материала на т = Φ ρ 0 В, где т необходимая масса, Φ является искомым объем коэффициент заполнения (объем коэффициент заполнения = 1 - пористость), ρ 0-плотность материала, и V-объем образца. 77 г неправильной силикатного пыли 0 = 2,6 г / см 3), необходимых для достижения образец пористость 70% (объем заполнения фактор = 0.3) для цилиндрического образца 5 см диаметром и высотой, соответственно.
    Примечание: Формирование земной пласети начинается с коагуляции микронных пылинок - преимущественно состоящих из силикатов - в см размера пористых тел. Хорошо изучены и соответствующей лаборатории аналоговый материал SiO 2, который доступен как неправильной формы порошка с распределением по размерам от 0,5 до 10 мкм, а также в виде монодисперсных сферических зерен для лучшего сравнения теоретических моделей (см. таблицу 1 и рисунок 1).
SiO 2-мономера типа зерна Производитель Диаметр частиц Форма частиц Пример фигура
Монодисперсные Micromod 1.52 ± 0.06 и# 181; м Сферический Рисунок 1 (слева)
Полидисперсных Sigma-Aldrich 0,1 - 10 мкм Нерегулярный Рисунок 1 (справа)

Таблица 1. Характеристики из SiO 2 частиц, используемых в экспериментах столкновения пыли агрегат.

Рисунок 1
Рисунок 1. Электронно-микроскопические изображения Монодисперсные (слева) и полидисперсных (справа) SiO 2 частицы, используемые для производства макроскопических пыли агрегатов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Возьмите контейнер с микронных SiO 2 частиц (см. таблицу 1) и залить ее содержимое на сито с размером ячейки 0,5 мм. Просеять достаточное количество материала и заполнить расчетную массу в форму. Сжатие материала в пресс-форму путем нажатия на поршень вручную, пока высота образца не будет достигнута (например, 5 см). Повернитесь формы на поршень, откройте опорную плиту и аккуратно нажмите образца вне.
Примечание: Образцы могут быть получены в нескольких вариантах (сферических и цилиндрических), размеров (1 мм до 10 см) и пористости (от 60 до 85%) (см. Рисунок 3). Образцы затем могут быть использованы отдельно в экспериментах столкновения или объединены в кластеры, которые затем сталкиваются с другими агрегатов или кластеров.

Рисунок 2
Рисунок 2. Фотография. изменение размеров и форм образцов пыли совокупности следующие образцы показаны: цилиндры пыль с 1 см, 2 см и 5 см в диаметре (задний ряд), пылевых сфер с 1 см и 2 см в диаметре (центр строка), и 2-3 мм размером Al 2 O 3 сферы (передние). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

  1. Охарактеризовать образцы по отношению к пористости и однородности. Если образцы выходят за допустимые поля, производить новые образцы.
    1. Для того чтобы определить пористость образца пыли, определить его объем путем измерения его размеры и его массу с помощью точного баланса.
    2. Используйте рентгеновской томографии (XRT) 12, чтобы получить информацию о однородности и распределение пор по размерам полученного образца.
      Примечание: Для 5 см размера пылевых агрегатов, мы обнаружили отклонения от средний объем заполнения фактог, т. е. отношение массовой плотности образца и плотности материала частиц мономера пыли, только примерно 1% в течение основной части объема образцов и немного большим увеличением объема наполнения фактора на величину до 8% по отношению к внешним границам 12. На фиг.3 показан XRT реконструкцию разрезом через цилиндрическую пыли совокупности 5 см в диаметре и 5 см в высоту. Мы не используем XRT для каждого пыли совокупности, но изучить внутреннюю структуру и однородность случайных выборок.

Рисунок 3
Рисунок 3. Реконструкция внутренней структуры цилиндрической пыли совокупности выборки 5 см высотой и диаметром 5 см. после анализа XRT. Серая шкала обозначает объем наполнения фактор, который представляет собой отношение плотности массы тон образцу и плотность материала частиц мономера пыли. От реконструкции XRT, ясно видно, что эта высокая пористость образца был собран с использованием мм размера пылевых агрегатов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

2. Принцип падения башни установки

  1. Механизмы выпуске:
    В верхней части башни раскрывающегося два механизма высвобождения прикреплены друг на друга. Каждый из них имеет пробу и освобождает его в свободное падение. Разница во времени между выпуском верхнего и нижнего частицы определяет относительную скорость столкновения. Согласно морфологии и формы частиц, соответствующие механизмы высвобождения выбран. Если используется механизм ускорения частиц, только один спусковой механизм не требуется.
    1. Спусковой механизм частиц-на-строки (сферические образцы, УППэ частиц):
      Этот механизм высвобождения состоит из линейной магнита соленоида и сплошной металлической части счетчика.
      1. Прикрепите частицу будет выпущен в строку. Удерживая строку на месте с помощью зажима его между соленоидным магнитом и твердого металла счетчика части.
      2. Чтобы освободить частицы, применяют электрический ток на электромагнитный магнита (см. видео 1).
    2. Ловушка двери спусковой механизм (сферические образцы, ниже частиц):
      Этот механизм высвобождения состоит из поворотного магнита соленоида, в которой держатель прикреплен частиц.
      1. Поместите частицу в полусферической плесени, который вращается вниз с помощью поворотного соленоида, когда электрический ток подается (см. видео 1).
      2. Этот механизм также может быть использован для выпуска кластеров частиц или агрегированных комков. В этом последнем случае, смонтировать два механизма высвобождения люк над другом (см. фильм 2).
      3. Механизм Scissor типа двойной релиз (образцы цилиндрические):
        Этот механизм высвобождения состоит из двух пар поворотных электромагнитных магнитов, в которой металлический стержень установлен. Эти два соленоидных магнитов каждого механизма выпуска размещены таким образом, что две металлические стержни параллельны.
        1. Расположите два образца на двух параллельных стержней в каждой.
        2. Применение электрического тока в двух вращательных соленоидов, чтобы освободить частиц в свободном падении. (См. фильм 3).
      4. Механизм Дважды крыло релиз ловушка-дверь (образцы цилиндрические, в сочетании с механизмом ускорения частиц):
        Этот механизм релиз состоит из двух металлических пластин подпружиненных, которые вместе образуют V-образный держатель частиц. Две металлические пластины удерживаются на месте с помощью металлического стержня, который прикреплен к поворотному соленоида магнит.
        1. Поместите цилиндрический образец пыли на закрытой люка.
        2. Откройте люк, применяяэлектрический ток на электромагнитный магнита. Чтобы избежать подпрыгивая защитник из дверей, вихретоковые тормоза остановить их (см. фильм 4).
          Примечание: Важно, чтобы освободить частиц в свободном падении без начальной скорости и вращения. Для этой цели были разработаны несколько механизмов высвобождения (2.1.1 - 2.1.4).
    3. Механизмы ускорения частиц:
      Ускоряет частицы либо предварительно нагруженной пружины или с помощью электро-магнитным приводом линейной стадии. Оба ускорителя может быть оснащен держателей образцов для различной формы частиц.

    4. Управляющая электроника:
      Установите таймер и отпустите электронику к соответствующим значениям для достижения желаемого скорости столкновения и управлять камерой в системе центра масс кадра.
      Примечание: сроки выпуска частиц, ускорение частиц и выпуска камеры выполняется с помощью набора электронных таймеров, чья функциональность поясняется МОви 5.

    3. Проведения экспериментов

    1. Столкновения с низким скорости (небольшое падение башни):
      1. Образцы загрузить в ножничный типа механизма двойной релиз и тесном вакуум стеклянной трубки.
      2. Начните эвакуацию и установить параметры таймера.
      3. Прикрепите камеры в свои части магнитных выпуска. Начните непрерывную запись камеры.
        Примечание: В связи с высокой интенсивностью светодиодной подсветкой светлого поля, достаточно короткое время воздействие на высокоскоростной камерой можно выбрать так, что движение частиц во время экспозиции можно пренебречь. Кроме того, диафрагма из объектива фотокамеры должен быть установлен на достаточно высоких значениях расширить глубину фокуса по всей диаметром раскрывающегося башни.
      4. При достижении желаемого качества вакуум, дистанционного включения освещения, нажать кнопку запуска и загрузки последовательностей изображений.
    2. Столкновения высокого скорости (большая капля башня):
      1. Образцы загрузить в двойной победыг ловушка-дверь спусковой механизм и ускоритель и закрыть вакуум стеклянную трубку.
      2. Начните эвакуацию и установить параметры таймера.
      3. Начните непрерывную запись камеры. При достижении желаемого качества вакуум, дистанционного включения освещения и нажать кнопку запуска. Скачать последовательностей изображений.
        Примечание: В связи с высокой интенсивностью светодиодной подсветкой светлого поля, достаточно короткое время воздействие на высокоскоростной камерой можно выбрать так, что движение частиц во время экспозиции можно пренебречь. Кроме того, диафрагма из объектива фотокамеры должен быть установлен на достаточно высоких значениях расширить глубину фокуса по всей диаметром раскрывающегося башни.

    4. Пример Эксперименты

    1. Загрузите образцы тщательно в соответствующий механизмом разблокировки.
      1. Низкая скорость столкновения (двойной механизм выпуска; 0,09 м / сек): 5 см против 5 см, подпрыгивая.
        Загрузите образцы на две механизмов высвобождения ножницами типа. Кдостичь столкновения скорости 0,09 м / сек, поместите частиц 7 мм друг от друга и установить временную задержку механизмов высвобождения до 9 мс.
        Примечание: В этой скорости удара, образцы пыли отскакивают друг от друга после столкновения. Последовательность изображений захватывается свободно падающей высокоскоростной камерой (см. фильм 6).

      2. Столкновения Высокоскоростные (электромагнитная ускоритель, 7,4 м / сек): 2 см по сравнению с 2 см, фрагментация.
        Загрузите один образец на двустворчатой ​​люка механизмом разблокировки; разместить другой образец на держатель образца ускорителя линейный стадии.
        Примечание: Для достижения столкновения скорости 7,4 м / сек, нижняя пыль агрегат плавно разгоняется вверх с 2 г, в то же время верхняя пыль агрегат падает. При относительной скорости 7,4 м / с, фрагмент образцы пыли (см. фильм 7).

      3. Высокоскоростной столкновения мелких агрегатов на больших агрегатов: 0,5 см против 5 см, массообмена.
        Загрузка йэ большая выборка на механизм ножниц типа выпуска; разместить меньшее образец на держатель образца весенней ускорителя.
        Примечание: Для достижения скорости столкновения, необходимые для массообмена, тем ниже пыль агрегат плавно разгоняется вверх, одновременно верхний пыль агрегат падает. В этот относительной скорости, меньшие фрагменты выборки и передает небольшое количество массы на большем образце. Поскольку камера падает вдоль верхней (более массивной) частицы, изображения, принятые высокоскоростной камерой создают впечатление крупной частицы более или менее в состоянии покоя (см. фильм 8), которая не соответствует действительности, как видно из внешней падение башни.
    2. Закройте вакуум стеклянную трубку.
    3. Аккуратно откройте вакуумный клапан к насосам для начала замедленного эвакуации и установить параметры таймера в требуемой разницы во времени для нужного скорости столкновения.
    4. Прикрепите камеры в свои части выпуска (если используются в свободном падении камеры).Начните непрерывную запись камеры и включите освещение.
    5. При достижении желаемого качества вакуум, нажмите кнопку фиксатора, чтобы инициировать последовательность таймера.
    6. Скачать изображения последовательности кадров, снятых с помощью высокоскоростных камер к компьютеру.

    5. Анализ данных

    1. Выбрал подходящий серый пороговое значение между фоном и серого стоимости этих объектов. Создание бинарного изображения на основе этого порога, установив пикселей с серыми значений выше порога до белого (в двоичной 1) и точек с более низкими серыми значений в черном (двоичного значения 0).
    2. Определить положение центра частицы "массы в каждой из изображений. Хорошим приближением для определения центра масс для симметричных частиц является центром площади проекции. Это вычисляется из двоичному виду изображений.
    3. Используйте относительное положение центров этих объектов массового и информацию о времени с камеры снимкам для расчетаотносительная скорость (см. фильм 9). Склоны кривой позиции отображаются на правой стороне фильма 9.
      1. В случае отскока столкновения, определения относительных скоростей до и после контакта. Вычислить коэффициент восстановления, т.е. отношение скорости после столкновения и раньше. Участок относительную скорость против коэффициента восстановления. Примером этого анализа показан на рисунке 4.

    Рисунок 4
    Рисунок 4. Пример анализа отражаясь столкновений. Коэффициент восстановления, т.е. отношение скорости отскока и скорости удара, на графике как функцию от скорости столкновения. Круги показать данные для сферических пылевых агрегатов 2 см диатер 13 (см. рисунок 2), треугольники обозначают столкновения между цилиндрическими пыли агрегатов диаметром 5 см. и 5 см в высоту (см. рисунок 2) и два различных факторов заполнения объема 0.3 и 0.4, соответственно 12. Данные показывают тенденцию снижения коэффициента восстановления с увеличением скорости удара. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    1. Если одна или обе частицы фрагмент, определить размеры, как многие из крупнейших фрагментов, как это возможно путем измерения их соответствующих расчетных областей и предполагая соответствующие формы.
      1. Если фрагментация только одной частицы происходит, как правило, передает определенное количество его массы к выжившим частицы. Определить количество передаваемой массы путем измерения Наращенной объем, предполагая соответствующую форму и пористость для количественной оценки масс-transfeг эффективность.

Representative Results

Используя хорошо характеризующиеся образцы пыли-агрегат, описанные в протоколе (см. рисунки 1-3), любая коллизия наблюдается в одном из лаборатории падения башен даст научно ценную информацию о результатах подобных столкновений в протопланетных дисков. До сих пор мы систематически исследованы итоги 2 см столкновения размера сферические пыли агрегатов (с объемом факторах заполнения 0,5) в диапазоне скоростей между 0,008 и 2,02 м / сек 13 и 5 см размера цилиндрических пыли агрегатов (с объемом факторах заполнения между 0,3 и 0,5) в диапазоне скоростей от 0,004 до 2 м / сек 12. Мы нашли подпрыгивая между пыли агрегатов как доминирующей исхода для скоростей ниже ~ 0,4 м / сек для обоих типов пыли агрегатов (см. фильм 6 в качестве примера). На рисунке 4, коэффициент восстановления этих подпрыгивая столкновений показано. Круги обозначают эксперименты с 2см размера сферические образцы 13 и треугольники представляют результаты столкновений между 5 см размера цилиндров пыли с двумя различными плотности упаковки 12. Хотя коэффициенты возвращении отдельных экспериментах рассеивают широко, среднее значение коэффициента восстановления уменьшается с увеличением скорости столкновения.

Оба пыли агрегаты обычно фрагментировать при ударе при скоростях выше ~ 1 м / с (см. фильм 7 для примера). Для скоростей между ~ 0,4 и ~ 1 м / сек, фрагментация только одна из двух встречных пыли агрегатов может произойти. В этом случае не-фрагментацию пыль агрегат получает несколько процентов массы на массообмена 13. Вышеупомянутые ограничения скорости не острые, но обозначают примерно там, где границы между различными режимами лежат 2,11. Для столкновений пылевых агрегатов различных размеров и умеренных скоростях, последствия, как правило, не приводит т о фрагментация больший из двух пыли агрегатов. На противоположном, более крупные тела увеличивают свою массу за счет передачи части массы из небольших ударников (см. фильм 8).

Для случаев, в которых два пыли агрегаты отскакивают от друг друга, передача от поступательной кинетической энергии до столкновения (неважно, что пылевые агрегаты не вращаются до столкновения) в кинетическую энергию движения, кинетической энергии вращения, и других ( диссипативная) энергетические каналы (например, уплотнения из пыли агрегатов) может быть определена. Мы обнаружили, что для центральных соударений (в котором энергия вращения можно пренебречь) относительное количество энергии, рассеиваемой сильно возрастает с увеличением скорости и выше для нижних объем наполнения факторов пыли собирает 12. Такое поведение может быть смоделирована молекулярной динамики, моделирования 12.

TTPS :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 "целевых =" _blank "> Фильм 1. Высокоскоростной фильм (воспроизводятся в замедленном темпе) из частиц-на-строки ( вверху) и спусковой механизм люка (внизу).

Фильм 2 . Высокоскоростной фильм (воспроизводятся в замедленном темпе) механизма двойной люк выпуска. Оба образца являются сгустки Al 2 O 3 частиц диаметром 2 мм, которые остаются ограниченных во свободного падения в связи с крайне низкой нарушения во время выпуска.

Фильм 3 . Высокоскоростной фильм (воспроизводятся в замедленном темпе) из ножниц типа механизма двойной релиз.

Кино4. Высокоскоростной фильм (воспроизводятся в замедленном темпе) из двустворчатой ​​люка механизмом разблокировки.

Фильм 5 . Анимация таймера электроники переключения верхний и нижний механизм высвобождения, а также камеры попадания в свободном падении.

Фильм 6 . Высокоскоростной фильм (воспроизводятся в замедленном темпе) из прыгающий столкновения двух 5 см размера пыли совокупности цилиндров. Два пыли агрегаты выпущенный ножницами типа механизма двойной релиз и сталкиваются с 0,09 скорости м / с.

Фильм 7 . Высокоскоростной фильм (воспроизводятся в замедленном режиме) двух 2 см размера цилиндрических пыли агрегатов collidiнг при относительной скоростью 7,4 м / с. Оба агрегаты фрагментировать полностью.

Фильм 8 . Высокоскоростной фильм (воспроизводятся в замедленном темпе) из 5 мм размера пыли совокупности влияющих на 5 см размера цилиндрической твердой мишени. Как влияние скорость 4,3 м / с выше скорости фрагментации пылинка совокупности это распадается и передает часть своей массы к цели, которая отчетливо видна в фильме.

Фильм 9 . Определение траекторий частиц по полуавтоматическом алгоритма частиц слежения. Здесь, столкновение между двумя 2 см размера сферических агрегатов пыли показано.

Discussion

В связи с высокой механической точностью, отказов обоих падения башен является крайне низким. Это имеет первостепенное значение, так как подготовка проб может занять до нескольких часов, в зависимости от размера, формы и пористости желаемых пыли агрегатов. Следует отметить, что крупные частицы пыли агрегаты с очень высокой пористостью чрезвычайно хрупки и, таким образом, трудно обращаться. Может случиться, что эти пылевые агрегаты сломать во время извлечения от плесени или передачи в раскрывающемся башни. В этих случаях, новый образец должен быть подготовлен. Таким образом, важно, что небольшое падение башни позволяет надежно (и предсказуемые) скоростях столкновения до 0,01 м / 11,13. Самая низкая скорость воздействия до сих пор достигнуто было 0,004 м / с. Эти небольшие скорости воздействия может быть достигнуто только для свободных частиц в условиях микрогравитации. Лаборатория падение башни является дешевым и универсальным реализация такого микрогравитации объекта.

Alternatiве методы для достижения низких скоростях воздействия использовать методы левитации 14,15 (например, путем электромагнитной или аэродинамического левитации), но в целом вызывают силы между сталкивающихся частиц, который должен приниматься во внимание при анализе столкновений. Кроме того, левитация часто вызывает вращательное движение 14, который, если нежелательные, не позволяет столкновений вращения свободной, но, с другой стороны, возможно, даже позволит реалистичное моделирование столкновений между вращающимися частиц. В случае аэродинамического левитации, на воздушной подушке эффекты во время столкновения может вызвать нежелательные режимы, которые не соответствуют тем, в протопланетных дисков. Однако, левитация позволяет в течение неограниченного времени наблюдения и повторяемых экспериментов, так что он должен быть рассматриваться как альтернатива раскрывающегося башни, если ограничение по времени имеет важное значение. Все наши усилия до сих пор были сосредоточены на SiO 2 в качестве представителя силикатов в земной планетой образования гEgion молодых Солнечных Систем. Поскольку большая часть массы протопланетных дисков сосредоточено за точку конденсации водяного льда, важно также изучить поведение агрегатов, состоящих из H 2 O зерен льда мкм размера столкновения. В настоящее время мы настройке крио-вакуумный падение башни для этой цели. Следует отметить, что температуры в таких имитационных экспериментов должна быть ниже ~ 150 К, что температура так называемой "снеговой линии» в протопланетных дисков ("Снеговая линия" делит внутренние области, где вода в парах фаза из внешних областей, где она находится как твердого водяного льда). Мы показали, что образование частиц водяного льда мкм размера возможно и что агрегаты соединения могут быть получены 16, так что мы с оптимизмом иметь первые результаты по их поведению столкновений в течение ближайших 1-2 лет.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Monodisperse SiO2 particles Micromod 43-00-153 Particle diameter 1.52 ± 0.06 µm; particle shape spherical
Polydisperse SiO2 particles Sigma-Aldrich S5631 Particle diameter 0.1 – 10 µm; particle shape irregular

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Blum, J., Wurm, G. The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).
  2. Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. The Multifaceted Planetesimal Formation Process. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. (2014).
  3. Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
  4. Zsom, A., Ormel, C. W., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? II. Introducing the bouncing barrier. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
  5. Testi, L., et al. Dust Evolution in Protoplanetary Disks. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. (2014).
  6. Youdin, A. N., Goodman, J. Streaming Instabilities in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 620, 459-469 (2005).
  7. Johansen, A., Youdin, A. N., Klahr, H. Particle Clumping and Planetesimal Formation Depend Strongly on Metallicity. The Astrophysical Journal Letters. 704, (2009).
  8. Bai, X. N., Stone, J. M. Dynamics of Solids in the Midplane of Protoplanetary Disks: Implications for Planetesimal Formation. The Astrophysical Journal. 722, 1437-1459 (2010).
  9. Windmark, F., Birnstiel, T., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P., Henning, T. h Planetesimal formation by sweep-up: How the bouncing barrier can be beneficial to growth. Astronomy and Astrophysics. 540, (2012).
  10. Windmark, F., Birnstiel, T., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. Breaking through: The effects of a velocity distribution on barriers to dust growth. Astronomy and Astrophysics. 544 (2012).
  11. Garaud, P., Meru, F. From Dust to Planetesimals: An Improved Model for Collisional Growth in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 764, 146 (2013).
  12. Schräpler, R., Blum, J., Seizinger, A., Kley, W. The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates. The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).
  13. Beitz, E., Güttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates. The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).
  14. Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. C. Experimental investigation of the nebular formation of chondrule rims and the formation of chondrite parent bodies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 116, 41-51 (2013).
  15. Jankowski, T., et al. Crossing barriers in planetesimal formation: The growth of mm-dust aggregates with large constituent grains. Astronomy and Astrophysics. 542, (2012).
  16. Gundlach, B., Kilias, S., Beitz, E., Blum, J. Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments - I. Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy. Icarus. 214, 717-723 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics