Die Rolle der Staubkoagulation bei der Planetenentstehung
Die Aufenthaltsdauer von Staub in protoplanetaren Scheiben ist zeitlich begrenzt,\nda die Staubmaterie durch Reibung mit dem Gas an Drehimpuls verliert und auf das\nZentralgestirn driftet. In einer turbulenten Scheibe geschieht dies in Zeitspannen, die\nk\xfcrzer sind, als die typischen Wachstumszeitskalen von Staub hin zu Planetesima-\nlen, so da\xdf nicht mehr ausreichend Staubmaterie zur Planetenbildung zur Verf\xfcgung\nsteht.\nDiese Zeitskalenproblematik wird in der vorliegenden Arbeit anhand eines konvektiv-\nturbulenten Scheibenmodells ausf\xfchrlich diskutiert. Da eine globale Sichtweise der\nStaubentwicklung erw\xfcnscht ist, wird einem analytischen Modell gegen\xfcber einem\nnumerischen der Vorzug gegeben. Es werden die hydrodynamischen Gleichungen in\nradialer und vertikaler Richtung unabh\xe4ngig voneinander f\xfcr Bedingungen in einer\nprotoplanetaren Scheibe weitestgehend gel\xf6st und im Grenzfall analytische N\xe4he-\nrungen vorgeschlagen. Die Einf\xfchrung einer station\xe4ren L\xf6sung f\xfcr die vertikale\nVerteilung der Staubmaterie erm\xf6glicht es, eine Verbindung zwischen theoretischem\nModell und beobachtbaren Gr\xf6\xdfen wie Akkretionsrate und Opazit\xe4t herzustellen.\nUm das Problem der Wachstumszeitskalen zu l\xf6sen, wird erstmals die Fragestellung\ndiskutiert, ob die Au\ufb02adung von Staub den Wachstumsproze\xdf in protoplanetaren\nScheiben beschleunigen kann. Bei den bisherigen Rechnungen zur Staubkoagulation\nwurde allein der geometrische Koagulationsquerschnitt ber\xfccksichtigt.\nIn Experimenten zum Wachstum von geladenen Staubpartikeln, die im Vorfeld dieser\nDissertation in Zusammenarbeit mit dem MPE unter den Bedingungen der Schwere-\nlosigkeit auf der Internationalen Raumstation durchgef\xfchrt wurden, wurde erstmals\nder E\ufb00ekt der Coulomb-dipolinduzierten Gelierung (einer Art Runaway-Wachstum)\nvon Staub nachgewiesen. In einem System mikropsh\xe4rischer, zu gleichen Teilen nega-\ntiv und positiv geladener Staubpartikel bilden sich dabei innerhalb weniger Sekunden\nsog. Runaway-Agglomerate, die \u223c 10% der Gesamtmasse des Systems enthalten. Die\nAuswertung einiger dieser Experimente ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit.\nBasierend auf den Ergebnissen dieser Experimente wird \xfcberpr\xfcft, inwieweit die Be-\ndingungen in einer protoplanetaren Scheibe f\xfcr Coulomb-dipolinduzierte Gelierung\nvon Staub gegeben sind. Dabei wird ersichtlich, da\xdf durch diesen neuen Wachs-\ntumsproze\xdf das Staubwachstum in bestimmten Regionen der jungen protoplaneta-\nren Scheibe deutlich vorangetrieben werden kann. Durch das Zusammenwirken von\nbeschleunigtem Staubwachstum und der dadurch bedingten \xc4nderung der Opazi-\nt\xe4t ver\xe4ndern sich die turbulenten Eigenschaften der Scheibe. Zum einen f\xfchrt dies\nzur Sedimentation von Staub, so da\xdf sich in der Mittelebene eine dichte Staub-\nschicht herausbildet, die gravitativ instabil werden kann. Zum anderen wird weitere\nAkkretion unterbunden, so da\xdf ausreichend Staubmaterie f\xfcr die folgenden Schrit-\nte der Planetenentstehung erhalten bleibt. Damit wird in dieser Arbeit ein Weg zur\n\xdcberwindung der Problematik der Wachstumszeitskalen bei der Planetenentstehung\naufgezeigt.