Winderosion von Planetesimalen
Ein Planetesimal ist ein kilometergroßes protoplaneteres Objekt, welches eine zentrale Entwicklungsstufe der Planetenentstehung darstellt. Bestehend aus millimetergroßen Staubaggregaten wird ein Planetesimal durch die gegenseitige Kohäsion dieser Einzelteile und der Eigengravitation zusammengehalten und bewegt sich durch das Gas der jungen protoplanetaren Scheibe. Abhängig von der Relativgeschwindigkeit zum Gas und der lokalen Gasdichte in der protoplanetaren Scheibe kann die Gasreibung stark genug sein, um die lose gebundene Planetesimaloberfläche zu erodieren. Unter welchen Bedingungen ein Planetesimal durch den Gasfluss der protoplanetaren Scheibe erodiert, ist eine entscheidende Frage für die weitere Entwicklung in der Planetenentstehung. Deshalb wird im Rahmen dieser Doktorarbeit in Windkanalexperimenten die Winderosion von granularen Oberflächen bei geringen Gasdrücken und Gravitationsbeschleunigungen untersucht. Dies wird realisiert mit zwei verschiedenen Niederdruckwindkanälen, welche auf einem Parabelflug unter Schwerelosigkeit oder im Labor unter Erdgravitation betrieben werden. Bestehende Erosionsmodelle werden im Flussbereich zwischen hydrodynamischem und freiem molekularen Fluss empirisch erweitert und im Hinblick auf die Stabilität von Planetesimalen und anderen protoplanetaren Körpern gegenüber Winderosion ausgewertet und interpretiert. Kleine Planetesimale auf zirkularen Orbits sind lediglich in der inneren Scheibe anfällig gegenüber Winderosion, während exzentrische Planetesimale auch in äußeren Gebieten erodieren können. Außerdem beeinflusst die Winderosion die Akkretion von kleinen protoplanetaren Körpern und Planetesimalen auf Planeten signifikant, weil diese durch die erosionsbedingte Größenänderung auch ihre aerodynamischen Eigenschaften ändern und anders an den Gasfluss ankoppeln. Dies wird in den Computersimulationen dieser Doktorarbeit gezeigt.
A planetesimal is a kilometer-sized protoplanetary object, which represents a central stage in the evolution towards planets. Consisting of millimeter-sized dust aggregates, a planetesimal is held together by the mutual cohesion of these individual particles and its self-gravity and moves through the gas of the young protoplanetary disk. Depending on the relative velocity to the gas and the local gas density, the gas friction can be strong enough to erode the loosely bound planetesimal surface. These conditions under which a planetesimal is eroded by the gas flow of the protoplanetary disk are crucial for planet formation. Therefore, within the scope of this doctoral thesis the wind erosion of granular surfaces at low gas pressures and small gravitational accelerations is investigated in wind tunnel experiments. This is realized with two different low-pressure wind tunnels, which are operated on a parabolic flight under weightlessness or in the laboratory under Earth gravity. Existing erosion models are empirically expanded in the flow regime between hydrodynamic and free molecular flow and evaluated and interpreted regarding the stability of planetesimals or other protoplanetary bodies against wind erosion. Small planetesimals on circular orbits are only susceptible to wind erosion in the inner disk, while eccentric planetesimals can also erode in outer areas. In addition, wind erosion significantly influences the accretion of small protoplanetary bodies and planetesimals on planets, because the change in size caused by wind erosion also changes the aerodynamic properties of the protoplanetary bodies and thus the coupling properties to the gas. This is shown in the computer simulations of this doctoral thesis.