Entstehung planetarer Atmosphären

01.06.2018 bis 31.12.2021

Kontext: Planeten entstehen in zirkumstellaren Scheiben aus Staub und Gas. Aufgrund ihrer Gravitation binden diese Planeten dabei das Ihnen umgebende Gas in Form einer planetaren Atmosphäre. Im Fall sehr massereicher Planeten führt die Anziehung zu einem rasanten Anwachsen der Gasmasse und es entstehen jupiterähnliche Gasriesen. Leichtere Planeten, wie unsere Erde oder Neptun, lösen keinen solchen Kollaps ihrer Umgebung aus und binden im Vergleich nur wenig Gas in ihrer Atmosphäre. Dieses Beobachtungscharak- teristikum der Atmosphäre eines Planeten lässt also Rückschlüsse auf dessen Entstehungsgeschichte in der zirkumstellaren Scheibe zu.
Methoden: Wir untersuchen die Entstehung und frühe Entwicklung planetarer Atmosphären in numerischen strahlungs-hydrodynamischen Simulationen. Sowohl die hydrodynamischen als auch die thermodynamischen Prozesse der Atmosphärenbildung werden adäquat berücksichtigt. Um eine sehr hohe Auflösung der Atmo- sphärenentstehung zu erreichen, konzentrieren wir uns in den Simulationen vorerst auf einen lokalen Bereich um den Planeten und verwenden ein planetenzentriertes Gitter in sphärischen Koordinaten. In einem zweiten Schritt werden die Anfangs- und Randbedingungen für diese lokalen Simulationen aus globalen Scheiben- modellen extrahiert und so die Effekte der globalen Gasströmung wie Scherung und radiale Druckgradienten untersucht.
Ziele: Wir bestimmen die Masse der entstehenden Atmosphäre und ihr Rotationsprofil sowie ihre Kühlzeit und die Zeitskala der dynamischen Durchmischung der Atmosphäre und der Scheibe als Funktion der Planeten- und Scheibenparameter sowie der optischen Eigenschaften der Umgebung. Neben der Fragestellung, ob die Atmosphäre eine (quasi-)stationäre Konfiguration einnimmt, wird es uns möglich sein, zu überprüfen, ob die thermische Energie oder die asymmetrische Struktur der globalen Gasströmung die entstehende Atmosphäre am Kollaps hindert.
Fazit: In hochaufgelösten numerischen Modellen bestimmen wir die hydrodynamischen und thermodyna- mischen Vorgänge in der frühen Phase der planetaren Atmosphärenentstehung. Die Verknüpfung globaler Scheibenmodelle mit lokalen Simulationen des Aufbaus der Atmosphären ermöglicht dabei die Bestimmung der maßgeblichen physikalischen Parameter in bislang unerreichter räumlicher Auflösung. Die zu erwartenden wissenschaftlichen Ergebnisse geben somit klare Aufschlüsse über die Entstehung und damit den heutigen Aufbau von planetaren Atmosphären.