Collisions of small ice particles under microgravity conditions
小行星被认为是由原行星盘的固体物质通过尘埃聚集的过程形成的。目前尚不清楚增长如何进行到公里大小，但有人提出，雪线以外的水冰可能会影响这一过程。为了更好地理解原行星盘中导致行星形成的碰撞过程，研究了小冰粒的单独低速碰撞。这些粒子在微重力条件下碰撞，使用专门建造的低温冷却实验装置进行抛物线飞行活动。该装置能够在131 ~ 160 K的温度范围内以0.27 ~ 0.51 m·s ^-1的相对碰撞速度将成对的小冰粒（直径在4.7 ~ 10.8 mm之间）碰撞在一起。使用了两种类型的冰粒：冰球和不规则形状的冰碎片。在大多数情况下观察到反弹，少数情况下出现碎裂。利用该装置实现了标准化碰撞参量（b/R = 0.0-1.0）的全范围。恢复系数均匀分布在0.08和0.65之间，平均值为0.36，导致在碰撞中损失了至少58%的平移能量。恢复系数的范围归因于研究中使用的颗粒的表面粗糙度。对粒子旋转的分析表明，碰撞前粒子能量的17%转化为旋转能。温度没有影响的恢复系数在研究的范围内。
2014-11-03 astro-ph.EP
Experiments on the Photophoretic Motion of Chondrules and Dust Aggregates - Indications for the Transport of Matter in Protoplanetary Disks
在一组16个落塔实验中，观察到了亚毫米至毫米大小的颗粒在微重力下的运动。用卤素灯照明，由于电泳引起粒子加速。研究了无尘球粒、覆盖有SiC粉尘的球粒、玻璃球和金属球以及纯SiC粉尘聚集体的光泳现象。这是首次对毫米级颗粒的电泳运动进行实验研究。电泳力的绝对值与球形颗粒的理论预期一致。球粒、尘埃覆盖颗粒和纯尘埃的电泳力的强度分别从低到强变化。这些测量结果支持了这样一种观点，即早期太阳系的电泳可以有效地将固体颗粒向外输送。
2010-03-15 astro-ph.EP
Regolith behavior under asteroid-level gravity conditions: low-velocity impact experiments
覆盖在小行星和行星卫星表面的尘埃风化层在大小、形状和成分上与陆地土壤颗粒不同，并且受到非常不同的环境条件的影响。因此，有必要对行星风化层在相关环境条件下的响应进行实验研究，以促进今后的太阳系探索活动。我们综合了这些结果，并为一系列在低重力条件下模拟行星风化层的撞击实验提供了新的数据分析要素，这些实验使用了两个实验装置：微重力实验中风化层撞击物理学（PRIME）和尘埃碰撞实验（COLLIDE）。这些实验活动的结果发现，有一个显着的变化与重力环境的风化行为。在10-2g环境（月球g水平）中，只观察到撞击物的嵌入，大多数撞击在大于20厘米/秒的速度下产生喷出物。一旦达到微重力水平（<10-4g），最低撞击能量也会产生撞击器回弹。在这种微重力条件下，大于10厘米/秒的撞击开始产生喷出物。测得的喷出物的速度低于在减少重力水平下测得的速度，但喷出的质量较高。平均喷出物速度显示出指数为~0.7的幂律依赖于撞击能量。当弹丸反弹发生时，我们观察到，其恢复系数的风化层模拟物的床上减少了一个因素的10与增加的冲击速度从~5厘米/秒到100厘米/秒。我们还可以观察到，与石英砂靶相比，JSC-1颗粒之间的内聚力增加。
2018-10-02 astro-ph.EP
Experimental Studies on the Aggregation Properties of Ice and Dust in Planet-Forming Regions
为了揭示星子的形成，了解它们形成的尘埃和冰聚集体的碰撞行为是非常重要的。本文提出了一个研究微重力条件下尘埃聚集体、固体冰和冰聚集体低速碰撞聚集特性的实验装置。欧空局第45次抛物线飞行试验的结果表明，在0.1 m/s < v_c <0.5 m/s的速度范围内，大多数碰撞都是由抛射体尘埃聚集体的反弹行为所支配的，碰撞后只有~ 5%的平动动能守恒。
2011-06-23 astro-ph.EP
Multi-Particle Collisions in Microgravity: Coefficient of Restitution and Sticking Threshold for Systems of Mm-Sized Particles
目前的行星形成模型缺乏对原行星盘内超过毫米大小的尘埃颗粒生长的良好理解。为了研究这种粒子之间的低速碰撞，NanoRocks实验于2014年9月至2016年3月在国际空间站（ISS）上飞行。我们提出了这个实验的结果。我们量化的阻尼的能量在系统中的多个粒子在0.1至1毫米的尺寸范围内，而他们是在弹跳制度，并研究通过粒子之间的粘附碰撞的集群的形成。我们开发了统计方法，用于分析实验收集的大量碰撞数据。我们测量了粒子的平均运动，聚集的时刻，和形成的团簇大小。此外，我们还进行了简单的数值模拟，以验证我们的测量结果。我们计算的平均恢复恢复系数（COR）的碰撞，并找到从0.55的系统，包括人口的细颗粒到0.94的系统的密度更大的颗粒。我们还测量了粘附阈值速度，并找到1厘米/秒左右的值，与目前的尘埃碰撞模型的基础上独立收集的实验数据相一致。我们的研究结果对行星环和行星环中粒子的模拟有以下启示：（1）低速下相同尺寸的自由漂浮粒子碰撞的平均COR（2）采用恒定COR值的简化方法将准确地再现粒子系统在碰撞冷却过程中的平均行为;（3）当速度低于5 mm/s时，颗粒旋转对碰撞行为的影响变得明显;（4）现有的粉尘碰撞模型预测粘附阈值是稳健的。
2019-09-13 astro-ph.EP physics.space-ph
Dust evolution in protoplanetary discs and the formation of planetesimals. What have we learned from laboratory experiments?
经过25年的实验室研究原行星尘埃凝聚，一个一致的图片，涉及碰撞尘埃聚集体的各种过程已经出现。除了粘附、弹跳和碎裂之外，其他效果，例如，腐蚀或质量传递，现在已经被广泛研究。凝聚模拟一致地表明，$\rm μ$ m大小的尘埃颗粒在遇到弹跳屏障之前可以生长到mm到cm大小的聚集体，而亚$\rm μ$ m大小的水冰颗粒可以直接生长到星子大小。对于硅质物质，其他过程必须负责将尘埃聚集体转化为星子。在本文中，讨论了这些过程，介绍了出现的尘埃或结冰微行星的物理特性，并与来自太阳系内外的经验证据进行了比较。总之，由尘埃“卵石”的引力坍缩形成的星子似乎是最有可能的。
2018-02-01 astro-ph.EP
Saltation under Martian Gravity and its Influence on the Global Dust Distribution
沙尘暴是火星上常见的景象。了解大气和火星土壤的相互作用是描述火星天气、气候和表面形态的基础。我们建立了一个风洞来研究火星模拟土壤中非常细的沙子和灰尘之间的混合物的升力。这些实验是在火星重力下进行的抛物线飞行。在外部微重力下，通过离心机提供降低的重力。对于0.82 $\pm$ 0.04 m/s的流体阈值剪切速度，测量跃变的开始。这比在地球引力下发现的要低得多。除了重量的减少，这种低阈值可以归因于重力依赖的cohesion内聚力内的砂床，下降了2/3的火星重力。新的跃移阈值导致模拟的年度尘埃循环与火星大气环流模式，是在协议的意见。
2018-01-26 astro-ph.EP
Dust Ejection from Planetary Bodies by Temperature Gradients: Laboratory Experiments
实验室的实验表明，在气体环境中的尘埃体喷射尘埃粒子，如果他们被照亮。我们发现，当光源关闭时，会发生更强烈的尘埃喷发。我们把这归因于气体的压缩热蠕变响应于顶部尘埃层中不断变化的温度梯度。在13 kW/（m * m）的光通量和1 mbar的环境压力下研究了该效果。这种效应适用于原行星盘和火星。在原行星盘的内部，星子会被侵蚀，特别是在旋转体的终结点。这导致产生灰尘，然后灰尘可以朝向盘边缘或外部盘区域输送。产生的尘埃可能构成太阳系外原行星盘中观测到的温暖尘埃的重要部分。我们估计100米母体的侵蚀速率约为1公斤/秒。这些尘埃也可能在不同位置或现有的原行星上促进随后的行星生长，这些原行星足够大，不容易受到光诱导喷射的粒子损失。由于喷射，微行星和较小的天体将被加速或减速，并分别向外或向内漂移。这种效应也可以解释火星上沙尘暴中的尘埃夹带，特别是在高海拔地区，单靠气体阻力可能不够。
2011-02-22 astro-ph.EP
The footprint of cometary dust analogs: I. Laboratory experiments of low-velocity impacts and comparison with Rosetta data
彗星尘埃为研究行星形成初期的尘埃生长机制提供了一个独特的窗口。罗塞塔航天器的测量显示，彗星67 P/丘留莫夫-格拉西缅科的彗发中的尘埃具有颗粒状结构，其尺寸从亚微米到数百微米不等，这表明在这些尺寸尺度上发生了分层生长。然而，这些尘埃颗粒可能在被航天器仪器收集期间发生了变化。在这里，我们提出了实验室实验的结果，模拟COSIMA和MIDAS，罗塞塔航天器上的仪器收集表面上的灰尘的影响。我们映射的大小和结构的脚印留下的灰尘颗粒作为其初始大小（高达几百微米）和速度（高达6米/秒）的函数。我们发现，在大多数碰撞中，只有部分尘埃粒子留在目标上;速度是这些沉积物出现的主要驱动力。在v ~ 2 m/s处发现了作为粒子-靶碰撞的结果的粘附/反弹和碎裂之间的边界。对于低于该值的速度，粒子要么粘在目标板上并留下单个沉积物，要么反弹，留下单体的浅足迹。当速度大于2米/秒、尺寸大于80微米时，粒子在碰撞时碎裂，多达50%的质量转移到目标板上的碎石堆状沉积物中。质量传递量随冲击速度的增加而增加。沉积物的形态与COSIMA仪器所发现的沉积物在性质上相似。
2017-05-19 astro-ph.EP
Interpretation through experimental simulations of phase functions revealed by Rosetta in 67P dust coma
内容：罗塞塔号航天器上搭载的OSIRIS相机在67 P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星（67 P）的彗发内测量的尘埃亮度相位曲线呈现出一个显著的U形。目的：我们的目标是比较这些相位曲线与那些暂时模拟灰尘样品，以评估可能导致这种形状的关键灰尘属性。研究方法：在实验室和微重力条件下，用PROGRA 2仪器对可能代表彗星尘埃颗粒的不同物理性质和组成的样品进行了光散射测量。结果如下：我们发现，最近开发的一系列行星际尘埃类似物的亮度相位曲线（以适应内部黄道云的偏振特性及其随日心距离的变化）是相当的67 P。粉尘的关键特性似乎与成分和孔隙度有关。结论：我们的结论是，67 P的亮度相位曲线的形状必须与存在大量的有机化合物（至少50%的质量）和蓬松的聚集体（10至200微米的尺寸范围）。我们还确认了这颗彗星家族的尘埃颗粒和内部黄道带云内的颗粒之间的相似性。
2019-07-09 astro-ph.EP
Measuring Regolith Strength in Reduced Gravity Environments in the Laboratory
本文设计开发了剪切与压缩单元（SCC），结合落塔模拟减重力与微重力环境，测量颗粒材料的杨氏模量、内摩擦角等关键力学性质，为小行星和卫星等行星探测任务中风化层行为研究提供重要工具。
2024-11-18 astro-ph.EP astro-ph.IM
The Physics of Protoplanetesimal Dust Agglomerates. V. Multiple Impacts of Dusty Agglomerates at Velocities Above the Fragmentation Threshold
在过去的几年里，实验表明，碰撞以上的碎裂阈值速度是一个潜在的重要增长过程的原行星尘埃聚集。为了更深入地了解这一过程，我们进行了实验室和落塔实验，研究烧结粉尘目标上的小，多孔粉尘聚集体弹丸的多次影响。射弹和靶由1.5微米单分散、球形SiO2单体组成，体积填充因子为0.15（射弹）和0.45（靶）。炮弹由螺线管磁铁加速，并与弹匣结合，弹匣可以在真空中对目标上的同一点进行25次撞击。我们测量的质量吸积效率和体积填充因子为不同的冲击速度之间的1.5和6.0米/秒。最低撞击速度的实验是在微重力条件下在不来梅落塔中进行的。在此速度范围内，我们发现吸积效率随速度的增加而线性增加。在实验室实验中，吸积效率从0.12增加到0.21（单位弹丸质量）。记录的撞击图像表明，从弹丸到靶的质量转移导致靶上的锥形结构的生长。从图像中，我们还测量了生长结构的体积填充因子，随着冲击速度的增加，其范围从0.15（未压实）到0.40（显著压实）。这些结果增加了我们对原行星盘中聚集体生长的认识，并应考虑到未来的原行星尘埃生长模型。
2010-09-22 astro-ph.EP
The tensile strength of dust aggregates consisting of small elastic grains: Constraints on the size of condensates in protoplanetary disks
关于星子形成的共识现在面临着威胁，因为最近对尘埃聚集体力学性质的数值研究倾向于质疑亚微米大小的颗粒在原行星盘中聚集成星子的概念图。随着精确的实验室实验和广泛的计算机模拟的弹性球体之间的相互作用，包括灰尘聚集体，我们重新审视的模型由小的弹性颗粒组成的灰尘聚集体的拉伸强度。在接触力学和断裂力学的框架下，我们研究了粉尘聚集体拉伸强度的计算机模拟和实验室实验的结果。我们提供了一个新的分析公式，明确纳入了抗拉强度的体积效应，即，抗拉强度的粉尘聚集体的体积的依赖性。我们发现，我们的尘埃聚集体的拉伸强度模型很好地再现了计算机模拟和实验室实验的结果，如果采用适当的值的弹性参数在模型中使用。此外，亚微米级颗粒尘埃聚集体的模型与天文观测得出的彗星尘埃和流星体的拉伸强度是一致的。因此，我们重申了普遍认为的观点，即星子的形成始于原行星盘中凝聚的亚微米级颗粒的聚集。
2020-07-08 astro-ph.EP
Low-velocity collision behaviour of clusters composed of sub-mm sized dust aggregates
提出的实验旨在测量亚毫米大小的原行星尘埃聚集体类似物之间碰撞的结果。我们还观察了这些聚集体形成的团簇及其碰撞行为。实验在不来梅的落塔中进行。原行星尘埃模拟材料是由单分散和多分散的SiO $_2$颗粒组成的聚集体，粒径在120~ $μ$ m和250~ $μ$ m之间。其中一个灰尘样本含有以前通过反复弹跳压实的聚集体。在三次每次9秒的微重力飞行中，观察到聚集体之间的单独碰撞和最大几毫米大小的聚集体的形成。此外，还记录了团簇与实验细胞壁的碰撞导致的致密化或碎裂。我们观察到尘埃聚集体之间的碰撞和尘埃团与细胞铝壁之间的碰撞，速度范围从约0.1厘米/秒至20厘米/秒。对于由单分散性粉尘组成的聚集体，发生粘附的速度范围为0.18至5.0 cm/s，对于约化质量范围为1.2 × 10 -6至1.8 × 10 -3 g的平均值为2.2 × 10 -4 g的平均值为2.1 cm/s。从尘埃聚集体与铝细胞壁碰撞所形成的团簇的重组和碎裂，我们根据Dominik \& Thielens（1997）为微观粒子开发的模型推导出尘埃聚集体（$\sim$ 100 $μ$ m）的碰撞配方。我们测量了100 $μ$ m大小的非压实骨料的临界滚动能为1.8 × 10 - 13 J，临界断裂能为3.5 × 10 -13 J。
2017-06-22 astro-ph.EP
The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments
从原行星尘埃到微行星的生长过程尚未完全了解。实验室实验和理论模型表明，尘埃聚集体之间的碰撞可能导致粘附，反弹和破碎。然而，迄今为止，还没有对原行星尘埃的碰撞结果进行系统的研究，因此，原行星盘中尘埃演化的物理模型仍然缺失。我们打算映射任意多孔尘埃聚集体的碰撞相互作用的参数空间。这个参数空间包括尘埃聚集体的质量，它们的孔隙度和碰撞速度。有了这样一个完整的映射的碰撞结果的原行星尘埃聚集体，它将有可能遵循的碰撞演化的尘埃在原行星盘的环境。我们使用文献数据，进行自己的实验室实验，并应用简单的物理模型，得到一个完整的图片的碰撞相互作用的原行星尘埃聚集体。在我们的研究中，我们发现了四种不同类型的粘附，两种类型的反弹和三种类型的碎片作为原行星尘埃聚集体之间碰撞的可能结果。我们区分八种孔隙度和质量比的组合。对于每一种情况，我们都给出了一个完整的碰撞模型，其尘埃-聚集体质量在10^-12 ~ 10^2 g之间，碰撞速度在10^-4 ~ 10^4 cm/s之间，且孔隙率为任意值。该模型包括碰撞结果、所产生的聚集体的质量及其孔隙度。我们提出了第一个完整的原行星尘埃碰撞模型。该碰撞模型可用于确定原行星盘中尘埃的生长速率。
2009-11-16 astro-ph.EP astro-ph.SR
Colliding Decimetre Dust
碰撞演化是星子形成的关键过程，分米天体在不同的模型中起着关键作用。然而，两个尘土飞扬的分米物体之间的碰撞结果从未被实验研究过。因此，我们在不来梅落塔中进行了微重力碰撞实验。团聚体由具有不规则形状的微米级颗粒的石英组成，并且平均体积填充因子为0.437 $\pm$ 0.004。骨料为高12 cm、直径12 cm的圆柱体，典型质量为1.5 kg。这些是迄今为止在碰撞中研究的最大和最大的尘埃聚集体。在0.8 - 25.7 cm s $^{-1}$之间的速度范围内，我们观察到回弹和碎裂，但没有粘附。团聚体分裂的临界破碎速度为16.2 $\pm$ 0.4 cm s $^{-1}$。在较低的速度下，聚集体彼此反弹。在此速度范围内，恢复恢复系数随碰撞速度的增加而从0.8减小到0.3。虽然聚集体非常弱，但碎裂的临界比动能$Q_{μ=1}$比预期大6倍。大型天体在原行星盘中的碰撞应该快得多，并且很可能产生较小的碎片。在行星环中，碰撞速度大约为几厘米/秒$^{-1}$，因此在这些实验中研究的范围内。行星环中常见的尘埃团块和风化层覆盖的冰粒的恢复系数是相似的。
2013-05-27 astro-ph.EP
Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates
厘米到分米大小的尘埃体之间的碰撞对于理解导致星子形成的机制非常重要。因此，我们进行了实验室实验，研究碰撞行为的尘埃聚集体在这个尺寸范围内的速度低于和周围的碎裂阈值。我们开发了两个具有相同目标的独立实验装置，以研究自由粒子-粒子碰撞中的弹跳、碎裂和质量传递的影响。第一个装置是一个真空落塔，自由落体高度为1.5米，为我们提供了0.56秒的微重力时间，使我们观察到的碰撞速度在8毫米/秒和2米/秒之间。第二个设置的目的是研究部分破碎的效果（当只有一个两个聚集体被破坏）和传质更详细。它允许测量吸积效率，因为样品在遭遇后被安全地回收。我们的结果是，对于非常低的速度，我们发现反弹，可以预期，而20厘米/秒的破碎速度显着低于预期。我们提出了临界能量的破坏性碰撞Q*，这表明是至少两个数量级低于文献中以前的实验。在弹跳和破坏性碰撞之间的广泛范围内，只有一个样本在碰撞中破碎，而另一个则获得了质量。颗粒质量百分之几数量级的吸积效率取决于撞击速度和样品孔隙率。我们的研究结果将对原行星盘中的尘埃演化模型以及大型多孔微行星体的强度产生影响。
2011-05-02 astro-ph.EP
Insight from laboratory measurements on dust in debris discs
本文利用实验室尘埃测量再现HR 4796碎片盘的近红外光偏振特性，以突破现有尘埃模型在同时复现相位函数、偏振度和光谱反射率方面的局限。
2023-12-04 astro-ph.EP astro-ph.IM
The Mars Science Laboratory record of optical depth measurements via solar imaging
好奇号火星车通过太阳成像记录了火星Gale陨石坑的光学厚度，发现其受尘暴影响呈季节性变化，揭示了尘埃负荷的昼夜变化和高空尘埃特征，并因相机遮光罩收集到跃移沙子而调整了测量策略。
2023-09-14 astro-ph.EP
Laboratory Experiments on the Motion of Dense Dust Clouds
在实验室实验中，我们研究了在低环境压力和高固气比$ε$下，亚毫米颗粒悬浮沉降云的运动。实验显示了粒子的集体行为，即云中的颗粒比孤立的颗粒沉降得更快。在集体粒子云中，沉降速度线性地依赖于$ε$，并且线性地依赖于粒子接近度$C$。然而，集体行为只设置在一个临界值$ε_{\rm crit}$线性增加的实验斯托克斯数St。对于$\rm St <0.003 $粒子总是集体行为。对于大的斯托克斯数，需要大的固气比来触发集体行为，例如$\rm St = 0.01$处的$ε_{\rm crit} = 0.04$。应用于原行星盘，粒子在稠密环境中会更快地沉降。与向上的气体运动（湍流扩散、对流）相平衡，中平面颗粒层的厚度将小于基于单个颗粒计算的厚度，特别是对于灰尘。对于卵石，需要大的固气比来触发基于反反应的不稳定性。
2019-11-29 astro-ph.EP astro-ph.IM
The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. X. High-velocity collisions between small and large dust agglomerates as growth barrier
在原行星盘中，$μ$ m到mm尺寸范围内的尘埃聚集体相对于dm到m尺寸的天体具有10到60 ms $^{-1}$的平均碰撞速度。我们进行了实验室碰撞实验，探索这个参数制度，并发现一个大小和速度依赖的阈值之间的侵蚀和增长。通过使用当地的Monte Carlo凝聚计算和补充一个简单的半分析时标的方法，我们表明，侵蚀大大限制了原行星盘中的颗粒生长，并导致从$μ$ m到dm大小的颗粒的稳态尘埃尺寸分布。
2018-01-16 astro-ph.EP
Towards a Dynamical Collision Model of Highly Porous Dust Aggregates
近年来，我们已经进行了各种实验上的碰撞动力学的高度多孔的尘埃聚集体，虽然我们现在有一个全面的图片的微观力学这些聚集体，宏观的理解仍然缺乏。因此，我们正在开发一个力学模型来描述尘埃聚集体的宏观参数，如拉伸强度，压缩强度和剪切强度的碰撞。对于一个定义良好的粉尘样品材料，拉伸和压缩强度进行了测量，在静态实验和光滑粒子流体动力学（SPH）代码中实现。设计了一个实验室实验，将实验室结果与SPH模拟结果进行比较。在该实验中，将mm尺寸的玻璃珠滴入具有先前测量的强度参数的cm尺寸的粉尘聚集体中。我们通过高速成像确定玻璃珠的减速，并通过X射线显微断层扫描确定灰尘聚集体的压缩。利用实测的贯入深度、停留时间和玻璃珠下的压实度对SPH程序进行了标定和检验。我们发现，静态测得的抗压强度曲线是唯一适用的，如果我们调整到动态的情况下与“软”参数。在确定这个参数后，SPH代码能够再现实验结果，这些结果以前没有用于校准。
2009-04-29 astro-ph.EP
Light Scattering and Thermal Emission by Primitive Dust Particles in Planetary Systems
本文综述了从天文观测中推导行星系原始尘埃粒子光散射和热辐射特性的数值方法。这些颗粒是小颗粒的聚集体，其尺寸与可见光波长相当，成分主要是富镁硅酸盐、含铁金属和原始相的有机耐火材料。原始尘埃粒子的这些独特特征反映了它们在基本上由太阳组成的主序星周围的形成和演化。光散射理论的发展为深入研究这种环星环境中原始尘埃团的光散射和热辐射提供了强有力的工具。特别是，离散偶极子近似，T矩阵方法和有效介质近似是天文学中最流行的实用技术。由亚微米级组成颗粒组成的尘埃团的光散射和热发射的数值模拟具有很大的潜力，可以提供行星系中原始尘埃颗粒的最新知识。为此，至关重要的是将模拟与全面收集的相关结果结合起来，这些结果不仅来自天文观测，而且来自现场数据分析、实验室样品分析、实验室模拟实验以及关于粒子起源和演化的理论研究。
2016-03-11 astro-ph.EP
The Physics of Protoplanetesimal Dust Agglomerates. IV. Towards a Dynamical Collision Model
近年来，我们对原行星尘埃碰撞演化的认识取得了许多进展。基于实验室中的各种尘埃碰撞实验，我们对原行星盘中尘埃聚集体生长的观点现在得到了对尘埃聚集体之间相互作用所涉及的物理学的更深入理解的支持。然而，决定碰撞结果的参数空间是巨大的，有时无法进入实验室实验。非常大或蓬松的尘埃聚集体和极低的碰撞速度超出了今天实验室的范围。因此，我们希望增加我们的经验知识的尘埃碰撞物理的数值方法来处理任意的聚集体尺寸，孔隙率和碰撞速度。在这篇文章中，我们实现实验确定的材料参数的高度多孔粉尘聚集成光滑粒子流体动力学（SPH）的代码，特别是一个全方位的压缩强度和拉伸强度的关系。给出了用压缩实验和低速碰撞实验对SPH程序进行校准的方法。在标定的过程中，我们开发了一个动态的压缩强度关系，并估计了剪切强度的关系。最后，我们定义并进行了一系列的基准测试，发现实验结果和数值模拟之间的协议是非常令人满意的。SPH程序过去曾用于研究高速碰撞。在这项工作的最后，我们展示了未来应用的例子在低速区的碰撞演化。
2009-05-30 astro-ph.EP
Characterisation of Martian dust aerosol phase function from sky radiance measurements by MSL engineering cameras
尘埃是火星大气变化的主要驱动力。确定火星尘埃气溶胶特性对于辐射建模和计算其天气强迫具有高度相关性。特别是，在中等和大散射角的光散射行为可以提供关于空气中尘埃颗粒形状的有价值的信息。利用火星科学实验室的工程相机（Navcam和Hazcam）观测到的天空亮度角分布，计算了大气尘埃单次散射相函数，并对粒子的形状进行了约束。一个迭代的辐射转移为基础的检索方法，以确定气溶胶建模参数，最好地再现所观察到的天空辐射作为在太阳almucantar平面的散射角的函数。在这项研究中考虑检索尘埃辐射特性的气溶胶模型是一个分析三项双Henyey-Greenstein相函数，T-矩阵计算的圆柱形颗粒具有不同的直径与长度的纵横比和实验室测量的几个火星尘埃模拟样品的相函数。本研究结果返回的平均DHG相位函数参数值与Wolff等人（2009）一致。虽然在低透明度远日点的季节（较低的前向散射值，存在一个峰值在后面的区域）相比，其余的一年中观察到的差异，没有明确的证据表明季节性行为或年际变化。得到的平均D/L的纵横比T矩阵计算的圆柱形颗粒为0.70{ \pm }0.20和1.90{ \pm }0.20，和最适合的火星尘埃模拟对应的玄武岩样品。
2019-05-03 astro-ph.EP
Laboratory Study of Antenna Signals Generated by Dust Impacts on Spacecraft
针对航天器尘埃撞击天线信号机制理解不完整的问题，提出解析形式的信号产生模型，通过Cassini缩小模型实验验证，揭示撞击等离子体关键参数及环境放电对信号幅度的降低作用。
2023-04-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Laboratory light scattering from regolith surface and simulation of data by Hapke model
在我们的太阳系中，小行星、月球等没有大气层的小天体都被一层由陨石撞击形成的尘埃颗粒所覆盖，这些尘埃颗粒被称为风化层。通过实验室实验和数值模拟研究这类尘埃层的光散射特性是研究其物理特性的两个重要手段。本文分析了含有0.3μ mAl_2O_3的尘埃颗粒层在波长632.8nm处的散射光。这项工作已经进行了使用光散射仪器“椭圆偏振仪”，在物理系，阿萨姆大学，锡尔查尔，印度。通过这个实验，我们在实验室中产生的光度和偏振相位曲线的光散射从这样的层。为了数值模拟这些数据，我们使用Hapke模型结合Mie的单粒子散射特性。从Mie理论出发，导出了单粒子双折射的垂直分量和平行分量以及相函数。利用Hapke模型和Mie理论相结合的方法，可以研究尘埃颗粒的粒径、光学常数（n，k）和波长等物理性质。在文献中，至今还没有一个理论模型来描述粗糙表面散射引起的偏振，它可以成功地解释散射过程。因此，这项工作的主要目标是开发一个模型，它可以从理论上估计由于粗糙表面的散射所造成的偏振，并验证我们的模型与实验室中产生的数据在目前的工作。
2015-09-08 astro-ph.EP astro-ph.SR
Dust release and tensile strength of the non-volatile layer of cometary nuclei
我们开发了一个彗星核的热物理模型，这是基于这样的假设，即彗星的形式由尘埃和冰聚集体的合奏引力不稳定性。在这种情况下，可以使用Weidling等人（2011年）的尘埃-聚集体碰撞和粘附模型计算彗星核无冰外层的拉伸强度。基于现有的实验室数据的气体渗透性和导热性的无冰粉尘层，我们推导出的温度和压力在尘冰界面的纯水和纯二氧化碳冰。尘埃壳下面的蒸汽压与其抗拉强度的比较可以预测彗星表面的尘埃释放。我们的模型预测了纯CO2冰和日心距离<3 AU的尘埃活动，而纯H2O冰不能解释尘埃排放
2011-11-03 astro-ph.EP
High-Temperature Optical Constants of Dust Analogues for the Solar Nebula
原行星盘中的尘埃受到许多不同过程的影响。除此之外，加热过程是最重要的过程：它们不仅改变了尘埃粒子的物理和化学性质，而且还改变了它们的发射光谱。为了比较观测到的年轻恒星系统的红外光谱与实验室数据的热（高达700°C）拱星尘埃类似物，我们调查的材料，这是重要的组成部分，尘埃在原行星盘。我们通过一个简单的洛伦兹振子拟合计算了光学常数，并将其应用于小粒子发射光谱的模拟，以便将我们的结果与AGB星和原行星盘的真实天文光谱进行比较。
2012-01-09 astro-ph.EP
Dense Particle Clouds in Laboratory Experiments in Context of Drafting and Streaming Instability
流动不稳定性，作为一个例子的不稳定性驱动的粒子反馈的气体流动，已被证明有一个主要的作用，在控制形成的星子。在这里，我们提出的实验，以接近这种情况下，在实验室中的克努森流动制度的颗粒。在这些实验中，我们观察到一个粒子云被困在一个旋转系统在地球引力下约30秒。当平均尘气比高达0.08时，颗粒的行为就像单个测试颗粒一样。它们的沉降速度与单个自由下落粒子的沉降速度相同，即使在局部密度较高的区域也是如此。然而，对于更高的尘气比，颗粒的运动变得敏感的结块。粒子在局部密度较大的区域沉积得更快。然后，它们的沉降速度线性地取决于总的粉尘与气体的比率。这清楚地表明了从跟踪行为到集体行为的转变。除了这些发现之外，这些类型的实验现在可以作为一种衡量标准来测试天体物理学流体力学中的粒子反馈模型，这些模型目前用于流不稳定性的数值模拟。
2019-02-07 astro-ph.EP astro-ph.IM
Unveiling Dust Aggregate Structure in Protoplanetary Disks by Millimeter-wave Scattering Polarization
尘埃在原行星盘中的凝聚是星子形成的第一步。然而，从尘埃聚集到星子的路径仍然不清楚。无论是数值模拟还是实验室实验都表明了尘埃结构在星子形成中的重要性，但它并没有很好地受到观测的约束。我们研究如何尘埃结构和孔隙度改变偏振图像在毫米波进行三维辐射转移模拟。骨料具有不同的孔隙率和分形维数被认为是。因此，我们发现，尘埃聚集体具有较低的孔隙度和/或较高的分形维数是有利的解释所观察到的毫米波散射偏振的磁盘。具有极高孔隙度的聚集体无法解释观察结果。此外，我们还表明，具有中等孔隙度的颗粒表现出弱的散射偏振的波长依赖性，这表明多波长偏振测量是有用的约束灰尘孔隙度。最后，我们讨论了尘埃演化和星子形成磁盘的影响。
2019-09-19 astro-ph.EP
The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? III. Sedimentation driven coagulation inside the snow-line
本文研究了尘埃在原行星盘的一维垂直柱中沉降而引起的尘埃生长。从在盘SED中观察到的10微米特征可知，在盘的整个寿命期间，在盘气氛中存在小的微米尺寸的晶粒。我们希望解释这样的问题，如什么过程可以保持磁盘的大气尘埃的磁盘的寿命和粒子的属性如何改变作为一个函数的高度以上的中平面。我们使用Monte Carlo代码来跟踪颗粒的质量和孔隙度随时间的演化。所使用的碰撞模型是基于实验室实验上进行的灰尘聚集。由于实验无法涵盖所有可能的碰撞场景，我们模型的最大不确定性是我们必须执行的必要外推。我们同时解决了粒子的生长和运动。由于沉降和湍流混合，颗粒可以垂直移动。我们假设气体密度的垂直分布在时间上是固定的，并且只有固体成分演变。我们发现，所使用的碰撞模型强烈影响的质量和尺寸的颗粒。基于实验室实验的碰撞模型与假设在所有碰撞速度下粘附的模型相比大大减小了颗粒尺寸。我们发现，湍流参数α = 10^-2才能保持尘埃大气的尘埃状态，但如此强的湍流只能在中平面产生小颗粒，这对微行星形成模型不利。我们还看到，粒子在中平面较大，在圆盘的上层较小。在3-4个压力标度高度下，产生微米级颗粒。需要这些颗粒尺寸来解释磁盘SED的10微米特征。因此，湍流可能有助于将小尘埃颗粒保持在磁盘大气中。
2011-07-26 astro-ph.EP
Dust particle size, shape, and optical depth during the 2018/MY34 Martian Global Dust Storm retrieved by MSL Curiosity rover navigation cameras
环绕火星的沙尘暴或全球沙尘暴（GDS）是由局部和区域性风暴共同影响而产生的，是一种不常见的非周期性现象：平均频率约为每3-4个MY，它们会导致大气尘埃负荷大幅上升，持续数周至数月，并对大气特性、能量收支和全球环流产生重大影响。在2018/MY 34全球沙尘暴期间，在L_S = 185 $^\circ$（2018年5月30日至31日）开始，火星科学实验室（MSL）漫游车进行了密集的大气科学活动，以监测盖尔陨石坑的环境参数。我们的贡献，以前的研究与独立的检索，以约束尘埃不透明度和重新定义的气溶胶粒子的属性，包括：大小，形状和单散射相函数。实施迭代辐射转移反演程序，以确定最适合2018/MY 34 GDS期间MSL导航相机（Navcams）观测到的前向和后向散射区域天空辐射角分布的气溶胶参数。
2020-08-05 astro-ph.EP
Laboratory experiments on the sublimation of methane through ice dust layers and applications to cometary activity
本研究通过实验室模拟彗星环境，考察CH4在无定形固态水及茚覆盖层下的升华行为，揭示水冰结构转变对挥发物解吸的控制作用。
2023-07-12 astro-ph.EP astro-ph.IM
Tensile & shear strength of porous dust agglomerates
背景：在行星形成的连续吸积过程中，行星是通过一系列的粘附碰撞形成的。多孔尘埃聚集体之间的碰撞结果对于从非常小的尘埃颗粒到星子的生长是非常重要的。在这项工作中，我们确定了必要的材料性质的灰尘聚集体作为一个功能的孔隙度。目标：能够模拟宏观尘埃聚集体碰撞的SPH等连续体模型需要一套材料参数。其中一些参数如抗拉强度和抗剪强度很难通过室内试验获得。本工作的目的是确定这些参数从头计算分子动力学模拟。研究方法：我们模拟多孔粉尘聚集体的行为，使用一个详细的微观物理模型的相互作用的球形颗粒，包括粘附力，滚动，扭曲和滑动。使用不同的方法制备样品，我们研究了我们的样品的强度行为与不同的孔隙率和配位数的材料。结果：抗张强度与实验数据吻合较好。对于剪切强度，没有可用的实验数据。从我们的模拟结果显着不同，从以前的理论模型，这表明，后者可能不足以描述多孔粉尘聚集体。结论：我们已经提供了多孔尘埃聚集体的拉伸和剪切强度的功能行为作为孔隙度的函数，可以直接应用于连续模拟这些对象中的行星形成的情况。
2013-08-23 astro-ph.EP cond-mat.soft
Experimental evidence for granular shear-flow instability in the Epstein regime
University of Bern（伯尔尼大学）；University of Zurich（苏黎世大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
研究在埃普斯坦 regime 中颗粒剪切流不稳定性，通过粒子图像测速技术观察到周期性速度场，可近似为凯尔文-赫姆霍兹不稳定性，为行星形成理论提供基准。
2026-03-16 astro-ph.EP astro-ph.IM
Collisional properties of cm-sized high-porosity ice and dust aggregates and their applications to early planet formation
在原行星盘的死区中，假设微米大小的颗粒增长布朗，沉积到中平面并径向向内漂移。当碰撞压实开始时，增长的聚集体收集速度较慢，因此动态地更小的颗粒。通过实验室实验模拟了高度多孔的冰和尘埃聚集体的沉积和生长阶段，在实验中我们获得了孔隙率为90%的毫米至厘米大小的冰聚集体以及孔隙率为85%的厘米大小的尘埃聚集体。我们模拟了沉积过程中的生长过程，在一个分析计算，以计算团聚物的大小时，他们到达原行星盘的中平面。在中平面中，尘埃颗粒形成薄的致密层，并通过例如，流动不稳定性或剪切湍流的开始。为了研究这些碰撞，我们进行了额外的实验室落塔实验中形成的沉积生长实验中的高孔隙度聚集体，并确定其力学参数，包括他们的粘附阈值速度，这是重要的，他们的方式，以形成星子的进一步碰撞演化。最后，我们开发了一种方法来计算包装密度依赖的基本属性，我们的灰尘和冰团聚体，杨氏模量，泊松比，剪切粘度和体积粘度从压缩测量。有了这些参数，就有可能推导出符合我们测量结果的恢复恢复系数。为了从物理上描述这些结果，我们应用了碰撞模型。有了这个模型，预测一般的灰尘聚集碰撞是可能的。
2022-02-01 astro-ph.EP astro-ph.IM
Impact Angle Influence in High Velocity Dust Collisions during Planetesimal Formation
通过实验研究了小尘埃团与大尘埃靶碰撞中碰撞角的影响。靶由\mum大小的石英粉尘组成，孔隙率约为67%;射弹直径在1至5毫米之间，略致密（孔隙率为64%）。碰撞速度以20 m/s为中心，碰撞角度范围为0°至45°。在一个给定的影响角度，目标获得的质量小于阈值大小的弹丸，随着角度的增加，从约3毫米到1毫米，这将减少。事实上，增长是可能的最大角度研究支持的想法，通过清扫小尘埃聚集体的星子形成。
2011-08-03 astro-ph.EP astro-ph.IM
Drifting inwards in protoplanetary discs II: The effect of water on sticking properties at increasing temperatures
在以前的实验室实验中，我们测量了温度依赖性的粘附力之间的微米颗粒的压电组合物。数据显示，随着温度的升高，表面能降低约5倍。在这里，我们专注于地表水对谷物的影响。在实验室的环境条件下，存在多个水层。在原行星盘的低压和中等温度下，颗粒可能只保持单层。当尘埃向内漂移时，即使是这种单层也会在温度较高的区域完全蒸发。为了解释这一点，我们测量了拉伸强度相同的材料，在正常的实验室条件下制备和测量在我们以前的工作，但现在引入两种新的制备方法：干燥粉尘圆筒在空气中（干样品），和加热粉尘压入圆筒在真空中（超干样品）。对于高达1000 K的所有温度，干燥样品的数据与粘附力的简单增加一致，比湿样品增加约10倍。高达900 K的超干样品表现得像干样品。然而，粘附力随后在约1200 K下指数地增加到另一个因子~100。从湿态到干态粘附的增加将无定形硅酸盐已知的趋势扩展到多矿物混合物。对超干尘埃的研究结果表明，聚集体的生长在1200 K左右的一个小的空间高温区，这可能是一个甜蜜点的星子形成。
2021-08-18 astro-ph.EP astro-ph.IM
Size Dependence of the Bouncing Barrier in Protoplanetary Dust Growth
本文通过软球离散元模拟揭示尘埃聚集体粘附概率随半径增大而降低，从而解释了数值模拟与实验在反弹阈值填充因子上存在巨大差异的原因。
2023-06-07 astro-ph.EP astro-ph.SR cond-mat.soft
Is water ice an efficient facilitator for dust coagulation?
在原行星盘的雪线之外和分子云的致密核心内，气体的温度足够低，水蒸气在预先存在的难熔尘埃颗粒表面凝结成无定形冰。最近的数值模拟和实验室实验表明，在这样的寒冷地区，凝结的蒸汽促进灰尘凝结。然而，在数值模拟中，耐火材料的凝聚力往往被低估，而在实验室实验中，水蒸气与表面的碰撞比真实条件更频繁。因此，为了重新审视水冰在粉尘凝聚中的作用，我们充分利用接触力学和摩擦学中的适当理论，对水冰颗粒凝聚的现有数据进行了系统的调查。我们发现，大多数的实验数据是合理的，很好地解释了润滑理论，由于准液体层（QLL）的存在。唯一的例外是粒子在低温下的动态碰撞结果，这与JKR理论是一致的，因为QLL太薄而不能耗散它们的动能。考虑到原行星盘和分子云中的真空条件，在耐火颗粒表面形成无定形水冰并不一定像目前预期的那样有助于它们的碰撞生长。虽然雪线周围但外部的水冰的结晶使覆冰颗粒的凝结变得容易，但雪线内部的水冰的升华被认为有助于裸露的耐火颗粒的凝结。
2020-10-15 astro-ph.EP astro-ph.GA cond-mat.soft
