TY - JOUR A1 - Seiß, Martin A1 - Albers, Nicole A1 - Sremčević, Miodrag A1 - Schmidt, Jürgen A1 - Salo, Heikki A1 - Seiler, Michael A1 - Hoffmann, Holger A1 - Spahn, Frank T1 - Hydrodynamic Simulations of Moonlet-induced Propellers in Saturn's Rings BT - Application to Bleriot JF - The astronomical journal N2 - One of the biggest successes of the Cassini mission is the detection of small moons (moonlets) embedded in Saturns rings that cause S-shaped density structures in their close vicinity, called propellers. Here, we present isothermal hydrodynamic simulations of moonlet-induced propellers in Saturn's A ring that denote a further development of the original model. We find excellent agreement between these new hydrodynamic and corresponding N-body simulations. Furthermore, the hydrodynamic simulations confirm the predicted scaling laws and the analytical solution for the density in the propeller gaps. Finally, this mean field approach allows us to simulate the pattern of the giant propeller Blériot, which is too large to be modeled by direct N-body simulations. Our results are compared to two stellar occultation observations by the Cassini Ultraviolet Imaging Spectrometer (UVIS), which intersect the propeller Blériot. Best fits to the UVIS optical depth profiles are achieved for a Hill radius of 590 m, which implies a moonlet diameter of about 860 m. Furthermore, the model favors a kinematic shear viscosity of the surrounding ring material of ν0 = 340 cm2 s−1, a dispersion velocity in the range of 0.3 cm s−1 < c0 < 1.5 cm s−1, and a fairly high bulk viscosity 7 < ξ0/ν0 < 17. These large transport values might be overestimated by our isothermal ring model and should be reviewed by an extended model including thermal fluctuations. KW - diffusion KW - hydrodynamics KW - planets and satellites: rings Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.3847/1538-3881/aaed44 SN - 0004-6256 SN - 1538-3881 VL - 157 IS - 1 PB - IOP Publishing Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Guimaraes, Ana H. F. A1 - Albers, Nicole A1 - Spahn, Frank A1 - Seiss, Martin A1 - Vieira-Neto, Ernesto A1 - Brilliantov, Nikolai V. T1 - Aggregates in the strength and gravity regime Particles sizes in Saturn's rings JF - Icarus : international journal of solar system studies N2 - Particles in Saturn's main rings range in size from dust to kilometer-sized objects. Their size distribution is thought to be a result of competing accretion and fragmentation processes. While growth is naturally limited in tidal environments, frequent collisions among these objects may contribute to both accretion and fragmentation. As ring particles are primarily made of water ice attractive surface forces like adhesion could significantly influence these processes, finally determining the resulting size distribution. Here, we derive analytic expressions for the specific self-energy Q and related specific break-up energy Q(star) of aggregates. These expressions can be used for any aggregate type composed of monomeric constituents. We compare these expressions to numerical experiments where we create aggregates of various types including: regular packings like the face-centered cubic (fcc), Ballistic Particle Cluster Aggregates (BPCA), and modified BPCAs including e.g. different constituent size distributions. We show that accounting for attractive surface forces such as adhesion a simple approach is able to: (a) generally account for the size dependence of the specific break-up energy for fragmentation to occur reported in the literature, namely the division into "strength" and "gravity" regimes and (b) estimate the maximum aggregate size in a collisional ensemble to be on the order of a few tens of meters, consistent with the maximum particle size observed in Saturn's rings of about 10 m. KW - Collisional physics KW - Accretion KW - Planetary rings KW - Saturn, Rings Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1016/j.icarus.2012.06.005 SN - 0019-1035 SN - 1090-2643 VL - 220 IS - 2 SP - 660 EP - 678 PB - Elsevier CY - San Diego ER - TY - JOUR A1 - Spahn, Frank A1 - Albers, Nicole A1 - Sremcevic, Miodrag A1 - Thornton, C. T1 - Kinetic description of coagulation and fragmentation in dilute granular particle ensembles N2 - We derive kinetic equations covering coagulation and fragmentation of granular gases including a combined dynamics of the mass spectrum and the velocity distribution. We will focus on coagulation; that can only occur at low impact velocities where attractive forces and dissipation prevent a post-collisional separation. We calculate an impact speed-dependent threshold velocity g(c) for coagulation to occur based on binary collision dynamics of viscoelastic Iranular particles including adhesive forces and determined by the masses, and the material of the colliding particles. Growth processes are immensely slowed down due to g(c) and the resulting restriction in phase space, and do furthermore depend on the ratio of threshold and thermal velocity of a considered particle ensemble. The Smoluchowski equation emerges from the general kinetic approach as a special case Y1 - 2004 SN - 0295-5075 ER - TY - JOUR A1 - Spahn, Frank A1 - Schmidt, Jürgen A1 - Albers, Nicole A1 - Hörning, Marcel A1 - Makuch, Martin A1 - Seiß, Martin A1 - Kempf, Sascha A1 - Srama, Ralf A1 - Dikarev, Valeri A1 - Helfert, Stefan A1 - Moragas-Klostermeyer, Georg A1 - Krivov, Alexander V. A1 - Sremcevic, Miodrag A1 - Tuzzolino, Anthony J. A1 - Economou, Thanasis A1 - Grün, Eberhard T1 - Cassini dust measurements at Enceladus and implications for the origin of the E ring Y1 - 2006 UR - http://www.sciencemag.org/content/311/5766/1416.full U6 - https://doi.org/10.1126/science.1121375 ER - TY - JOUR A1 - Albers, Nicole A1 - Spahn, Frank T1 - The influence of particle adhesion on the stability of agglomerates in Saturn's rings N2 - In planetary rings, binary collisions and mutual gravity are the predominant particle interactions. Based on a viscoelastic contact model we implement the concept of static adhesion. We discuss the collision dynamics and obtain a threshold velocity for restitution or agglomeration to occur. The latter takes place within a range of a few cm s(-1) for icy grains at low temperatures. The stability of such two-body agglomerates bound by adhesion and gravity in a tidal environment is discussed and applied to the saturnian system. A maximal agglomerate size for a given orbit location is obtained. In this way we are able to resolve the borderline of the zone where agglomerates can exist as a function of the agglomerate size and thus gain an alternative to the classical Roche limit. An increasing ring grain size with distance to Saturn as observed by the VIMS-experiment on board the Cassini spacecraft can be found by our estimates and implications for the saturnian system will be addressed. Y1 - 2006 UR - http://www.sciencedirect.com/science/journal/00191035 U6 - https://doi.org/10.1016/j.icarus.2005.10.011 SN - 0019-1035 ER - TY - THES A1 - Albers, Nicole T1 - On the relevance of adhesion : applications to Saturn's rings T1 - Zur Relevanz von Teilchenadhäsion : Anwendung auf die Ringe des Saturn N2 - Since their discovery in 1610 by Galileo Galilei, Saturn's rings continue to fascinate both experts and amateurs. Countless numbers of icy grains in almost Keplerian orbits reveal a wealth of structures such as ringlets, voids and gaps, wakes and waves, and many more. Grains are found to increase in size with increasing radial distance to Saturn. Recently discovered "propeller" structures in the Cassini spacecraft data, provide evidence for the existence of embedded moonlets. In the wake of these findings, the discussion resumes about origin and evolution of planetary rings, and growth processes in tidal environments. In this thesis, a contact model for binary adhesive, viscoelastic collisions is developed that accounts for agglomeration as well as restitution. Collisional outcomes are crucially determined by the impact speed and masses of the collision partners and yield a maximal impact velocity at which agglomeration still occurs. Based on the latter, a self-consistent kinetic concept is proposed. The model considers all possible collisional outcomes as there are coagulation, restitution, and fragmentation. Emphasizing the evolution of the mass spectrum and furthermore concentrating on coagulation alone, a coagulation equation, including a restricted sticking probability is derived. The otherwise phenomenological Smoluchowski equation is reproduced from basic principles and denotes a limit case to the derived coagulation equation. Qualitative and quantitative analysis of the relevance of adhesion to force-free granular gases and to those under the influence of Keplerian shear is investigated. Capture probability, agglomerate stability, and the mass spectrum evolution are investigated in the context of adhesive interactions. A size dependent radial limit distance from the central planet is obtained refining the Roche criterion. Furthermore, capture probability in the presence of adhesion is generally different compared to the case of pure gravitational capture. In contrast to a Smoluchowski-type evolution of the mass spectrum, numerical simulations of the obtained coagulation equation revealed, that a transition from smaller grains to larger bodies cannot occur via a collisional cascade alone. For parameters used in this study, effective growth ceases at an average size of centimeters. N2 - Seit ihrer Entdeckung im Jahre 1610 durch Galileo Galilei faszinieren die Ringe des Saturn sowohl Laien als auch Experten. Planetare Ringe finden sich in der Äquatorialebene aller vier Riesenplaneten unseres Sonnensystems und sind eines der eindruckvollsten Beispiele granularer Gase. Darunter gehören die Saturnringe zu den Bekanntesten. Sie bergen eine Vielzahl von Strukturen und erstrecken sich über mehr als 240 000 Kilometer, wobei sie weit weniger als 100 Meter dick sind. Unzählige kleinerer Körper bewegen sich auf leicht exzentrischen Kepler-ähnlichen Bahnen um den Zentralplaneten und bestehen dabei vorwiegend aus Eis. Die seit Juli 2004 im Orbit um den Saturn befindliche Raumsonde Cassini liefert atemberaubende Bilder und Daten, die nicht nur neue Erkenntnisse liefern, sondern auch alte Fragestellungen neu aufleben lassen. Dazu gehört z.B. die Frage nach dem Ursprung und den Entwicklungsstufen planetarer Ringe. Kürzlich, im äusseren A-Ring entdeckte Kleinmonde, deren Existenz schon viel früher postuliert wurde, weisen auf eventuell stattfindende Wachstumsprozesse hin. Da sich planetare Ringe jedoch hauptsächlich innerhalb der sogenannten Roche-Zone des jeweiligen Planeten befinden, ist ein effektives, allein auf gravitativen Wechselwirkungen beruhendes Größenwachstum nicht zu erwarten. Der Einfluß von Teilchenadhäsion auf diese Prozesse ist bis dato fraglich. Im Rahmen dieser Dissertation ist ein Kontaktmodell für adhäsive, viskoelastische Binärstöße granularer Teilchen entwickelt worden, welches sowohl deren Agglomeration als auch Restitution gestattet. Chakateristisch für granulare Materie ist die dissipative Wechselwirkung der einzelnen Teilchen untereinander. Dieser Energieverlust wird gewöhnlich mittels des Restitutionskoeffizienten erfaßt, der das Verhältnis von Relativgeschwindigkeiten nach zu vor dem Stoß darstellt. Dieser Parameter ermöglicht es, Agglomeration und Restitution nicht nur qualitativ sondern auch quantitativ voneinander zu unterscheiden. Ferner ergibt sich eine maximale Impaktgeschwindigkeit, bei der eine Agglomeration noch immer möglich ist. Basierend auf der Existenz derartiger Grenzgeschwindigkeiten für Agglomeration und Fragmentation, wurde in dieser Dissertation ein selbstkonsistentes, kinetisches Strukturbildungsmodell vorgestellt und im Hinblick auf die Koagulation von Teilchen weitergehend untersucht. Eine Koagulationsgleichung, die einer eingeschränkten Haftwahrscheinlichkeit Rechnung trägt, ist analytisch hergeleitet worden. Aus ihr läßt sich die allgemein bekannte, aber ansonsten phenomenologische Smoluchowski Gleichung als ein Grenzfall ableiten, bei dem jeder mögliche Kontakt zur Koagulation führt. Qualitative und quantitative Untersuchungen der Relevanz von Adhäsion in kräftefreien und Kepler-gescherten Systemen beziehen sich auf die Stabilität von Zwei-Teilchen-Agglomeraten, die Wahrscheinlichkeit eines gegenseitigen "Einfangens" beider Teilchen, und die zeitliche Entwicklung der Größenverteilung unter Berücksichtigung der im ersten Teil dieser Arbeit eingeführten Kollisionsdynamik. Dabei ergab sich ein kritischer Abstand zum Zentralkörper, der das ansonsten in diesem Rahmen benutzte Roche Kriterium erweitert. Numerische Simulationen der vorgestellten Koagulationsgleichung zeigen deutlich, daß im Vergleich zu Smoluchowski-ähnlichem Verhalten, ein kollisionsbasiertes Wachstum von kleineren zu größeren Körpern nicht notwendigerweise auftritt. Lediglich Größen von Zentimetern konnten an dieser Stelle erreicht werden. Die Relevanz von adhäsiven Teilchenwechselwirkungen konnte damit nachgewiesen werden. Vermögen diese auch nicht für ein effektives Wachstum aufzukommen, so sind sie dennoch von Bedeutung für die kollektive Dynamik planetarer Ringe. KW - Saturn KW - Cassini KW - Adhäsion KW - Kinetik KW - Planetare Ringe KW - Roche Limit KW - Roche KW - Agglomeration KW - Kollisionsdynamik KW - planetary rings KW - Saturn KW - collision dynamics KW - adhesion KW - kinetics KW - kinetic Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-10848 ER -