How does adhesion influence the small aggregates in Saturn's rings

Wie Adhäsion die Bildung von Aggregaten in den Saturnringen beeinflusst

  • Particles in Saturn’s main rings range in size from dust to even 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⋆ 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 accountingParticles in Saturn’s main rings range in size from dust to even 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⋆ 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 meters, consistent with the maximum aggregate size observed in Saturn’s rings of about 10m.show moreshow less
  • Die Ringe des Saturns bestehen aus Myriaden von Teilchen, deren Größe von Mikrometern (Staub) bis hin zu Hunderten von Metern reicht. Die Ringteilchen bestehen hauptsächlich aus Eis, wobei attraktive Oberflächenkräfte wie Adhäsion und Gravitation zur Bildung von Aggregaten führen kann. Das Wachstum der Aggregate wird durch die Wirkung der Gezeitenkräfte und auch durch Kollisionen der Ringteilchen untereinander auf natürliche Weise begrenzt. Die Kollisionen der Ringteilchen führen zu Akkretion und Fragmentation, welche die resultierende Größenverteilung der Agglomerate schließlich bestimmen. In dieser Arbeit wurden Ausdrücke für die spezifische Eigenenergie Q der Aggregate und der in Relation stehenden spezifischen Fragmentationsenergie Q* analytisch hergeleitet. Diese Ausdrücke können für alle aus monomeren Teilchen bestehenden Agglomerate verwendet werden. Die analytisch gewonnenen Ergebnisse wurden mit numerischen Experimenten verglichen. In den numerischen Experimenten wurden verschiedene Agglomerattypen erzeugt: (i) Agglomerate miDie Ringe des Saturns bestehen aus Myriaden von Teilchen, deren Größe von Mikrometern (Staub) bis hin zu Hunderten von Metern reicht. Die Ringteilchen bestehen hauptsächlich aus Eis, wobei attraktive Oberflächenkräfte wie Adhäsion und Gravitation zur Bildung von Aggregaten führen kann. Das Wachstum der Aggregate wird durch die Wirkung der Gezeitenkräfte und auch durch Kollisionen der Ringteilchen untereinander auf natürliche Weise begrenzt. Die Kollisionen der Ringteilchen führen zu Akkretion und Fragmentation, welche die resultierende Größenverteilung der Agglomerate schließlich bestimmen. In dieser Arbeit wurden Ausdrücke für die spezifische Eigenenergie Q der Aggregate und der in Relation stehenden spezifischen Fragmentationsenergie Q* analytisch hergeleitet. Diese Ausdrücke können für alle aus monomeren Teilchen bestehenden Agglomerate verwendet werden. Die analytisch gewonnenen Ergebnisse wurden mit numerischen Experimenten verglichen. In den numerischen Experimenten wurden verschiedene Agglomerattypen erzeugt: (i) Agglomerate mit kubischem Kristallsystem, (ii) ballistische Teilchenaggregate und (iii) modifiziert ballistische Teilchenaggregate. Für die ballistischen Teilchenaggregate wurden verschiedene Größenverteilungen der Konstituenten verwendet. Als Ergebnis lassen sich die erzeugten Aggregate gemäß ihrer Größe in zwei Gruppen einteilen. Während die kleinen Aggregate hauptsächlich durch die Kontaktkräfte (Adhäsion) zusammengehalten werden, dominiert bei großen Aggregaten (größer als einige Meter) die Gravitationskraft. D.h. wächst aus kleinen Teilchen ein Aggregat, so wird dieses zunächst durch die haftenden Kontakte zwischen den Teilchen zusammengehalten. Wächst das Agglomerat über eine bestimmte Größe, so ist es die Eigengravitation, die den Körper zusammenhält. Damit kann die maximale Gesamtgröße der Aggregate im Kollisionsensemble abgeschätzt werden. Der so bestimmte Wert von einigen Metern stimmt mit der aus Beobachtungen berechneten maximalen Größe der Ringteilchen von rund 10 Metern gut überein.show moreshow less

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Metadaten
Author:Ana Helena Fernandes Guimarães
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-61846
Advisor:Frank Spahn
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/09/21
Year of Completion:2012
Publishing Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2012/09/12
Release Date:2012/09/21
Tag:Adhäsion; Agglomerate; Ringe; Saturn
Adhesion; Aggregates; Ring; Saturn
RVK - Regensburg Classification:US 8550
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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