Численное моделирование термической турбулентности в оптически толстых облаках межзвездной среды
Автор: Королев Виталий Владимирович, Еремин Михаил Анатольевич, Жукова Елена Владимировна, Коваленко Илья Геннадьевич, Занкович Андрей Михайлович
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Физика и астрономия
Статья в выпуске: 4 т.22, 2019 года.
Бесплатный доступ
В работе представлены результаты численного моделирования развивающейся в протозвездном облаке конвективной неустойчивости в рамках двухмерной самосогласованной оптико-гидродинамической модели турбулентного газопылевого облака, учитывающей движение среды под действием собственной гравитации и радиационного давления. Показано, что при характерных для наблюдаемых диффузных облаков межзвездной среды параметрах облако переходит в конвективно неустойчивое состояние с инверсным распределением концентрации и температуры. Конвекция возникает в этом инверсном слое в виде маломасштабных вихрей. Со временем размеры вихрей достигают ~ (0,05 - 0,1) , а течение приобретает турбулентный характер по всей толще облака. Развивающаяся в облаке турбулентность является трансзвуковой со скоростями ~ 600 м/с и числами Маха до 1,2, однако сверхзвуковые области занимают малую часть объема облака.
Межзвездная среда, диффузные облака, перенос излучения, турбулентность, конвекция
Короткий адрес: https://sciup.org/149129874
IDR: 149129874 | УДК: 524.5-7 | DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2019.4.6
Numerical simulation of the thermal turbulence in the optical thick clouds of the interstellar medium
We present the results of numerical modeling of convective instability developing in a protostar cloud in the framework of a two-dimensional self-consistent optical-hydrodynamical model of a turbulent gas-dust cloud taking into account the movement of the medium under the influence of its own gravity and radiation pressure. The work [2] shows that in the presence of a constantly acting source of ultraviolet radiation in the central part of the self-gravitating gas-dust cloud, gas distribution in it takes the form of a shell: hot rarefied gas is located in the central part, then comes a region with dense cold gas, and then on the periphery there is a gas with concentration and temperature asymptotically decreasing towards the edge. Such an inverse distribution of matter in the cloud is unstable. If local disturbances in the balance of gas and radiation pressure forces, on the one hand, and self-gravity, on the other, cause convection, then global turbulence may develop in the cloud over time. Therefore, with the characteristic parameters of the observed diffuse clouds in the interstellar medium, the cloud becomes convectively unstable and goes to a state with an inverse distribution of concentration and temperature. The cloud is modeled as an infinitely long inhomogeneous gas-dust layer optically opaque and mirror-symmetric with respect to the equatorial plane. Stars that are sources of radiation are uniformly located along this plane. The cloud is supposed to be significantly more massive compared to the stars, therefore, the model takes into account only self-gravity of the gas-dust medium. We assume that the dust component of the cloud is less massive in comparison with the gas one, and we believe that the velocities of dust particles are adjusted to the gas flow velocity for times substantially shorter than the dynamic times of cloud evolution. The two-channel approximation is used in the model of radiation transfer in a gas-dust cloud. The medium is effectively heated due to ultraviolet radiation in the rangeof 0.1-0.5 µ, since for these wavelengths the dust component of the mediumhas a large optical thickness. The energy of this radiation is partially converted~~into thermal and kinetic energy of the medium, and partially radiated by dust in the form of infrared radiation at wavelengths of 100 µ, for which the medium is transparent. Convection arises in this inverse density distribution layer in the form of small-scale vortices. The sizes of the vortices reach (0.05-0.1)λ𝐽(λ𝐽 is the Jeans length) with time, and the flow becomes turbulent throughout~the entire thickness of the cloud. Turbulence developing in cloud is transonic with velocities of 600 m/s and Mach numbers up to 1.2, however, supersonic regions occupy a small part of the cloud volume.
Список литературы Численное моделирование термической турбулентности в оптически толстых облаках межзвездной среды
- Ван де Хюлст, Г. Рассеяние света малыми частицами / Г. Ван де Хюлст. - М.: Изд-во иностр. лит., 1961. - 536 c.
- Гидростатическая модель самогравитирующего оптически плотного межзвездного облака / Е. В. Жукова, А. М. Занкович, И. Г. Коваленко, К. М. Фирсов // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. - 2012. - № 1 (16). - C. 57-73.
- Гидродинамическая модель самогравитирующего оптически толстого газопылевого облака / Е. В. Жукова, А. М. Занкович, И. Г. Коваленко, К. М. Фирсов // Астрофизический бюллетень. - 2015. - Т. 70, вып. 42, № 4. - C. 502-503.
- Еремин, M. A. AstroChemHydro: параллельный код для моделирования химико-динамической эволюции межзвездной среды / M. A. Еремин, Е. О. Васильев, В. Н. Любимов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2012. - Т. 16, вып. 42, № 3 (48). - C. 99-107.
- Калиткин, Н. Н. Численные методы / Н. Н. Калиткин. - CПб.: БХВ-Петербург, 2011. - 592 c.
- Ковеня, В. М. Метод расщепления в задачах газовой динамики / В. М. Ковеня, Н. Н. Яненко. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1981. - 304 c.
- Колган, В. П. Применение принципа минимальных значений производной к построению конечноразностных схем для расчета разрывных решений газовой динамики / В. П. Колган // Ученые записки ЦАГИ. - 1972. - Т. 3, № 6. - C. 68-77.
- Марчук, Г. И. Методы расщепления / Г. И. Марчук. - М.: Наука, 1988. - 263 c.
- Bianchi, S. Intergalactic medium metal enrichment through dust sputtering / S. Bianchi, A. Ferrara // Astrophys. J. - 205. - Vol. 358. - P. 379-396.
- Blowing in the wind: The dust wave around sigma Ori AB / B. Ochsendorf, N. Cox, S. Krijt, F. Salgado, O. Berne, J. Bernard, L. Kaper, A. Tielens // Astronom. & Astrophys. - 2014. - Vol. 563. - P. A65-A80.
- Briegleb, B. A Delta-Eddington Multiple Scattering Parameterization for Solar Radiation in the Sea Ice Component of the Community Climate System Model / B. Briegleb, B. Light. - Boulder, Colorado: National Center for Atmospheric Research, 2007. - 100 p.
- Elmegreen, B. Interstellar Turbulence I: Observations and Processes / B. Elmegreen, J. Scalo // Annual Review of Astronomy & Astrophysics. - 2004. - Vol. 1, iss. 42. - P. 211-273.
- Extinction Properties of Dust Grains: A New Computational Technique / B. Michel, T. Henning, R. Stognienko, F. Rouleau // Astrophys. J. - 1996. - Vol. 468. - P. 834-841.
- Ferrara, A. Can galactic HI be radiatively supported? / A. Ferrara // Astrophys. J. - 1993. - Vol. 407. - P. 157-162.
- Heofner, S. Dust formation in winds of long-period variables. III. Dynamical models and confirmation of a dust-induced k-mechanism / S. Heofner, M. Feuchtinger, E. Dorfi // Astronom. & Astrophys. - 1995. - Vol. 297. - P. 815-827.
- Kreuger, D. Two-fluid models for stationary dust-driven winds. I. Momentum and energy balance / D. Kreuger, A. Gauger, E. Sedlmayr // Astronom. & Astrophys. - 1994. - Vol. 290. - P. 573-589.
- Kreuger, D. Two-fluid models for stationary dust-driven winds. II. The grain size distribution in consideration of drift / D. Kreuger, E. Sedlmayr // Astronom. & Astrophys. - 1997. - Vol. 321. - P. 557-567.
- Leer, B. van. Towards the Ultimate Conservative Difference Scheme III. Upstream-Centered Finite Difference Schemes for Ideal Compressible Flow / B. van Leer // J. Comput. Phys. - 1977. - Vol. 23. - P. 263-275.
- Leer, B. van. Towards the Ultimate Conservative Difference Scheme IV. New Approach to Numerical Convection / B. van Leer // J. Comput. Phys. - 1977. - Vol. 23. - P. 276-299.
- Mastrodemos, S. On the stability of the dust-gas coupling in winds from late-type stars / S. Mastrodemos, M. Morris, J. Castor // Astrophys. J. - 1996. - Vol. 468. - P. 851-860.
- Murray, N. The disruption of giant molecular clouds by radiation pressure and the efficiency of star formation in galaxies / N. Murray, E. Quataert, T. Thompson // Astrophys. J. - 2010. - Vol. 709. - P. 191-209.
- Radiation pressure-driven dust waves inside bursting interstellar bubbles / B. Ochsendorf, S. Verdolini, N. Cox, O. Berne, L. Kaper, A. Tielens // Astronom. & Astrophys. - 2014. - Vol. 566. - P. A75-83.
- Simis, Y. Origin of quasi-periodic shells in dust forming AGB wind / Y. Simis, V. Icke, C. Dominik // Astronom. & Astrophys. - 2001. - Vol. 371. - P. 205-221.
- Simulations of dust clouds in the atmospheres of substellar objects. Theory toddles after observations / B. Freytag, F. Allard, H.-G. Ludwig, D. Homeier, M. Steffen // Memorie della Societa Astronomica Italiana. - 2009. - Vol. 80. - P. 670-673.
- Snow, T. Diffuse Atomic and Molecular Clouds / T. Snow, B. McCall // Annual Review of Astronomy & Astrophysics. - 2006. - Vol. 44, iss. 1. - P. 367-414.
- Sorrell, W. Spherical cocoon models for the flat infrablue spectrum of the T Tauri phenomenon / W. Sorrell // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. - 334. - Vol. 705-712. - P. 2002-2003.
- Toro, E. Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics / E. Toro. - Berlin: Springer, 1999. - 624 p.
- Woitke, P. 2D models for dust-driven AGB star winds / P. Woitke // Astronom. & Astrophys. - 2006. - Vol. 452. - P. 537-549.