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1 #LyX 2.4 created this file. For more info see https://www.lyx.org/
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83
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85 \begin_inset Note Note
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87
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89
90 \family roman
91 \series medium
92 \size normal
93 This is an example \SpecialChar LyX
94  file for articles to be submitted to the Journal of
95  Astronomy & Astrophysics (A&A).
96  How to install the A&A \SpecialChar LaTeX
97  class to your \SpecialChar LaTeX
98  system is explained in 
99 \begin_inset Flex URL
100 status open
101
102 \begin_layout Plain Layout
103
104 https://wiki.lyx.org/Layouts/Astronomy-Astrophysics
105 \end_layout
106
107 \end_inset
108
109 .
110 \begin_inset Newline newline
111 \end_inset
112
113 Depending on the submission state and the abstract layout, you need to use
114  different document class options that are listed in the aa manual.
115 \family default
116
117 \begin_inset Newline newline
118 \end_inset
119
120
121 \family roman
122 \series default
123 Note:
124 \series medium
125  If you use accented characters in your document, you must use the predefined
126  document class option 
127 \series default
128 latin9
129 \series medium
130  in the document settings.
131 \end_layout
132
133 \end_inset
134
135
136 \end_layout
137
138 \begin_layout Title
139 Hydrodynamics of giant planet formation
140 \end_layout
141
142 \begin_layout Subtitle
143 I.
144  Overviewing the 
145 \begin_inset Formula $\kappa$
146 \end_inset
147
148 -mechanism
149 \end_layout
150
151 \begin_layout Author
152 G.
153  Wuchterl
154 \begin_inset Flex institutemark
155 status open
156
157 \begin_layout Plain Layout
158 1
159 \end_layout
160
161 \end_inset
162
163
164 \begin_inset ERT
165 status collapsed
166
167 \begin_layout Plain Layout
168
169
170 \backslash
171 and 
172 \end_layout
173
174 \end_inset
175
176  C.
177  Ptolemy
178 \begin_inset Flex institutemark
179 status collapsed
180
181 \begin_layout Plain Layout
182 2
183 \end_layout
184
185 \end_inset
186
187
188 \begin_inset ERT
189 status collapsed
190
191 \begin_layout Plain Layout
192
193
194 \backslash
195 fnmsep 
196 \end_layout
197
198 \end_inset
199
200
201 \begin_inset Foot
202 status collapsed
203
204 \begin_layout Plain Layout
205 Just to show the usage of the elements in the author field
206 \end_layout
207
208 \end_inset
209
210  
211 \begin_inset Note Note
212 status collapsed
213
214 \begin_layout Plain Layout
215
216 \backslash
217 fnmsep is only needed for more than one consecutive notes/marks
218 \end_layout
219
220 \end_inset
221
222
223 \end_layout
224
225 \begin_layout Offprint
226 G.
227  Wuchterl
228 \end_layout
229
230 \begin_layout Address
231 Institute for Astronomy (IfA), University of Vienna, Türkenschanzstrasse
232  17, A-1180 Vienna
233 \begin_inset Newline newline
234 \end_inset
235
236
237 \begin_inset Flex Email
238 status open
239
240 \begin_layout Plain Layout
241 wuchterl@amok.ast.univie.ac.at
242 \end_layout
243
244 \end_inset
245
246
247 \begin_inset ERT
248 status collapsed
249
250 \begin_layout Plain Layout
251
252
253 \backslash
254 and 
255 \end_layout
256
257 \end_inset
258
259 University of Alexandria, Department of Geography, ...
260 \begin_inset Newline newline
261 \end_inset
262
263
264 \begin_inset Flex Email
265 status collapsed
266
267 \begin_layout Plain Layout
268 c.ptolemy@hipparch.uheaven.space
269 \end_layout
270
271 \end_inset
272
273
274 \begin_inset Foot
275 status collapsed
276
277 \begin_layout Plain Layout
278 The university of heaven temporarily does not accept e-mails
279 \end_layout
280
281 \end_inset
282
283  
284 \end_layout
285
286 \begin_layout Date
287 Received September 15, 1996; accepted March 16, 1997
288 \end_layout
289
290 \begin_layout Abstract (unstructured)
291 To investigate the physical nature of the `nuc\SpecialChar softhyphen
292 leated instability' of proto
293  giant planets, the stability of layers in static, radiative gas spheres
294  is analysed on the basis of Baker's standard one-zone model.
295  It is shown that stability depends only upon the equations of state, the
296  opacities and the local thermodynamic state in the layer.
297  Stability and instability can therefore be expressed in the form of stability
298  equations of state which are universal for a given composition.
299  The stability equations of state are calculated for solar composition and
300  are displayed in the domain 
301 \begin_inset Formula $-14\leq\lg\rho/[\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}]\leq0$
302 \end_inset
303
304
305 \begin_inset Formula $8.8\leq\lg e/[\mathrm{erg}\,\mathrm{g}^{-1}]\leq17.7$
306 \end_inset
307
308 .
309  These displays may be used to determine the one-zone stability of layers
310  in stellar or planetary structure models by directly reading off the value
311  of the stability equations for the thermodynamic state of these layers,
312  specified by state quantities as density 
313 \begin_inset Formula $\rho$
314 \end_inset
315
316 , temperature 
317 \begin_inset Formula $T$
318 \end_inset
319
320  or specific internal energy 
321 \begin_inset Formula $e$
322 \end_inset
323
324 .
325  Regions of instability in the 
326 \begin_inset Formula $(\rho,e)$
327 \end_inset
328
329 -plane are described and related to the underlying microphysical processes.
330  Vibrational instability is found to be a common phenomenon at temperatures
331  lower than the second He ionisation zone.
332  The 
333 \begin_inset Formula $\kappa$
334 \end_inset
335
336 -mechanism is widespread under `cool' conditions.
337 \begin_inset Note Note
338 status open
339
340 \begin_layout Plain Layout
341 Citations are not allowed in A&A abstracts.
342 \end_layout
343
344 \end_inset
345
346
347 \begin_inset Note Note
348 status open
349
350 \begin_layout Plain Layout
351 This is the unstructured abstract type, an example for the structured abstract
352  is in the 
353 \family sans
354 aa.lyx
355 \family default
356  template file that comes with \SpecialChar LyX
357 .
358 \end_layout
359
360 \end_inset
361
362
363 \end_layout
364
365 \begin_layout Keywords
366 giant planet formation – 
367 \begin_inset Formula $\kappa$
368 \end_inset
369
370 -mechanism – stability of gas spheres
371 \end_layout
372
373 \begin_layout Section
374 Introduction
375 \end_layout
376
377 \begin_layout Standard
378 In the 
379 \emph on
380 nucleated instability
381 \emph default
382  (also called core instability) hypothesis of giant planet formation, a
383  critical mass for static core envelope protoplanets has been found.
384  Mizuno (
385 \begin_inset CommandInset citation
386 LatexCommand cite
387 key "Eisenstein2005"
388 literal "true"
389
390 \end_inset
391
392 ) determined the critical mass of the core to be about 
393 \begin_inset Formula $12\,M_{\oplus}$
394 \end_inset
395
396  (
397 \begin_inset Formula $M_{\oplus}=5.975\,10^{27}\,\mathrm{g}$
398 \end_inset
399
400  is the Earth mass), which is independent of the outer boundary conditions
401  and therefore independent of the location in the solar nebula.
402  This critical value for the core mass corresponds closely to the cores
403  of today's giant planets.
404 \end_layout
405
406 \begin_layout Standard
407 Although no hydrodynamical study has been available many workers conjectured
408  that a collapse or rapid contraction will ensue after accumulating the
409  critical mass.
410  The main motivation for this article is to investigate the stability of
411  the static envelope at the critical mass.
412  With this aim the local, linear stability of static radiative gas spheres
413  is investigated on the basis of Baker's (
414 \begin_inset CommandInset citation
415 LatexCommand cite
416 key "Abernethy2003"
417 literal "true"
418
419 \end_inset
420
421 ) standard one-zone model.
422 \end_layout
423
424 \begin_layout Standard
425 Phenomena similar to the ones described above for giant planet formation
426  have been found in hydrodynamical models concerning star formation where
427  protostellar cores explode (Tscharnuter 
428 \begin_inset CommandInset citation
429 LatexCommand cite
430 key "Cotton1999"
431 literal "true"
432
433 \end_inset
434
435 , Balluch 
436 \begin_inset CommandInset citation
437 LatexCommand cite
438 key "Mena2000"
439 literal "true"
440
441 \end_inset
442
443 ), whereas earlier studies found quasi-steady collapse flows.
444  The similarities in the (micro)physics, i.
445 \begin_inset space \thinspace{}
446 \end_inset
447
448 g.
449 \begin_inset space \space{}
450 \end_inset
451
452 constitutive relations of protostellar cores and protogiant planets serve
453  as a further motivation for this study.
454 \end_layout
455
456 \begin_layout Section
457 Baker's standard one-zone model
458 \end_layout
459
460 \begin_layout Standard
461 \begin_inset Float figure
462 wide true
463 sideways false
464 status open
465
466 \begin_layout Plain Layout
467 \begin_inset Caption Standard
468
469 \begin_layout Plain Layout
470 \begin_inset CommandInset label
471 LatexCommand label
472 name "fig:FigGam"
473
474 \end_inset
475
476 Adiabatic exponent 
477 \begin_inset Formula $\Gamma_{1}$
478 \end_inset
479
480 .
481  
482 \begin_inset Formula $\Gamma_{1}$
483 \end_inset
484
485  is plotted as a function of 
486 \begin_inset Formula $\lg$
487 \end_inset
488
489  internal energy 
490 \begin_inset Formula $[\mathrm{erg}\,\mathrm{g}^{-1}]$
491 \end_inset
492
493  and 
494 \begin_inset Formula $\lg$
495 \end_inset
496
497  density 
498 \begin_inset Formula $[\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}]$
499 \end_inset
500
501
502 \end_layout
503
504 \end_inset
505
506
507 \end_layout
508
509 \end_inset
510
511  In this section the one-zone model of Baker (
512 \begin_inset CommandInset citation
513 LatexCommand cite
514 key "Abernethy2003"
515 literal "true"
516
517 \end_inset
518
519 ), originally used to study the Cepheïd pulsation mechanism, will be briefly
520  reviewed.
521  The resulting stability criteria will be rewritten in terms of local state
522  variables, local timescales and constitutive relations.
523 \end_layout
524
525 \begin_layout Standard
526 Baker (
527 \begin_inset CommandInset citation
528 LatexCommand cite
529 key "Abernethy2003"
530 literal "true"
531
532 \end_inset
533
534 ) investigates the stability of thin layers in self-gravitating, spherical
535  gas clouds with the following properties: 
536 \end_layout
537
538 \begin_layout Itemize
539 hydrostatic equilibrium, 
540 \end_layout
541
542 \begin_layout Itemize
543 thermal equilibrium, 
544 \end_layout
545
546 \begin_layout Itemize
547 energy transport by grey radiation diffusion.
548  
549 \end_layout
550
551 \begin_layout Standard
552 \noindent
553 For the one-zone-model Baker obtains necessary conditions for dynamical,
554  secular and vibrational (or pulsational) stability (Eqs.
555 \begin_inset space \space{}
556 \end_inset
557
558 (34a,
559 \begin_inset space \thinspace{}
560 \end_inset
561
562 b,
563 \begin_inset space \thinspace{}
564 \end_inset
565
566 c) in Baker 
567 \begin_inset CommandInset citation
568 LatexCommand cite
569 key "Abernethy2003"
570 literal "true"
571
572 \end_inset
573
574 ).
575  Using Baker's notation:
576 \end_layout
577
578 \begin_layout Standard
579 \align left
580 \begin_inset Formula 
581 \begin{eqnarray*}
582 M_{r} &  & \textrm{mass internal to the radius }r\\
583 m &  & \textrm{mass of the zone}\\
584 r_{0} &  & \textrm{unperturbed zone radius}\\
585 \rho_{0} &  & \textrm{unperturbed density in the zone}\\
586 T_{0} &  & \textrm{unperturbed temperature in the zone}\\
587 L_{r0} &  & \textrm{unperturbed luminosity}\\
588 E_{\textrm{th}} &  & \textrm{thermal energy of the zone}
589 \end{eqnarray*}
590
591 \end_inset
592
593  
594 \end_layout
595
596 \begin_layout Standard
597 \noindent
598 and with the definitions of the 
599 \emph on
600 local cooling time
601 \emph default
602  (see Fig.
603 \begin_inset space ~
604 \end_inset
605
606
607 \begin_inset CommandInset ref
608 LatexCommand ref
609 reference "fig:FigGam"
610
611 \end_inset
612
613
614 \begin_inset Formula 
615 \begin{equation}
616 \tau_{\mathrm{co}}=\frac{E_{\mathrm{th}}}{L_{r0}}\,,
617 \end{equation}
618
619 \end_inset
620
621  and the 
622 \emph on
623 local free-fall time
624 \emph default
625
626 \begin_inset Formula 
627 \begin{equation}
628 \tau_{\mathrm{ff}}=\sqrt{\frac{3\pi}{32G}\frac{4\pi r_{0}^{3}}{3M_{\mathrm{r}}}}\,,
629 \end{equation}
630
631 \end_inset
632
633  Baker's 
634 \begin_inset Formula $K$
635 \end_inset
636
637  and 
638 \begin_inset Formula $\sigma_{0}$
639 \end_inset
640
641  have the following form: 
642 \begin_inset Formula 
643 \begin{eqnarray}
644 \sigma_{0} & = & \frac{\pi}{\sqrt{8}}\frac{1}{\tau_{\mathrm{ff}}}\\
645 K & = & \frac{\sqrt{32}}{\pi}\frac{1}{\delta}\frac{\tau_{\mathrm{ff}}}{\tau_{\mathrm{co}}}\,;
646 \end{eqnarray}
647
648 \end_inset
649
650  where 
651 \begin_inset Formula $E_{\mathrm{th}}\approx m(P_{0}/{\rho_{0}})$
652 \end_inset
653
654  has been used and 
655 \begin_inset Formula 
656 \begin{equation}
657 \begin{array}{l}
658 \delta=-\left(\frac{\partial\ln\rho}{\partial\ln T}\right)_{P}\\
659 e=mc^{2}
660 \end{array}
661 \end{equation}
662
663 \end_inset
664
665  is a thermodynamical quantity which is of order 
666 \begin_inset Formula $1$
667 \end_inset
668
669  and equal to 
670 \begin_inset Formula $1$
671 \end_inset
672
673  for nonreacting mixtures of classical perfect gases.
674  The physical meaning of 
675 \begin_inset Formula $\sigma_{0}$
676 \end_inset
677
678  and 
679 \begin_inset Formula $K$
680 \end_inset
681
682  is clearly visible in the equations above.
683  
684 \begin_inset Formula $\sigma_{0}$
685 \end_inset
686
687  represents a frequency of the order one per free-fall time.
688  
689 \begin_inset Formula $K$
690 \end_inset
691
692  is proportional to the ratio of the free-fall time and the cooling time.
693  Substituting into Baker's criteria, using thermodynamic identities and
694  definitions of thermodynamic quantities, 
695 \begin_inset Formula 
696 \[
697 \Gamma_{1}=\left(\frac{\partial\ln P}{\partial\ln\rho}\right)_{S}\,,\;\chi_{\rho}^{}=\left(\frac{\partial\ln P}{\partial\ln\rho}\right)_{T}\,,\;\kappa_{P}^{}=\left(\frac{\partial\ln\kappa}{\partial\ln P}\right)_{T}
698 \]
699
700 \end_inset
701
702
703 \begin_inset Formula 
704 \[
705 \nabla_{\mathrm{ad}}=\left(\frac{\partial\ln T}{\partial\ln P}\right)_{S}\,,\;\chi_{T}^{}=\left(\frac{\partial\ln P}{\partial\ln T}\right)_{\rho}\,,\;\kappa_{T}^{}=\left(\frac{\partial\ln\kappa}{\partial\ln T}\right)_{T}
706 \]
707
708 \end_inset
709
710  one obtains, after some pages of algebra, the conditions for 
711 \emph on
712 stability
713 \emph default
714  given below: 
715 \begin_inset Formula 
716 \begin{eqnarray}
717 \frac{\pi^{2}}{8}\frac{1}{\tau_{\mathrm{ff}}^{2}}(3\Gamma_{1}-4) & > & 0\label{ZSDynSta}\\
718 \frac{\pi^{2}}{\tau_{\mathrm{co}}\tau_{\mathrm{ff}}^{2}}\Gamma_{1}\nabla_{\mathrm{ad}}\left[\frac{1-3/4\chi_{\rho}^{}}{\chi_{T}^{}}(\kappa_{T}^{}-4)+\kappa_{P}^{}+1\right] & > & 0\label{ZSSecSta}\\
719 \frac{\pi^{2}}{4}\frac{3}{\tau_{\mathrm{co}}\tau_{\mathrm{ff}}^{2}}\Gamma_{1}^{2}\,\nabla_{\mathrm{ad}}\left[4\nabla_{\mathrm{ad}}-(\nabla_{\mathrm{ad}}\kappa_{T}^{}+\kappa_{P}^{})-\frac{4}{3\Gamma_{1}}\right] & > & 0\label{ZSVibSta}
720 \end{eqnarray}
721
722 \end_inset
723
724  For a physical discussion of the stability criteria see Baker (
725 \begin_inset CommandInset citation
726 LatexCommand cite
727 key "Abernethy2003"
728 literal "true"
729
730 \end_inset
731
732 ) or Cox (
733 \begin_inset CommandInset citation
734 LatexCommand cite
735 key "Parkin2005"
736 literal "true"
737
738 \end_inset
739
740 ).
741 \end_layout
742
743 \begin_layout Standard
744 We observe that these criteria for dynamical, secular and vibrational stability,
745  respectively, can be factorized into 
746 \end_layout
747
748 \begin_layout Enumerate
749 a factor containing local timescales only, 
750 \end_layout
751
752 \begin_layout Enumerate
753 a factor containing only constitutive relations and their derivatives.
754  
755 \end_layout
756
757 \begin_layout Standard
758 The first factors, depending on only timescales, are positive by definition.
759  The signs of the left hand sides of the inequalities
760 \begin_inset space ~
761 \end_inset
762
763 (
764 \begin_inset CommandInset ref
765 LatexCommand ref
766 reference "ZSDynSta"
767
768 \end_inset
769
770 ), (
771 \begin_inset CommandInset ref
772 LatexCommand ref
773 reference "ZSSecSta"
774
775 \end_inset
776
777 ) and (
778 \begin_inset CommandInset ref
779 LatexCommand ref
780 reference "ZSVibSta"
781
782 \end_inset
783
784 ) therefore depend exclusively on the second factors containing the constitutive
785  relations.
786  Since they depend only on state variables, the stability criteria themselves
787  are 
788 \emph on
789  functions of the thermodynamic state in the local zone
790 \emph default
791 .
792  The one-zone stability can therefore be determined from a simple equation
793  of state, given for example, as a function of density and temperature.
794  Once the microphysics, i.
795 \begin_inset space \thinspace{}
796 \end_inset
797
798 g.
799 \begin_inset space \space{}
800 \end_inset
801
802 the thermodynamics and opacities (see Table
803 \begin_inset space ~
804 \end_inset
805
806
807 \begin_inset CommandInset ref
808 LatexCommand ref
809 reference "tab:KapSou"
810
811 \end_inset
812
813 ), are specified (in practice by specifying a chemical composition) the
814  one-zone stability can be inferred if the thermodynamic state is specified.
815  The zone – or in other words the layer – will be stable or unstable in
816  whatever object it is imbedded as long as it satisfies the one-zone-model
817  assumptions.
818  Only the specific growth rates (depending upon the time scales) will be
819  different for layers in different objects.
820 \end_layout
821
822 \begin_layout Standard
823 \begin_inset Float table
824 wide false
825 sideways false
826 status open
827
828 \begin_layout Plain Layout
829 \begin_inset Caption Standard
830
831 \begin_layout Plain Layout
832 \begin_inset CommandInset label
833 LatexCommand label
834 name "tab:KapSou"
835
836 \end_inset
837
838 Opacity sources
839 \end_layout
840
841 \end_inset
842
843
844 \end_layout
845
846 \begin_layout Plain Layout
847 \align center
848 \begin_inset Tabular
849 <lyxtabular version="3" rows="4" columns="2">
850 <features tabularvalignment="middle">
851 <column alignment="left" valignment="top" width="0pt">
852 <column alignment="left" valignment="top" width="0pt">
853 <row>
854 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" usebox="none">
855 \begin_inset Text
856
857 \begin_layout Plain Layout
858 Source
859 \end_layout
860
861 \end_inset
862 </cell>
863 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" usebox="none">
864 \begin_inset Text
865
866 \begin_layout Plain Layout
867 \begin_inset Formula $T/[\textrm{K}]$
868 \end_inset
869
870
871 \end_layout
872
873 \end_inset
874 </cell>
875 </row>
876 <row>
877 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" usebox="none">
878 \begin_inset Text
879
880 \begin_layout Plain Layout
881 Yorke 1979, Yorke 1980a
882 \end_layout
883
884 \end_inset
885 </cell>
886 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" usebox="none">
887 \begin_inset Text
888
889 \begin_layout Plain Layout
890 \begin_inset Formula $\leq1700^{\textrm{a}}$
891 \end_inset
892
893
894 \end_layout
895
896 \end_inset
897 </cell>
898 </row>
899 <row>
900 <cell alignment="center" valignment="top" usebox="none">
901 \begin_inset Text
902
903 \begin_layout Plain Layout
904 Krügel 1971
905 \end_layout
906
907 \end_inset
908 </cell>
909 <cell alignment="center" valignment="top" usebox="none">
910 \begin_inset Text
911
912 \begin_layout Plain Layout
913 \begin_inset Formula $1700\leq T\leq5000$
914 \end_inset
915
916  
917 \end_layout
918
919 \end_inset
920 </cell>
921 </row>
922 <row>
923 <cell alignment="center" valignment="top" bottomline="true" usebox="none">
924 \begin_inset Text
925
926 \begin_layout Plain Layout
927 Cox & Stewart 1969
928 \end_layout
929
930 \end_inset
931 </cell>
932 <cell alignment="center" valignment="top" bottomline="true" usebox="none">
933 \begin_inset Text
934
935 \begin_layout Plain Layout
936 \begin_inset Formula $5000\leq$
937 \end_inset
938
939
940 \end_layout
941
942 \end_inset
943 </cell>
944 </row>
945 </lyxtabular>
946
947 \end_inset
948
949
950 \end_layout
951
952 \begin_layout Plain Layout
953 \begin_inset Formula $^{\textrm{a}}$
954 \end_inset
955
956 This is footnote a
957 \end_layout
958
959 \end_inset
960
961  We will now write down the sign (and therefore stability) determining parts
962  of the left-hand sides of the inequalities (
963 \begin_inset CommandInset ref
964 LatexCommand ref
965 reference "ZSDynSta"
966
967 \end_inset
968
969 ), (
970 \begin_inset CommandInset ref
971 LatexCommand ref
972 reference "ZSSecSta"
973
974 \end_inset
975
976 ) and (
977 \begin_inset CommandInset ref
978 LatexCommand ref
979 reference "ZSVibSta"
980
981 \end_inset
982
983 ) and thereby obtain 
984 \emph on
985 stability equations of state
986 \emph default
987 .
988 \end_layout
989
990 \begin_layout Standard
991 The sign determining part of inequality
992 \begin_inset space ~
993 \end_inset
994
995 (
996 \begin_inset CommandInset ref
997 LatexCommand ref
998 reference "ZSDynSta"
999
1000 \end_inset
1001
1002 ) is 
1003 \begin_inset Formula $3\Gamma_{1}-4$
1004 \end_inset
1005
1006  and it reduces to the criterion for dynamical stability 
1007 \begin_inset Formula 
1008 \begin{equation}
1009 \Gamma_{1}>\frac{4}{3}\,\cdot
1010 \end{equation}
1011
1012 \end_inset
1013
1014  Stability of the thermodynamical equilibrium demands 
1015 \begin_inset Formula 
1016 \begin{equation}
1017 \chi_{\rho}^{}>0,\;\;c_{v}>0\,,
1018 \end{equation}
1019
1020 \end_inset
1021
1022  and 
1023 \begin_inset Formula 
1024 \begin{equation}
1025 \chi_{T}^{}>0
1026 \end{equation}
1027
1028 \end_inset
1029
1030  holds for a wide range of physical situations.
1031  With 
1032 \begin_inset Formula 
1033 \begin{eqnarray}
1034 \Gamma_{3}-1=\frac{P}{\rho T}\frac{\chi_{T}^{}}{c_{v}} & > & 0\\
1035 \Gamma_{1}=\chi_{\rho}^{}+\chi_{T}^{}(\Gamma_{3}-1) & > & 0\\
1036 \nabla_{\mathrm{ad}}=\frac{\Gamma_{3}-1}{\Gamma_{1}} & > & 0
1037 \end{eqnarray}
1038
1039 \end_inset
1040
1041  we find the sign determining terms in inequalities
1042 \begin_inset space ~
1043 \end_inset
1044
1045 (
1046 \begin_inset CommandInset ref
1047 LatexCommand ref
1048 reference "ZSSecSta"
1049
1050 \end_inset
1051
1052 ) and (
1053 \begin_inset CommandInset ref
1054 LatexCommand ref
1055 reference "ZSVibSta"
1056
1057 \end_inset
1058
1059 ) respectively and obtain the following form of the criteria for dynamical,
1060  secular and vibrational 
1061 \emph on
1062 stability
1063 \emph default
1064 , respectively: 
1065 \begin_inset Formula 
1066 \begin{eqnarray}
1067 3\Gamma_{1}-4=:S_{\mathrm{dyn}}> & 0\label{DynSta}\\
1068 \frac{1-3/4\chi_{\rho}^{}}{\chi_{T}^{}}(\kappa_{T}^{}-4)+\kappa_{P}^{}+1=:S_{\mathrm{sec}}> & 0\label{SecSta}\\
1069 4\nabla_{\mathrm{ad}}-(\nabla_{\mathrm{ad}}\kappa_{T}^{}+\kappa_{P}^{})-\frac{4}{3\Gamma_{1}}=:S_{\mathrm{vib}}> & 0\,.\label{VibSta}
1070 \end{eqnarray}
1071
1072 \end_inset
1073
1074  The constitutive relations are to be evaluated for the unperturbed thermodynami
1075 c state (say 
1076 \begin_inset Formula $(\rho_{0},T_{0})$
1077 \end_inset
1078
1079 ) of the zone.
1080  We see that the one-zone stability of the layer depends only on the constitutiv
1081 e relations 
1082 \begin_inset Formula $\Gamma_{1}$
1083 \end_inset
1084
1085
1086 \begin_inset Formula $\nabla_{\mathrm{ad}}$
1087 \end_inset
1088
1089
1090 \begin_inset Formula $\chi_{T}^{},\,\chi_{\rho}^{}$
1091 \end_inset
1092
1093
1094 \begin_inset Formula $\kappa_{P}^{},\,\kappa_{T}^{}$
1095 \end_inset
1096
1097 .
1098  These depend only on the unperturbed thermodynamical state of the layer.
1099  Therefore the above relations define the one-zone-stability equations of
1100  state 
1101 \begin_inset Formula $S_{\mathrm{dyn}},\,S_{\mathrm{sec}}$
1102 \end_inset
1103
1104  and 
1105 \begin_inset Formula $S_{\mathrm{vib}}$
1106 \end_inset
1107
1108 .
1109  See Fig.
1110 \begin_inset space ~
1111 \end_inset
1112
1113
1114 \begin_inset CommandInset ref
1115 LatexCommand ref
1116 reference "fig:VibStabEquation"
1117
1118 \end_inset
1119
1120  for a picture of 
1121 \begin_inset Formula $S_{\mathrm{vib}}$
1122 \end_inset
1123
1124 .
1125  Regions of secular instability are listed in Table
1126 \begin_inset space ~
1127 \end_inset
1128
1129 1.
1130 \end_layout
1131
1132 \begin_layout Standard
1133 \begin_inset Float figure
1134 wide false
1135 sideways false
1136 status open
1137
1138 \begin_layout Plain Layout
1139 \begin_inset Caption Standard
1140
1141 \begin_layout Plain Layout
1142 \begin_inset CommandInset label
1143 LatexCommand label
1144 name "fig:VibStabEquation"
1145
1146 \end_inset
1147
1148 Vibrational stability equation of state 
1149 \begin_inset Formula $S_{\mathrm{vib}}(\lg e,\lg\rho)$
1150 \end_inset
1151
1152 .
1153  
1154 \begin_inset Formula $>0$
1155 \end_inset
1156
1157  means vibrational stability 
1158 \end_layout
1159
1160 \end_inset
1161
1162
1163 \end_layout
1164
1165 \end_inset
1166
1167
1168 \end_layout
1169
1170 \begin_layout Section
1171 Conclusions
1172 \end_layout
1173
1174 \begin_layout Enumerate
1175 The conditions for the stability of static, radiative layers in gas spheres,
1176  as described by Baker's (
1177 \begin_inset CommandInset citation
1178 LatexCommand cite
1179 key "Abernethy2003"
1180 literal "true"
1181
1182 \end_inset
1183
1184 ) standard one-zone model, can be expressed as stability equations of state.
1185  These stability equations of state depend only on the local thermodynamic
1186  state of the layer.
1187  
1188 \end_layout
1189
1190 \begin_layout Enumerate
1191 If the constitutive relations – equations of state and Rosseland mean opacities
1192  – are specified, the stability equations of state can be evaluated without
1193  specifying properties of the layer.
1194  
1195 \end_layout
1196
1197 \begin_layout Enumerate
1198 For solar composition gas the 
1199 \begin_inset Formula $\kappa$
1200 \end_inset
1201
1202 -mechanism is working in the regions of the ice and dust features in the
1203  opacities, the 
1204 \begin_inset Formula $\mathrm{H}_{2}$
1205 \end_inset
1206
1207  dissociation and the combined H, first He ionization zone, as indicated
1208  by vibrational instability.
1209  These regions of instability are much larger in extent and degree of instabilit
1210 y than the second He ionization zone that drives the Cepheïd pulsations.
1211  
1212 \end_layout
1213
1214 \begin_layout Acknowledgement
1215 Part of this work was supported by the German 
1216 \emph on
1217 Deut\SpecialChar softhyphen
1218 sche For\SpecialChar softhyphen
1219 schungs\SpecialChar softhyphen
1220 ge\SpecialChar softhyphen
1221 mein\SpecialChar softhyphen
1222 schaft, DFG
1223 \emph default
1224  project number Ts
1225 \begin_inset space ~
1226 \end_inset
1227
1228 17/2–1.
1229 \end_layout
1230
1231 \begin_layout Standard
1232 \begin_inset CommandInset bibtex
1233 LatexCommand bibtex
1234 btprint "btPrintAll"
1235 bibfiles "../biblioExample"
1236 options "aa"
1237
1238 \end_inset
1239
1240
1241 \begin_inset Note Note
1242 status open
1243
1244 \begin_layout Plain Layout
1245
1246 \series bold
1247 Note:
1248 \series default
1249  If you cannot see the bibliography in the output, assure that you have
1250  given the full path to the Bib\SpecialChar TeX
1251  style file 
1252 \family sans
1253 aa.bst
1254 \family default
1255  that is part of the A&A \SpecialChar LaTeX
1256 -package.
1257 \end_layout
1258
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