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Fixup 6e81f317: cut and paste error
[lyx.git] / lib / examples / Articles / Astronomy_%26_Astrophysics.lyx
1 #LyX 2.4 created this file. For more info see https://www.lyx.org/
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85
86 \begin_body
87
88 \begin_layout Title
89 \begin_inset Note Note
90 status open
91
92 \begin_layout Plain Layout
93
94 \family roman
95 \series medium
96 \size normal
97 This is an example \SpecialChar LyX
98  file for articles to be submitted to the Journal of Astronomy & Astrophysics (A&A).
99  How to install the A&A \SpecialChar LaTeX
100  class to your \SpecialChar LaTeX
101  system is explained in 
102 \begin_inset Flex URL
103 status open
104
105 \begin_layout Plain Layout
106
107 https://wiki.lyx.org/Layouts/Astronomy-Astrophysics
108 \end_layout
109
110 \end_inset
111
112 .
113 \begin_inset Newline newline
114 \end_inset
115
116 Depending on the submission state and the abstract layout,
117  you need to use different document class options that are listed in the aa manual.
118 \family default
119
120 \begin_inset Newline newline
121 \end_inset
122
123
124 \family roman
125 \series default
126 Note:
127
128 \series medium
129  If you use accented characters in your document,
130  you must use the predefined document class option 
131 \series default
132 latin9
133 \series medium
134  in the document settings.
135 \end_layout
136
137 \end_inset
138
139
140 \end_layout
141
142 \begin_layout Title
143 Hydrodynamics of giant planet formation
144 \end_layout
145
146 \begin_layout Subtitle
147 I.
148  Overviewing the 
149 \begin_inset Formula $\kappa$
150 \end_inset
151
152 -mechanism
153 \end_layout
154
155 \begin_layout Author
156 G.
157  Wuchterl
158 \begin_inset Flex institutemark
159 status open
160
161 \begin_layout Plain Layout
162 1
163 \end_layout
164
165 \end_inset
166
167
168 \begin_inset ERT
169 status collapsed
170
171 \begin_layout Plain Layout
172
173
174 \backslash
175 and 
176 \end_layout
177
178 \end_inset
179
180  C.
181  Ptolemy
182 \begin_inset Flex institutemark
183 status collapsed
184
185 \begin_layout Plain Layout
186 2
187 \end_layout
188
189 \end_inset
190
191
192 \begin_inset ERT
193 status collapsed
194
195 \begin_layout Plain Layout
196
197
198 \backslash
199 fnmsep 
200 \end_layout
201
202 \end_inset
203
204
205 \begin_inset Foot
206 status collapsed
207
208 \begin_layout Plain Layout
209 Just to show the usage of the elements in the author field
210 \end_layout
211
212 \end_inset
213
214  
215 \begin_inset Note Note
216 status collapsed
217
218 \begin_layout Plain Layout
219
220 \backslash
221 fnmsep is only needed for more than one consecutive notes/marks
222 \end_layout
223
224 \end_inset
225
226
227 \end_layout
228
229 \begin_layout Offprint
230 G.
231  Wuchterl
232 \end_layout
233
234 \begin_layout Address
235 Institute for Astronomy (IfA),
236  University of Vienna,
237  Türkenschanzstrasse 17,
238  A-1180 Vienna
239 \begin_inset Newline newline
240 \end_inset
241
242
243 \begin_inset Flex Email
244 status open
245
246 \begin_layout Plain Layout
247 wuchterl@amok.ast.univie.ac.at
248 \end_layout
249
250 \end_inset
251
252
253 \begin_inset ERT
254 status collapsed
255
256 \begin_layout Plain Layout
257
258
259 \backslash
260 and 
261 \end_layout
262
263 \end_inset
264
265 University of Alexandria,
266  Department of Geography,
267  ...
268 \begin_inset Newline newline
269 \end_inset
270
271
272 \begin_inset Flex Email
273 status collapsed
274
275 \begin_layout Plain Layout
276 c.ptolemy@hipparch.uheaven.space
277 \end_layout
278
279 \end_inset
280
281
282 \begin_inset Foot
283 status collapsed
284
285 \begin_layout Plain Layout
286 The university of heaven temporarily does not accept e-mails
287 \end_layout
288
289 \end_inset
290
291  
292 \end_layout
293
294 \begin_layout Date
295 Received September 15,
296  1996;
297  accepted March 16,
298  1997
299 \end_layout
300
301 \begin_layout Abstract (unstructured)
302 To investigate the physical nature of the `nuc\SpecialChar softhyphen
303 leated instability' of proto giant planets,
304  the stability of layers in static,
305  radiative gas spheres is analysed on the basis of Baker's standard one-zone model.
306  It is shown that stability depends only upon the equations of state,
307  the opacities and the local thermodynamic state in the layer.
308  Stability and instability can therefore be expressed in the form of stability equations of state which are universal for a given composition.
309  The stability equations of state are calculated for solar composition and are displayed in the domain 
310 \begin_inset Formula $-14\leq\lg\rho/[\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}]\leq0$
311 \end_inset
312
313 ,
314  
315 \begin_inset Formula $8.8\leq\lg e/[\mathrm{erg}\,\mathrm{g}^{-1}]\leq17.7$
316 \end_inset
317
318 .
319  These displays may be used to determine the one-zone stability of layers in stellar or planetary structure models by directly reading off the value of the stability equations for the thermodynamic state of these layers,
320  specified by state quantities as density 
321 \begin_inset Formula $\rho$
322 \end_inset
323
324 ,
325  temperature 
326 \begin_inset Formula $T$
327 \end_inset
328
329  or specific internal energy 
330 \begin_inset Formula $e$
331 \end_inset
332
333 .
334  Regions of instability in the 
335 \begin_inset Formula $(\rho,e)$
336 \end_inset
337
338 -plane are described and related to the underlying microphysical processes.
339  Vibrational instability is found to be a common phenomenon at temperatures lower than the second He ionisation zone.
340  The 
341 \begin_inset Formula $\kappa$
342 \end_inset
343
344 -mechanism is widespread under `cool' conditions.
345 \begin_inset Note Note
346 status open
347
348 \begin_layout Plain Layout
349 Citations are not allowed in A&A abstracts.
350 \end_layout
351
352 \end_inset
353
354
355 \begin_inset Note Note
356 status open
357
358 \begin_layout Plain Layout
359 This is the unstructured abstract type,
360  an example for the structured abstract is in the 
361 \family sans
362 aa.lyx
363 \family default
364  template file that comes with \SpecialChar LyX
365 .
366 \end_layout
367
368 \end_inset
369
370
371 \end_layout
372
373 \begin_layout Keywords
374 giant planet formation – 
375 \begin_inset Formula $\kappa$
376 \end_inset
377
378 -mechanism – stability of gas spheres
379 \end_layout
380
381 \begin_layout Section
382 Introduction
383 \end_layout
384
385 \begin_layout Standard
386 In the 
387 \emph on
388 nucleated instability
389 \emph default
390  (also called core instability) hypothesis of giant planet formation,
391  a critical mass for static core envelope protoplanets has been found.
392  Mizuno (
393 \begin_inset CommandInset citation
394 LatexCommand cite
395 key "Eisenstein2005"
396 literal "true"
397
398 \end_inset
399
400 ) determined the critical mass of the core to be about 
401 \begin_inset Formula $12\,M_{\oplus}$
402 \end_inset
403
404  (
405 \begin_inset Formula $M_{\oplus}=5.975\,10^{27}\,\mathrm{g}$
406 \end_inset
407
408  is the Earth mass),
409  which is independent of the outer boundary conditions and therefore independent of the location in the solar nebula.
410  This critical value for the core mass corresponds closely to the cores of today's giant planets.
411 \end_layout
412
413 \begin_layout Standard
414 Although no hydrodynamical study has been available many workers conjectured that a collapse or rapid contraction will ensue after accumulating the critical mass.
415  The main motivation for this article is to investigate the stability of the static envelope at the critical mass.
416  With this aim the local,
417  linear stability of static radiative gas spheres is investigated on the basis of Baker's (
418 \begin_inset CommandInset citation
419 LatexCommand cite
420 key "Abernethy2003"
421 literal "true"
422
423 \end_inset
424
425 ) standard one-zone model.
426 \end_layout
427
428 \begin_layout Standard
429 Phenomena similar to the ones described above for giant planet formation have been found in hydrodynamical models concerning star formation where protostellar cores explode (Tscharnuter 
430 \begin_inset CommandInset citation
431 LatexCommand cite
432 key "Cotton1999"
433 literal "true"
434
435 \end_inset
436
437 ,
438  Balluch 
439 \begin_inset CommandInset citation
440 LatexCommand cite
441 key "Mena2000"
442 literal "true"
443
444 \end_inset
445
446 ),
447  whereas earlier studies found quasi-steady collapse flows.
448  The similarities in the (micro)physics,
449  i.
450 \begin_inset space \thinspace{}
451 \end_inset
452
453 g.
454 \begin_inset space \space{}
455 \end_inset
456
457 constitutive relations of protostellar cores and protogiant planets serve as a further motivation for this study.
458 \end_layout
459
460 \begin_layout Section
461 Baker's standard one-zone model
462 \end_layout
463
464 \begin_layout Standard
465 \begin_inset Float figure
466 placement document
467 alignment document
468 wide true
469 sideways false
470 status open
471
472 \begin_layout Plain Layout
473 \begin_inset Caption Standard
474
475 \begin_layout Plain Layout
476 \begin_inset CommandInset label
477 LatexCommand label
478 name "fig:FigGam"
479
480 \end_inset
481
482 Adiabatic exponent 
483 \begin_inset Formula $\Gamma_{1}$
484 \end_inset
485
486 .
487  
488 \begin_inset Formula $\Gamma_{1}$
489 \end_inset
490
491  is plotted as a function of 
492 \begin_inset Formula $\lg$
493 \end_inset
494
495  internal energy 
496 \begin_inset Formula $[\mathrm{erg}\,\mathrm{g}^{-1}]$
497 \end_inset
498
499  and 
500 \begin_inset Formula $\lg$
501 \end_inset
502
503  density 
504 \begin_inset Formula $[\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}]$
505 \end_inset
506
507
508 \end_layout
509
510 \end_inset
511
512
513 \end_layout
514
515 \end_inset
516
517  In this section the one-zone model of Baker (
518 \begin_inset CommandInset citation
519 LatexCommand cite
520 key "Abernethy2003"
521 literal "true"
522
523 \end_inset
524
525 ),
526  originally used to study the Cepheïd pulsation mechanism,
527  will be briefly reviewed.
528  The resulting stability criteria will be rewritten in terms of local state variables,
529  local timescales and constitutive relations.
530 \end_layout
531
532 \begin_layout Standard
533 Baker (
534 \begin_inset CommandInset citation
535 LatexCommand cite
536 key "Abernethy2003"
537 literal "true"
538
539 \end_inset
540
541 ) investigates the stability of thin layers in self-gravitating,
542  spherical gas clouds with the following properties:
543  
544 \end_layout
545
546 \begin_layout Itemize
547 hydrostatic equilibrium,
548  
549 \end_layout
550
551 \begin_layout Itemize
552 thermal equilibrium,
553  
554 \end_layout
555
556 \begin_layout Itemize
557 energy transport by grey radiation diffusion.
558  
559 \end_layout
560
561 \begin_layout Standard
562 \noindent
563 For the one-zone-model Baker obtains necessary conditions for dynamical,
564  secular and vibrational (or pulsational) stability (Eqs.
565 \begin_inset space \space{}
566 \end_inset
567
568 (34a,
569 \begin_inset space \thinspace{}
570 \end_inset
571
572 b,
573 \begin_inset space \thinspace{}
574 \end_inset
575
576 c) in Baker 
577 \begin_inset CommandInset citation
578 LatexCommand cite
579 key "Abernethy2003"
580 literal "true"
581
582 \end_inset
583
584 ).
585  Using Baker's notation:
586 \end_layout
587
588 \begin_layout Standard
589 \align left
590 \begin_inset Formula 
591 \begin{eqnarray*}
592 M_{r} &  & \textrm{mass internal to the radius }r\\
593 m &  & \textrm{mass of the zone}\\
594 r_{0} &  & \textrm{unperturbed zone radius}\\
595 \rho_{0} &  & \textrm{unperturbed density in the zone}\\
596 T_{0} &  & \textrm{unperturbed temperature in the zone}\\
597 L_{r0} &  & \textrm{unperturbed luminosity}\\
598 E_{\textrm{th}} &  & \textrm{thermal energy of the zone}
599 \end{eqnarray*}
600
601 \end_inset
602
603  
604 \end_layout
605
606 \begin_layout Standard
607 \noindent
608 and with the definitions of the 
609 \emph on
610 local cooling time
611 \emph default
612  (see Fig.
613 \begin_inset space ~
614 \end_inset
615
616
617 \begin_inset CommandInset ref
618 LatexCommand ref
619 reference "fig:FigGam"
620 nolink "false"
621
622 \end_inset
623
624
625 \begin_inset Formula 
626 \begin{equation}
627 \tau_{\mathrm{co}}=\frac{E_{\mathrm{th}}}{L_{r0}}\,,
628 \end{equation}
629
630 \end_inset
631
632  and the 
633 \emph on
634 local free-fall time
635 \emph default
636
637 \begin_inset Formula 
638 \begin{equation}
639 \tau_{\mathrm{ff}}=\sqrt{\frac{3\pi}{32G}\frac{4\pi r_{0}^{3}}{3M_{\mathrm{r}}}}\,,
640 \end{equation}
641
642 \end_inset
643
644  Baker's 
645 \begin_inset Formula $K$
646 \end_inset
647
648  and 
649 \begin_inset Formula $\sigma_{0}$
650 \end_inset
651
652  have the following form:
653  
654 \begin_inset Formula 
655 \begin{eqnarray}
656 \sigma_{0} & = & \frac{\pi}{\sqrt{8}}\frac{1}{\tau_{\mathrm{ff}}}\\
657 K & = & \frac{\sqrt{32}}{\pi}\frac{1}{\delta}\frac{\tau_{\mathrm{ff}}}{\tau_{\mathrm{co}}}\,;
658 \end{eqnarray}
659
660 \end_inset
661
662  where 
663 \begin_inset Formula $E_{\mathrm{th}}\approx m(P_{0}/{\rho_{0}})$
664 \end_inset
665
666  has been used and 
667 \begin_inset Formula 
668 \begin{equation}
669 \begin{array}{l}
670 \delta=-\left(\frac{\partial\ln\rho}{\partial\ln T}\right)_{P}\\
671 e=mc^{2}
672 \end{array}
673 \end{equation}
674
675 \end_inset
676
677  is a thermodynamical quantity which is of order 
678 \begin_inset Formula $1$
679 \end_inset
680
681  and equal to 
682 \begin_inset Formula $1$
683 \end_inset
684
685  for nonreacting mixtures of classical perfect gases.
686  The physical meaning of 
687 \begin_inset Formula $\sigma_{0}$
688 \end_inset
689
690  and 
691 \begin_inset Formula $K$
692 \end_inset
693
694  is clearly visible in the equations above.
695  
696 \begin_inset Formula $\sigma_{0}$
697 \end_inset
698
699  represents a frequency of the order one per free-fall time.
700  
701 \begin_inset Formula $K$
702 \end_inset
703
704  is proportional to the ratio of the free-fall time and the cooling time.
705  Substituting into Baker's criteria,
706  using thermodynamic identities and definitions of thermodynamic quantities,
707  
708 \begin_inset Formula 
709 \[
710 \Gamma_{1}=\left(\frac{\partial\ln P}{\partial\ln\rho}\right)_{S}\,,\;\chi_{\rho}^{}=\left(\frac{\partial\ln P}{\partial\ln\rho}\right)_{T}\,,\;\kappa_{P}^{}=\left(\frac{\partial\ln\kappa}{\partial\ln P}\right)_{T}
711 \]
712
713 \end_inset
714
715
716 \begin_inset Formula 
717 \[
718 \nabla_{\mathrm{ad}}=\left(\frac{\partial\ln T}{\partial\ln P}\right)_{S}\,,\;\chi_{T}^{}=\left(\frac{\partial\ln P}{\partial\ln T}\right)_{\rho}\,,\;\kappa_{T}^{}=\left(\frac{\partial\ln\kappa}{\partial\ln T}\right)_{T}
719 \]
720
721 \end_inset
722
723  one obtains,
724  after some pages of algebra,
725  the conditions for 
726 \emph on
727 stability
728 \emph default
729  given below:
730  
731 \begin_inset Formula 
732 \begin{eqnarray}
733 \frac{\pi^{2}}{8}\frac{1}{\tau_{\mathrm{ff}}^{2}}(3\Gamma_{1}-4) & > & 0\label{ZSDynSta}\\
734 \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}\\
735 \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}
736 \end{eqnarray}
737
738 \end_inset
739
740  For a physical discussion of the stability criteria see Baker (
741 \begin_inset CommandInset citation
742 LatexCommand cite
743 key "Abernethy2003"
744 literal "true"
745
746 \end_inset
747
748 ) or Cox (
749 \begin_inset CommandInset citation
750 LatexCommand cite
751 key "Parkin2005"
752 literal "true"
753
754 \end_inset
755
756 ).
757 \end_layout
758
759 \begin_layout Standard
760 We observe that these criteria for dynamical,
761  secular and vibrational stability,
762  respectively,
763  can be factorized into 
764 \end_layout
765
766 \begin_layout Enumerate
767 a factor containing local timescales only,
768  
769 \end_layout
770
771 \begin_layout Enumerate
772 a factor containing only constitutive relations and their derivatives.
773  
774 \end_layout
775
776 \begin_layout Standard
777 The first factors,
778  depending on only timescales,
779  are positive by definition.
780  The signs of the left hand sides of the inequalities
781 \begin_inset space ~
782 \end_inset
783
784 (
785 \begin_inset CommandInset ref
786 LatexCommand ref
787 reference "ZSDynSta"
788 nolink "false"
789
790 \end_inset
791
792 ),
793  (
794 \begin_inset CommandInset ref
795 LatexCommand ref
796 reference "ZSSecSta"
797 nolink "false"
798
799 \end_inset
800
801 ) and (
802 \begin_inset CommandInset ref
803 LatexCommand ref
804 reference "ZSVibSta"
805 nolink "false"
806
807 \end_inset
808
809 ) therefore depend exclusively on the second factors containing the constitutive relations.
810  Since they depend only on state variables,
811  the stability criteria themselves are 
812 \emph on
813  functions of the thermodynamic state in the local zone
814 \emph default
815 .
816  The one-zone stability can therefore be determined from a simple equation of state,
817  given for example,
818  as a function of density and temperature.
819  Once the microphysics,
820  i.
821 \begin_inset space \thinspace{}
822 \end_inset
823
824 g.
825 \begin_inset space \space{}
826 \end_inset
827
828 the thermodynamics and opacities (see Table
829 \begin_inset space ~
830 \end_inset
831
832
833 \begin_inset CommandInset ref
834 LatexCommand ref
835 reference "tab:KapSou"
836 nolink "false"
837
838 \end_inset
839
840 ),
841  are specified (in practice by specifying a chemical composition) the one-zone stability can be inferred if the thermodynamic state is specified.
842  The zone – or in other words the layer – will be stable or unstable in whatever object it is imbedded as long as it satisfies the one-zone-model assumptions.
843  Only the specific growth rates (depending upon the time scales) will be different for layers in different objects.
844 \end_layout
845
846 \begin_layout Standard
847 \begin_inset Float table
848 placement document
849 alignment document
850 wide false
851 sideways false
852 status open
853
854 \begin_layout Plain Layout
855 \begin_inset Caption Standard
856
857 \begin_layout Plain Layout
858 \begin_inset CommandInset label
859 LatexCommand label
860 name "tab:KapSou"
861
862 \end_inset
863
864 Opacity sources
865 \end_layout
866
867 \end_inset
868
869
870 \end_layout
871
872 \begin_layout Plain Layout
873 \align center
874 \begin_inset Tabular
875 <lyxtabular version="3" rows="4" columns="2">
876 <features tabularvalignment="middle">
877 <column alignment="left" valignment="top" width="0pt">
878 <column alignment="left" valignment="top" width="0pt">
879 <row>
880 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" usebox="none">
881 \begin_inset Text
882
883 \begin_layout Plain Layout
884 Source
885 \end_layout
886
887 \end_inset
888 </cell>
889 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" usebox="none">
890 \begin_inset Text
891
892 \begin_layout Plain Layout
893 \begin_inset Formula $T/[\textrm{K}]$
894 \end_inset
895
896
897 \end_layout
898
899 \end_inset
900 </cell>
901 </row>
902 <row>
903 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" usebox="none">
904 \begin_inset Text
905
906 \begin_layout Plain Layout
907 Yorke 1979,
908  Yorke 1980a
909 \end_layout
910
911 \end_inset
912 </cell>
913 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" usebox="none">
914 \begin_inset Text
915
916 \begin_layout Plain Layout
917 \begin_inset Formula $\leq1700^{\textrm{a}}$
918 \end_inset
919
920
921 \end_layout
922
923 \end_inset
924 </cell>
925 </row>
926 <row>
927 <cell alignment="center" valignment="top" usebox="none">
928 \begin_inset Text
929
930 \begin_layout Plain Layout
931 Krügel 1971
932 \end_layout
933
934 \end_inset
935 </cell>
936 <cell alignment="center" valignment="top" usebox="none">
937 \begin_inset Text
938
939 \begin_layout Plain Layout
940 \begin_inset Formula $1700\leq T\leq5000$
941 \end_inset
942
943  
944 \end_layout
945
946 \end_inset
947 </cell>
948 </row>
949 <row>
950 <cell alignment="center" valignment="top" bottomline="true" usebox="none">
951 \begin_inset Text
952
953 \begin_layout Plain Layout
954 Cox & Stewart 1969
955 \end_layout
956
957 \end_inset
958 </cell>
959 <cell alignment="center" valignment="top" bottomline="true" usebox="none">
960 \begin_inset Text
961
962 \begin_layout Plain Layout
963 \begin_inset Formula $5000\leq$
964 \end_inset
965
966
967 \end_layout
968
969 \end_inset
970 </cell>
971 </row>
972 </lyxtabular>
973
974 \end_inset
975
976
977 \end_layout
978
979 \begin_layout Plain Layout
980 \begin_inset Formula $^{\textrm{a}}$
981 \end_inset
982
983 This is footnote a
984 \end_layout
985
986 \end_inset
987
988  We will now write down the sign (and therefore stability) determining parts of the left-hand sides of the inequalities (
989 \begin_inset CommandInset ref
990 LatexCommand ref
991 reference "ZSDynSta"
992 nolink "false"
993
994 \end_inset
995
996 ),
997  (
998 \begin_inset CommandInset ref
999 LatexCommand ref
1000 reference "ZSSecSta"
1001 nolink "false"
1002
1003 \end_inset
1004
1005 ) and (
1006 \begin_inset CommandInset ref
1007 LatexCommand ref
1008 reference "ZSVibSta"
1009 nolink "false"
1010
1011 \end_inset
1012
1013 ) and thereby obtain 
1014 \emph on
1015 stability equations of state
1016 \emph default
1017 .
1018 \end_layout
1019
1020 \begin_layout Standard
1021 The sign determining part of inequality
1022 \begin_inset space ~
1023 \end_inset
1024
1025 (
1026 \begin_inset CommandInset ref
1027 LatexCommand ref
1028 reference "ZSDynSta"
1029 nolink "false"
1030
1031 \end_inset
1032
1033 ) is 
1034 \begin_inset Formula $3\Gamma_{1}-4$
1035 \end_inset
1036
1037  and it reduces to the criterion for dynamical stability 
1038 \begin_inset Formula 
1039 \begin{equation}
1040 \Gamma_{1}>\frac{4}{3}\,\cdot
1041 \end{equation}
1042
1043 \end_inset
1044
1045  Stability of the thermodynamical equilibrium demands 
1046 \begin_inset Formula 
1047 \begin{equation}
1048 \chi_{\rho}^{}>0,\;\;c_{v}>0\,,
1049 \end{equation}
1050
1051 \end_inset
1052
1053  and 
1054 \begin_inset Formula 
1055 \begin{equation}
1056 \chi_{T}^{}>0
1057 \end{equation}
1058
1059 \end_inset
1060
1061  holds for a wide range of physical situations.
1062  With 
1063 \begin_inset Formula 
1064 \begin{eqnarray}
1065 \Gamma_{3}-1=\frac{P}{\rho T}\frac{\chi_{T}^{}}{c_{v}} & > & 0\\
1066 \Gamma_{1}=\chi_{\rho}^{}+\chi_{T}^{}(\Gamma_{3}-1) & > & 0\\
1067 \nabla_{\mathrm{ad}}=\frac{\Gamma_{3}-1}{\Gamma_{1}} & > & 0
1068 \end{eqnarray}
1069
1070 \end_inset
1071
1072  we find the sign determining terms in inequalities
1073 \begin_inset space ~
1074 \end_inset
1075
1076 (
1077 \begin_inset CommandInset ref
1078 LatexCommand ref
1079 reference "ZSSecSta"
1080 nolink "false"
1081
1082 \end_inset
1083
1084 ) and (
1085 \begin_inset CommandInset ref
1086 LatexCommand ref
1087 reference "ZSVibSta"
1088 nolink "false"
1089
1090 \end_inset
1091
1092 ) respectively and obtain the following form of the criteria for dynamical,
1093  secular and vibrational 
1094 \emph on
1095 stability
1096 \emph default
1097 ,
1098  respectively:
1099  
1100 \begin_inset Formula 
1101 \begin{eqnarray}
1102 3\Gamma_{1}-4=:S_{\mathrm{dyn}}> & 0\label{DynSta}\\
1103 \frac{1-3/4\chi_{\rho}^{}}{\chi_{T}^{}}(\kappa_{T}^{}-4)+\kappa_{P}^{}+1=:S_{\mathrm{sec}}> & 0\label{SecSta}\\
1104 4\nabla_{\mathrm{ad}}-(\nabla_{\mathrm{ad}}\kappa_{T}^{}+\kappa_{P}^{})-\frac{4}{3\Gamma_{1}}=:S_{\mathrm{vib}}> & 0\,.\label{VibSta}
1105 \end{eqnarray}
1106
1107 \end_inset
1108
1109  The constitutive relations are to be evaluated for the unperturbed thermodynamic state (say 
1110 \begin_inset Formula $(\rho_{0},T_{0})$
1111 \end_inset
1112
1113 ) of the zone.
1114  We see that the one-zone stability of the layer depends only on the constitutive relations 
1115 \begin_inset Formula $\Gamma_{1}$
1116 \end_inset
1117
1118 ,
1119  
1120 \begin_inset Formula $\nabla_{\mathrm{ad}}$
1121 \end_inset
1122
1123 ,
1124  
1125 \begin_inset Formula $\chi_{T}^{},\,\chi_{\rho}^{}$
1126 \end_inset
1127
1128 ,
1129  
1130 \begin_inset Formula $\kappa_{P}^{},\,\kappa_{T}^{}$
1131 \end_inset
1132
1133 .
1134  These depend only on the unperturbed thermodynamical state of the layer.
1135  Therefore the above relations define the one-zone-stability equations of state 
1136 \begin_inset Formula $S_{\mathrm{dyn}},\,S_{\mathrm{sec}}$
1137 \end_inset
1138
1139  and 
1140 \begin_inset Formula $S_{\mathrm{vib}}$
1141 \end_inset
1142
1143 .
1144  See Fig.
1145 \begin_inset space ~
1146 \end_inset
1147
1148
1149 \begin_inset CommandInset ref
1150 LatexCommand ref
1151 reference "fig:VibStabEquation"
1152 nolink "false"
1153
1154 \end_inset
1155
1156  for a picture of 
1157 \begin_inset Formula $S_{\mathrm{vib}}$
1158 \end_inset
1159
1160 .
1161  Regions of secular instability are listed in Table
1162 \begin_inset space ~
1163 \end_inset
1164
1165 1.
1166 \end_layout
1167
1168 \begin_layout Standard
1169 \begin_inset Float figure
1170 placement document
1171 alignment document
1172 wide false
1173 sideways false
1174 status open
1175
1176 \begin_layout Plain Layout
1177 \begin_inset Caption Standard
1178
1179 \begin_layout Plain Layout
1180 \begin_inset CommandInset label
1181 LatexCommand label
1182 name "fig:VibStabEquation"
1183
1184 \end_inset
1185
1186 Vibrational stability equation of state 
1187 \begin_inset Formula $S_{\mathrm{vib}}(\lg e,\lg\rho)$
1188 \end_inset
1189
1190 .
1191  
1192 \begin_inset Formula $>0$
1193 \end_inset
1194
1195  means vibrational stability 
1196 \end_layout
1197
1198 \end_inset
1199
1200
1201 \end_layout
1202
1203 \end_inset
1204
1205
1206 \end_layout
1207
1208 \begin_layout Section
1209 Conclusions
1210 \end_layout
1211
1212 \begin_layout Enumerate
1213 The conditions for the stability of static,
1214  radiative layers in gas spheres,
1215  as described by Baker's (
1216 \begin_inset CommandInset citation
1217 LatexCommand cite
1218 key "Abernethy2003"
1219 literal "true"
1220
1221 \end_inset
1222
1223 ) standard one-zone model,
1224  can be expressed as stability equations of state.
1225  These stability equations of state depend only on the local thermodynamic state of the layer.
1226  
1227 \end_layout
1228
1229 \begin_layout Enumerate
1230 If the constitutive relations – equations of state and Rosseland mean opacities – are specified,
1231  the stability equations of state can be evaluated without specifying properties of the layer.
1232  
1233 \end_layout
1234
1235 \begin_layout Enumerate
1236 For solar composition gas the 
1237 \begin_inset Formula $\kappa$
1238 \end_inset
1239
1240 -mechanism is working in the regions of the ice and dust features in the opacities,
1241  the 
1242 \begin_inset Formula $\mathrm{H}_{2}$
1243 \end_inset
1244
1245  dissociation and the combined H,
1246  first He ionization zone,
1247  as indicated by vibrational instability.
1248  These regions of instability are much larger in extent and degree of instability than the second He ionization zone that drives the Cepheïd pulsations.
1249  
1250 \end_layout
1251
1252 \begin_layout Acknowledgments
1253 Part of this work was supported by the German 
1254 \emph on
1255 Deut\SpecialChar softhyphen
1256 sche For\SpecialChar softhyphen
1257 schungs\SpecialChar softhyphen
1258 ge\SpecialChar softhyphen
1259 mein\SpecialChar softhyphen
1260 schaft,
1261  DFG
1262 \emph default
1263  project number Ts
1264 \begin_inset space ~
1265 \end_inset
1266
1267 17/2–1.
1268 \end_layout
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