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1 #LyX 1.5.0svn created this file. For more info see http://www.lyx.org/
2 \lyxformat 276
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7 \usepackage{graphicx}
8 %
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41
42 \begin_body
43
44 \begin_layout Title
45
46 Hydrodynamics of giant planet formation
47 \end_layout
48
49 \begin_layout Subtitle
50
51 I.
52  Overviewing the 
53 \begin_inset Formula \( \kappa  \)
54 \end_inset
55
56 -mechanism
57 \end_layout
58
59 \begin_layout Author
60
61 G.
62  Wuchterl 
63 \begin_inset ERT
64 status collapsed
65
66 \begin_layout Standard
67
68 \backslash
69 inst{1} 
70 \backslash
71 and
72 \end_layout
73
74 \begin_layout Standard
75           
76 \end_layout
77
78 \end_inset
79
80 C.
81  Ptolemy
82 \begin_inset ERT
83 status collapsed
84
85 \begin_layout Standard
86
87 \backslash
88 inst{2}
89 \backslash
90 fnmsep
91 \end_layout
92
93 \end_inset
94
95
96 \begin_inset Foot
97 status collapsed
98
99 \begin_layout Standard
100
101 Just to show the usage of the elements in the author field
102 \end_layout
103
104 \end_inset
105
106
107  
108 \end_layout
109
110 \begin_layout Offprint
111
112 G.
113  Wuchterl
114 \end_layout
115
116 \begin_layout Address
117
118 Institute for Astronomy (IfA), University of Vienna, Tü
119 rkenschanzstrasse
120  17, A-1180 Vienna
121 \newline
122
123 \begin_inset ERT
124 status collapsed
125
126 \begin_layout Standard
127
128 \backslash
129 email{wuchterl@amok.ast.univie.ac.at} 
130 \backslash
131 and
132 \end_layout
133
134 \begin_layout Standard
135
136 \end_layout
137
138 \end_inset
139
140 University of Alexandria, Department of Geography, ...
141 \newline
142
143 \begin_inset ERT
144 status collapsed
145
146 \begin_layout Standard
147
148 \backslash
149 email{c.ptolemy@hipparch.uheaven.space}
150 \end_layout
151
152 \end_inset
153
154  
155 \begin_inset Foot
156 status collapsed
157
158 \begin_layout Standard
159
160 The university of heaven temporarily does not accept e-mails
161 \end_layout
162
163 \end_inset
164
165
166  
167 \end_layout
168
169 \begin_layout Date
170
171 Received September 15, 1996; accepted March 16, 1997
172 \end_layout
173
174 \begin_layout Abstract
175
176 To investigate the physical nature of the `nuc\SpecialChar \-
177 leated instability' of proto
178  giant planets (Mizuno 
179 \begin_inset LatexCommand cite
180 key "mizuno"
181 \end_inset
182
183 ), the stability of layers in static, radiative gas spheres is analysed
184  on the basis of Baker's 
185 \begin_inset LatexCommand cite
186 key "baker"
187 \end_inset
188
189  standard one-zone model.
190  It is shown that stability depends only upon the equations of state, the
191  opacities and the local thermodynamic state in the layer.
192  Stability and instability can therefore be expressed in the form of stability
193  equations of state which are universal for a given composition.
194  The stability equations of state are calculated for solar composition and
195  are displayed in the domain 
196 \begin_inset Formula \( -14\leq \lg \rho /[\mathrm{g}\, \mathrm{cm}^{-3}]\leq 0 \)
197 \end_inset
198
199
200 \begin_inset Formula \( 8.8\leq \lg e/[\mathrm{erg}\, \mathrm{g}^{-1}]\leq 17.7 \)
201 \end_inset
202
203 .
204  These displays may be used to determine the one-zone stability of layers
205  in stellar or planetary structure models by directly reading off the value
206  of the stability equations for the thermodynamic state of these layers,
207  specified by state quantities as density 
208 \begin_inset Formula \( \rho  \)
209 \end_inset
210
211 , temperature 
212 \begin_inset Formula \( T \)
213 \end_inset
214
215  or specific internal energy 
216 \begin_inset Formula \( e \)
217 \end_inset
218
219 .
220  Regions of instability in the 
221 \begin_inset Formula \( (\rho ,e) \)
222 \end_inset
223
224 -plane are described and related to the underlying microphysical processes.
225  Vibrational instability is found to be a common phenomenon at temperatures
226  lower than the second He ionisation zone.
227  The 
228 \begin_inset Formula \( \kappa  \)
229 \end_inset
230
231 -mechanism is widespread under `cool' conditions.
232 \begin_inset ERT
233 status collapsed
234
235 \begin_layout Standard
236
237 \end_layout
238
239 \begin_layout Standard
240
241 \backslash
242 keywords{giant planet formation -- 
243 \backslash
244 (
245 \backslash
246 kappa
247 \backslash
248 )-mechanism -- stability of gas spheres }
249 \end_layout
250
251 \end_inset
252
253  
254 \end_layout
255
256 \begin_layout Section
257
258 Introduction
259 \end_layout
260
261 \begin_layout Standard
262
263 In the
264 \emph default
265  
266 \emph on
267 nucleated instability
268 \begin_inset ERT
269 status collapsed
270
271 \begin_layout Standard
272
273 \backslash
274 /{}
275 \end_layout
276
277 \end_inset
278
279
280 \emph default
281  (also called core instability) hypothesis of giant planet formation, a
282  critical mass for static core envelope protoplanets has been found.
283  Mizuno (
284 \begin_inset LatexCommand cite
285 key "mizuno"
286 \end_inset
287
288 ) determined the critical mass of the core to be about 
289 \begin_inset Formula \( 12\, M_{\oplus } \)
290 \end_inset
291
292  (
293 \begin_inset Formula \( M_{\oplus }=5.975\, 10^{27}\, \mathrm{g} \)
294 \end_inset
295
296  is the Earth mass), which is independent of the outer boundary conditions
297  and therefore independent of the location in the solar nebula.
298  This critical value for the core mass corresponds closely to the cores
299  of today's giant planets.
300 \end_layout
301
302 \begin_layout Standard
303
304 Although no hydrodynamical study has been available many workers conjectured
305  that a collapse or rapid contraction will ensue after accumulating the
306  critical mass.
307  The main motivation for this article is to investigate the stability of
308  the static envelope at the critical mass.
309  With this aim the local, linear stability of static radiative gas spheres
310  is investigated on the basis of Baker's (
311 \begin_inset LatexCommand cite
312 key "baker"
313 \end_inset
314
315 ) standard one-zone model.
316 \end_layout
317
318 \begin_layout Standard
319
320 Phenomena similar to the ones described above for giant planet formation
321  have been found in hydrodynamical models concerning star formation where
322  protostellar cores explode (Tscharnuter 
323 \begin_inset LatexCommand cite
324 key "tscharnuter"
325 \end_inset
326
327 , Balluch 
328 \begin_inset LatexCommand cite
329 key "balluch"
330 \end_inset
331
332 ), whereas earlier studies found quasi-steady collapse flows.
333  The similarities in the (micro)physics, i.e., constitutive relations of protostel
334 lar cores and protogiant planets serve as a further motivation for this
335  study.
336 \end_layout
337
338 \begin_layout Section
339
340 Baker's standard one-zone model
341 \end_layout
342
343 \begin_layout Standard
344
345 \begin_inset Float figure
346 wide true
347 sideways false
348 status open
349
350 \begin_layout 
351 \begin_inset Caption
352
353 \begin_layout 
354
355 Adiabatic exponent 
356 \begin_inset Formula \( \Gamma _{1} \)
357 \end_inset
358
359 .
360  
361 \begin_inset Formula \( \Gamma _{1} \)
362 \end_inset
363
364  is plotted as a function of 
365 \begin_inset Formula \( \lg  \)
366 \end_inset
367
368  internal energy 
369 \begin_inset Formula \( [\mathrm{erg}\, \mathrm{g}^{-1}] \)
370 \end_inset
371
372  and 
373 \begin_inset Formula \( \lg  \)
374 \end_inset
375
376  density 
377 \begin_inset Formula \( [\mathrm{g}\, \mathrm{cm}^{-3}] \)
378 \end_inset
379
380
381 \end_layout
382
383 \end_inset
384
385
386 \end_layout
387
388 \begin_layout Standard
389
390
391 \begin_inset LatexCommand label
392 name "FigGam"
393 \end_inset
394
395
396 \end_layout
397
398 \end_inset
399
400  In this section the one-zone model of Baker (
401 \begin_inset LatexCommand cite
402 key "baker"
403 \end_inset
404
405 ), originally used to study the Cepheı̈
406 d pulsation mechanism, will be briefly
407  reviewed.
408  The resulting stability criteria will be rewritten in terms of local state
409  variables, local timescales and constitutive relations.
410 \end_layout
411
412 \begin_layout Standard
413
414 Baker (
415 \begin_inset LatexCommand cite
416 key "baker"
417 \end_inset
418
419 ) investigates the stability of thin layers in self-gravitating, spherical
420  gas clouds with the following properties: 
421 \end_layout
422
423 \begin_layout Itemize
424
425 hydrostatic equilibrium, 
426 \end_layout
427
428 \begin_layout Itemize
429
430 thermal equilibrium, 
431 \end_layout
432
433 \begin_layout Itemize
434
435 energy transport by grey radiation diffusion.
436  
437 \end_layout
438
439 \begin_layout Standard
440 \noindent
441 For the one-zone-model Baker obtains necessary conditions for dynamical,
442  secular and vibrational (or pulsational) stability (Eqs.
443 \begin_inset ERT
444 status collapsed
445
446 \begin_layout Standard
447
448 \backslash
449  
450 \end_layout
451
452 \end_inset
453
454 (34a,
455 \begin_inset ERT
456 status collapsed
457
458 \begin_layout Standard
459
460 \backslash
461 ,
462 \end_layout
463
464 \end_inset
465
466 b,
467 \begin_inset ERT
468 status collapsed
469
470 \begin_layout Standard
471
472 \backslash
473 ,
474 \end_layout
475
476 \end_inset
477
478 c) in Baker 
479 \begin_inset LatexCommand cite
480 key "baker"
481 \end_inset
482
483 ).
484  Using Baker's notation:
485 \end_layout
486
487 \begin_layout Standard
488 \align left
489
490 \begin_inset Formula \begin{eqnarray*}
491 M_{r} &  & \textrm{mass internal to the radius }r\\
492 m &  & \textrm{mass of the zone}\\
493 r_{0} &  & \textrm{unperturbed zone radius}\\
494 \rho _{0} &  & \textrm{unperturbed density in the zone}\\
495 T_{0} &  & \textrm{unperturbed temperature in the zone}\\
496 L_{r0} &  & \textrm{unperturbed luminosity}\\
497 E_{\textrm{th}} &  & \textrm{thermal energy of the zone}
498 \end{eqnarray*}
499
500 \end_inset
501
502  
503 \end_layout
504
505 \begin_layout Standard
506 \noindent
507 and with the definitions of the
508 \emph default
509  
510 \emph on
511 local cooling time
512 \begin_inset ERT
513 status collapsed
514
515 \begin_layout Standard
516
517 \backslash
518 /{}
519 \end_layout
520
521 \end_inset
522
523
524 \emph default
525  (see Fig.\InsetSpace ~
526
527 \begin_inset LatexCommand ref
528 reference "FigGam"
529 \end_inset
530
531
532 \begin_inset Formula \begin{equation}
533 \tau _{\mathrm{co}}=\frac{E_{\mathrm{th}}}{L_{r0}}\, ,
534 \end{equation}
535
536 \end_inset
537
538  and the
539 \emph default
540  
541 \emph on
542 local free-fall time
543 \emph default
544
545 \begin_inset Formula \begin{equation}
546 \tau _{\mathrm{ff}}=\sqrt{\frac{3\pi }{32G}\frac{4\pi r_{0}^{3}}{3M_{\mathrm{r}}}}\, ,
547 \end{equation}
548
549 \end_inset
550
551  Baker's 
552 \begin_inset Formula \( K \)
553 \end_inset
554
555  and 
556 \begin_inset Formula \( \sigma _{0} \)
557 \end_inset
558
559  have the following form: 
560 \begin_inset Formula \begin{eqnarray}
561 \sigma _{0} & = & \frac{\pi }{\sqrt{8}}\frac{1}{\tau _{\mathrm{ff}}}\\
562 K & = & \frac{\sqrt{32}}{\pi }\frac{1}{\delta }\frac{\tau _{\mathrm{ff}}}{\tau _{\mathrm{co}}}\, ;
563 \end{eqnarray}
564
565 \end_inset
566
567  where 
568 \begin_inset Formula \( E_{\mathrm{th}}\approx m(P_{0}/{\rho _{0}}) \)
569 \end_inset
570
571  has been used and 
572 \begin_inset Formula \begin{equation}
573 \begin{array}{l}
574 \delta =-\left( \frac{\partial \ln \rho }{\partial \ln T}\right) _{P}\\
575 e=mc^{2}
576 \end{array}
577 \end{equation}
578
579 \end_inset
580
581  is a thermodynamical quantity which is of order 
582 \begin_inset Formula \( 1 \)
583 \end_inset
584
585  and equal to 
586 \begin_inset Formula \( 1 \)
587 \end_inset
588
589  for nonreacting mixtures of classical perfect gases.
590  The physical meaning of 
591 \begin_inset Formula \( \sigma _{0} \)
592 \end_inset
593
594  and 
595 \begin_inset Formula \( K \)
596 \end_inset
597
598  is clearly visible in the equations above.
599  
600 \begin_inset Formula \( \sigma _{0} \)
601 \end_inset
602
603  represents a frequency of the order one per free-fall time.
604  
605 \begin_inset Formula \( K \)
606 \end_inset
607
608  is proportional to the ratio of the free-fall time and the cooling time.
609  Substituting into Baker's criteria, using thermodynamic identities and
610  definitions of thermodynamic quantities, 
611 \begin_inset Formula \[
612 \Gamma _{1}=\left( \frac{\partial \ln P}{\partial \ln \rho }\right) _{S}\, ,\; \chi ^{}_{\rho }=\left( \frac{\partial \ln P}{\partial \ln \rho }\right) _{T}\, ,\; \kappa ^{}_{P}=\left( \frac{\partial \ln \kappa }{\partial \ln P}\right) _{T}\]
613
614 \end_inset
615
616
617 \begin_inset Formula \[
618 \nabla _{\mathrm{ad}}=\left( \frac{\partial \ln T}{\partial \ln P}\right) _{S}\, ,\; \chi ^{}_{T}=\left( \frac{\partial \ln P}{\partial \ln T}\right) _{\rho }\, ,\; \kappa ^{}_{T}=\left( \frac{\partial \ln \kappa }{\partial \ln T}\right) _{T}\]
619
620 \end_inset
621
622  one obtains, after some pages of algebra, the conditions for
623 \emph default
624  
625 \emph on
626 stability
627 \begin_inset ERT
628 status collapsed
629
630 \begin_layout Standard
631
632 \backslash
633 /{}
634 \end_layout
635
636 \end_inset
637
638
639 \emph default
640  given below: 
641 \begin_inset Formula \begin{eqnarray}
642 \frac{\pi ^{2}}{8}\frac{1}{\tau _{\mathrm{ff}}^{2}}(3\Gamma _{1}-4) & > & 0\label{ZSDynSta} \\
643 \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} \\
644 \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}
645 \end{eqnarray}
646
647 \end_inset
648
649  For a physical discussion of the stability criteria see Baker (
650 \begin_inset LatexCommand cite
651 key "baker"
652 \end_inset
653
654 ) or Cox (
655 \begin_inset LatexCommand cite
656 key "cox"
657 \end_inset
658
659 ).
660 \end_layout
661
662 \begin_layout Standard
663
664 We observe that these criteria for dynamical, secular and vibrational stability,
665  respectively, can be factorized into 
666 \end_layout
667
668 \begin_layout Enumerate
669
670 a factor containing local timescales only, 
671 \end_layout
672
673 \begin_layout Enumerate
674
675 a factor containing only constitutive relations and their derivatives.
676  
677 \end_layout
678
679 \begin_layout Standard
680
681 The first factors, depending on only timescales, are positive by definition.
682  The signs of the left hand sides of the inequalities\InsetSpace ~
683 (
684 \begin_inset LatexCommand ref
685 reference "ZSDynSta"
686 \end_inset
687
688 ), (
689 \begin_inset LatexCommand ref
690 reference "ZSSecSta"
691 \end_inset
692
693 ) and (
694 \begin_inset LatexCommand ref
695 reference "ZSVibSta"
696 \end_inset
697
698 ) therefore depend exclusively on the second factors containing the constitutive
699  relations.
700  Since they depend only on state variables, the stability criteria themselves
701  are
702 \emph default
703  
704 \emph on
705  functions of the thermodynamic state in the local zone
706 \emph default
707 .
708  The one-zone stability can therefore be determined from a simple equation
709  of state, given for example, as a function of density and temperature.
710  Once the microphysics, i.e.
711 \begin_inset ERT
712 status collapsed
713
714 \begin_layout Standard
715
716 \backslash
717  
718 \end_layout
719
720 \end_inset
721
722 the thermodynamics and opacities (see Table\InsetSpace ~
723
724 \begin_inset LatexCommand ref
725 reference "KapSou"
726 \end_inset
727
728 ), are specified (in practice by specifying a chemical composition) the
729  one-zone stability can be inferred if the thermodynamic state is specified.
730  The zone -- or in other words the layer -- will be stable or unstable in
731  whatever object it is imbedded as long as it satisfies the one-zone-model
732  assumptions.
733  Only the specific growth rates (depending upon the time scales) will be
734  different for layers in different objects.
735 \end_layout
736
737 \begin_layout Standard
738
739 \begin_inset Float table
740 wide false
741 sideways false
742 status open
743
744 \begin_layout 
745 \begin_inset Caption
746
747 \begin_layout 
748
749
750 \begin_inset LatexCommand label
751 name "KapSou"
752 \end_inset
753
754 Opacity sources
755 \end_layout
756
757 \end_inset
758
759
760 \end_layout
761
762 \begin_layout Standard
763
764
765 \begin_inset  Tabular
766 <lyxtabular version="3" rows="4" columns="2">
767 <features>
768 <column alignment="left" valignment="top" width="0pt">
769 <column alignment="left" valignment="top" width="0pt">
770 <row topline="true">
771 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
772 \begin_inset Text
773
774 \begin_layout Standard
775
776 Source
777 \end_layout
778
779 \end_inset
780 </cell>
781 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
782 \begin_inset Text
783
784 \begin_layout Standard
785
786
787 \begin_inset Formula \( T/[\textrm{K}] \)
788 \end_inset
789
790
791 \end_layout
792
793 \end_inset
794 </cell>
795 </row>
796 <row topline="true">
797 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
798 \begin_inset Text
799
800 \begin_layout Standard
801
802 Yorke 1979, Yorke 1980a
803 \end_layout
804
805 \end_inset
806 </cell>
807 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
808 \begin_inset Text
809
810 \begin_layout Standard
811
812
813 \begin_inset Formula \( \leq 1700^{\textrm{a}} \)
814 \end_inset
815
816
817 \end_layout
818
819 \end_inset
820 </cell>
821 </row>
822 <row>
823 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
824 \begin_inset Text
825
826 \begin_layout Standard
827
828 Krügel 1971
829 \end_layout
830
831 \end_inset
832 </cell>
833 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
834 \begin_inset Text
835
836 \begin_layout Standard
837
838
839 \begin_inset Formula \( 1700\leq T\leq 5000 \)
840 \end_inset
841
842  
843 \end_layout
844
845 \end_inset
846 </cell>
847 </row>
848 <row bottomline="true">
849 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
850 \begin_inset Text
851
852 \begin_layout Standard
853
854 Cox & Stewart 1969
855 \end_layout
856
857 \end_inset
858 </cell>
859 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
860 \begin_inset Text
861
862 \begin_layout Standard
863
864
865 \begin_inset Formula \( 5000\leq  \)
866 \end_inset
867
868
869 \end_layout
870
871 \end_inset
872 </cell>
873 </row>
874 </lyxtabular>
875
876 \end_inset
877
878
879 \end_layout
880
881 \begin_layout Standard
882
883
884 \begin_inset Formula \( ^{\textrm{a}} \)
885 \end_inset
886
887 This is footnote a
888 \end_layout
889
890 \end_inset
891
892  We will now write down the sign (and therefore stability) determining parts
893  of the left-hand sides of the inequalities (
894 \begin_inset LatexCommand ref
895 reference "ZSDynSta"
896 \end_inset
897
898 ), (
899 \begin_inset LatexCommand ref
900 reference "ZSSecSta"
901 \end_inset
902
903 ) and (
904 \begin_inset LatexCommand ref
905 reference "ZSVibSta"
906 \end_inset
907
908 ) and thereby obtain
909 \emph default
910  
911 \emph on
912 stability equations of state
913 \emph default
914 .
915 \end_layout
916
917 \begin_layout Standard
918
919 The sign determining part of inequality\InsetSpace ~
920 (
921 \begin_inset LatexCommand ref
922 reference "ZSDynSta"
923 \end_inset
924
925 ) is 
926 \begin_inset Formula \( 3\Gamma _{1}-4 \)
927 \end_inset
928
929  and it reduces to the criterion for dynamical stability 
930 \begin_inset Formula \begin{equation}
931 \Gamma _{1}>\frac{4}{3}\, \cdot
932 \end{equation}
933
934 \end_inset
935
936  Stability of the thermodynamical equilibrium demands 
937 \begin_inset Formula \begin{equation}
938 \chi ^{}_{\rho }>0,\; \; c_{v}>0\, ,
939 \end{equation}
940
941 \end_inset
942
943  and 
944 \begin_inset Formula \begin{equation}
945 \chi ^{}_{T}>0
946 \end{equation}
947
948 \end_inset
949
950  holds for a wide range of physical situations.
951  With 
952 \begin_inset Formula \begin{eqnarray}
953 \Gamma _{3}-1=\frac{P}{\rho T}\frac{\chi ^{}_{T}}{c_{v}} & > & 0\\
954 \Gamma _{1}=\chi _{\rho }^{}+\chi _{T}^{}(\Gamma _{3}-1) & > & 0\\
955 \nabla _{\mathrm{ad}}=\frac{\Gamma _{3}-1}{\Gamma _{1}} & > & 0
956 \end{eqnarray}
957
958 \end_inset
959
960  we find the sign determining terms in inequalities\InsetSpace ~
961 (
962 \begin_inset LatexCommand ref
963 reference "ZSSecSta"
964 \end_inset
965
966 ) and (
967 \begin_inset LatexCommand ref
968 reference "ZSVibSta"
969 \end_inset
970
971 ) respectively and obtain the following form of the criteria for dynamical,
972  secular and vibrational
973 \emph default
974  
975 \emph on
976 stability
977 \emph default
978 , respectively: 
979 \begin_inset Formula \begin{eqnarray}
980 3\Gamma _{1}-4=:S_{\mathrm{dyn}}> & 0 & \label{DynSta} \\
981 \frac{1-3/4\chi ^{}_{\rho }}{\chi ^{}_{T}}(\kappa ^{}_{T}-4)+\kappa ^{}_{P}+1=:S_{\mathrm{sec}}> & 0 & \label{SecSta} \\
982 4\nabla _{\mathrm{ad}}-(\nabla _{\mathrm{ad}}\kappa ^{}_{T}+\kappa ^{}_{P})-\frac{4}{3\Gamma _{1}}=:S_{\mathrm{vib}}> & 0\, . & \label{VibSta} 
983 \end{eqnarray}
984
985 \end_inset
986
987  The constitutive relations are to be evaluated for the unperturbed thermodynami
988 c state (say 
989 \begin_inset Formula \( (\rho _{0},T_{0}) \)
990 \end_inset
991
992 ) of the zone.
993  We see that the one-zone stability of the layer depends only on the constitutiv
994 e relations 
995 \begin_inset Formula \( \Gamma _{1} \)
996 \end_inset
997
998
999 \begin_inset Formula \( \nabla _{\mathrm{ad}} \)
1000 \end_inset
1001
1002
1003 \begin_inset Formula \( \chi _{T}^{},\, \chi _{\rho }^{} \)
1004 \end_inset
1005
1006
1007 \begin_inset Formula \( \kappa _{P}^{},\, \kappa _{T}^{} \)
1008 \end_inset
1009
1010 .
1011  These depend only on the unperturbed thermodynamical state of the layer.
1012  Therefore the above relations define the one-zone-stability equations of
1013  state 
1014 \begin_inset Formula \( S_{\mathrm{dyn}},\, S_{\mathrm{sec}} \)
1015 \end_inset
1016
1017  and 
1018 \begin_inset Formula \( S_{\mathrm{vib}} \)
1019 \end_inset
1020
1021 .
1022  See Fig.\InsetSpace ~
1023
1024 \begin_inset LatexCommand ref
1025 reference "FigVibStab"
1026 \end_inset
1027
1028  for a picture of 
1029 \begin_inset Formula \( S_{\mathrm{vib}} \)
1030 \end_inset
1031
1032 .
1033  Regions of secular instability are listed in Table\InsetSpace ~
1034 1.
1035 \end_layout
1036
1037 \begin_layout Standard
1038
1039 \begin_inset Float figure
1040 wide false
1041 sideways false
1042 status open
1043
1044 \begin_layout 
1045 \begin_inset Caption
1046
1047 \begin_layout 
1048
1049 Vibrational stability equation of state 
1050 \begin_inset Formula \( S_{\mathrm{vib}}(\lg e,\lg \rho ) \)
1051 \end_inset
1052
1053 .
1054  
1055 \begin_inset Formula \( >0 \)
1056 \end_inset
1057
1058  means vibrational stability 
1059 \end_layout
1060
1061 \end_inset
1062
1063
1064 \end_layout
1065
1066 \begin_layout Standard
1067
1068
1069 \begin_inset LatexCommand label
1070 name "FigVibStab"
1071 \end_inset
1072
1073
1074 \end_layout
1075
1076 \end_inset
1077
1078 \end_layout
1079
1080 \begin_layout Section
1081
1082 Conclusions
1083 \end_layout
1084
1085 \begin_layout Enumerate
1086
1087 The conditions for the stability of static, radiative layers in gas spheres,
1088  as described by Baker's (
1089 \begin_inset LatexCommand cite
1090 key "baker"
1091 \end_inset
1092
1093 ) standard one-zone model, can be expressed as stability equations of state.
1094  These stability equations of state depend only on the local thermodynamic
1095  state of the layer.
1096  
1097 \end_layout
1098
1099 \begin_layout Enumerate
1100
1101 If the constitutive relations -- equations of state and Rosseland mean opacities
1102  -- are specified, the stability equations of state can be evaluated without
1103  specifying properties of the layer.
1104  
1105 \end_layout
1106
1107 \begin_layout Enumerate
1108
1109 For solar composition gas the 
1110 \begin_inset Formula \( \kappa  \)
1111 \end_inset
1112
1113 -mechanism is working in the regions of the ice and dust features in the
1114  opacities, the 
1115 \begin_inset Formula \( \mathrm{H}_{2} \)
1116 \end_inset
1117
1118  dissociation and the combined H, first He ionization zone, as indicated
1119  by vibrational instability.
1120  These regions of instability are much larger in extent and degree of instabilit
1121 y than the second He ionization zone that drives the Cepheı̈
1122 d pulsations.
1123  
1124 \end_layout
1125
1126 \begin_layout Acknowledgement
1127
1128 Part of this work was supported by the German
1129 \emph default
1130  
1131 \emph on
1132 Deut\SpecialChar \-
1133 sche For\SpecialChar \-
1134 schungs\SpecialChar \-
1135 ge\SpecialChar \-
1136 mein\SpecialChar \-
1137 schaft, DFG
1138 \begin_inset ERT
1139 status collapsed
1140
1141 \begin_layout Standard
1142
1143 \backslash
1144 /{}
1145 \end_layout
1146
1147 \end_inset
1148
1149
1150 \emph default
1151  project number Ts\InsetSpace ~
1152 17/2--1.
1153  
1154 \end_layout
1155
1156 \begin_layout Bibliography
1157 \begin_inset LatexCommand bibitem
1158 label "1966"
1159 key "baker"
1160
1161 \end_inset
1162
1163  Baker, N.
1164  1966, in Stellar Evolution, ed.
1165 \begin_inset ERT
1166 status collapsed
1167
1168 \begin_layout Standard
1169
1170 \backslash
1171  
1172 \end_layout
1173
1174 \end_inset
1175
1176 R.
1177  F.
1178  Stein,& A.
1179  G.
1180  W.
1181  Cameron (Plenum, New York) 333
1182 \end_layout
1183
1184 \begin_layout Bibliography
1185 \begin_inset LatexCommand bibitem
1186 label "1988"
1187 key "balluch"
1188
1189 \end_inset
1190
1191  Balluch, M.
1192  1988, A&A, 200, 58
1193 \end_layout
1194
1195 \begin_layout Bibliography
1196 \begin_inset LatexCommand bibitem
1197 label "1980"
1198 key "cox"
1199
1200 \end_inset
1201
1202  Cox, J.
1203  P.
1204  1980, Theory of Stellar Pulsation (Princeton University Press, Princeton)
1205  165
1206 \end_layout
1207
1208 \begin_layout Bibliography
1209 \begin_inset LatexCommand bibitem
1210 label "1969"
1211 key "cox69"
1212
1213 \end_inset
1214
1215  Cox, A.
1216  N.,& Stewart, J.
1217  N.
1218  1969, Academia Nauk, Scientific Information 15, 1
1219 \end_layout
1220
1221 \begin_layout Bibliography
1222 \begin_inset LatexCommand bibitem
1223 label "1980"
1224 key "mizuno"
1225
1226 \end_inset
1227
1228  Mizuno H.
1229  1980, Prog.
1230  Theor.
1231  Phys., 64, 544 
1232 \end_layout
1233
1234 \begin_layout Bibliography
1235 \begin_inset LatexCommand bibitem
1236 label "1987"
1237 key "tscharnuter"
1238
1239 \end_inset
1240
1241  Tscharnuter W.
1242  M.
1243  1987, A&A, 188, 55 
1244 \end_layout
1245
1246 \begin_layout Bibliography
1247 \begin_inset LatexCommand bibitem
1248 label "1992"
1249 key "terlevich"
1250
1251 \end_inset
1252
1253  Terlevich, R.
1254  1992, in ASP Conf.
1255  Ser.
1256  31, Relationships between Active Galactic Nuclei and Starburst Galaxies,
1257  ed.
1258  A.
1259  V.
1260  Filippenko, 13
1261 \end_layout
1262
1263 \begin_layout Bibliography
1264 \begin_inset LatexCommand bibitem
1265 label "1980a"
1266 key "yorke80a"
1267
1268 \end_inset
1269
1270  Yorke, H.
1271  W.
1272  1980a, A&A, 86, 286
1273 \end_layout
1274
1275 \begin_layout Bibliography
1276 \begin_inset LatexCommand bibitem
1277 label "1997"
1278 key "zheng"
1279
1280 \end_inset
1281
1282 Zheng, W., Davidsen, A.
1283  F., Tytler, D.
1284  & Kriss, G.
1285  A.
1286  1997, preprint 
1287 \end_layout
1288
1289 \end_body
1290 \end_document