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2 \lyxformat 243
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7 \usepackage{graphicx}
8 %
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34
35 \begin_body
36
37 \begin_layout Title
38
39 Hydrodynamics of giant planet formation
40 \end_layout
41
42 \begin_layout Subtitle
43
44 I.
45  Overviewing the 
46 \begin_inset Formula \( \kappa  \)
47 \end_inset
48
49 -mechanism
50 \end_layout
51
52 \begin_layout Author
53
54 G.
55  Wuchterl 
56 \begin_inset ERT
57 status collapsed
58
59 \begin_layout Standard
60
61 \backslash
62 inst{1} 
63 \backslash
64 and
65 \end_layout
66
67 \begin_layout Standard
68           
69 \end_layout
70
71 \end_inset
72
73 C.
74  Ptolemy
75 \begin_inset ERT
76 status collapsed
77
78 \begin_layout Standard
79
80 \backslash
81 inst{2}
82 \backslash
83 fnmsep
84 \end_layout
85
86 \end_inset
87
88
89 \begin_inset Foot
90 status collapsed
91
92 \begin_layout Standard
93
94 Just to show the usage of the elements in the author field
95 \end_layout
96
97 \end_inset
98
99
100  
101 \end_layout
102
103 \begin_layout Offprint
104
105 G.
106  Wuchterl
107 \end_layout
108
109 \begin_layout Address
110
111 Institute for Astronomy (IfA), University of Vienna, T\i \"{u}
112 rkenschanzstrasse
113  17, A-1180 Vienna
114 \newline
115
116 \begin_inset ERT
117 status collapsed
118
119 \begin_layout Standard
120
121 \backslash
122 email{wuchterl@amok.ast.univie.ac.at} 
123 \backslash
124 and
125 \end_layout
126
127 \begin_layout Standard
128
129 \end_layout
130
131 \end_inset
132
133 University of Alexandria, Department of Geography, ...
134 \newline
135
136 \begin_inset ERT
137 status collapsed
138
139 \begin_layout Standard
140
141 \backslash
142 email{c.ptolemy@hipparch.uheaven.space}
143 \end_layout
144
145 \end_inset
146
147  
148 \begin_inset Foot
149 status collapsed
150
151 \begin_layout Standard
152
153 The university of heaven temporarily does not accept e-mails
154 \end_layout
155
156 \end_inset
157
158
159  
160 \end_layout
161
162 \begin_layout Date
163
164 Received September 15, 1996; accepted March 16, 1997
165 \end_layout
166
167 \begin_layout Abstract
168
169 To investigate the physical nature of the `nuc\SpecialChar \-
170 leated instability' of proto
171  giant planets (Mizuno 
172 \begin_inset LatexCommand \cite{mizuno}
173
174 \end_inset
175
176 ), the stability of layers in static, radiative gas spheres is analysed
177  on the basis of Baker's 
178 \begin_inset LatexCommand \cite{baker}
179
180 \end_inset
181
182  standard one-zone model.
183  It is shown that stability depends only upon the equations of state, the
184  opacities and the local thermodynamic state in the layer.
185  Stability and instability can therefore be expressed in the form of stability
186  equations of state which are universal for a given composition.
187  The stability equations of state are calculated for solar composition and
188  are displayed in the domain 
189 \begin_inset Formula \( -14\leq \lg \rho /[\mathrm{g}\, \mathrm{cm}^{-3}]\leq 0 \)
190 \end_inset
191
192
193 \begin_inset Formula \( 8.8\leq \lg e/[\mathrm{erg}\, \mathrm{g}^{-1}]\leq 17.7 \)
194 \end_inset
195
196 .
197  These displays may be used to determine the one-zone stability of layers
198  in stellar or planetary structure models by directly reading off the value
199  of the stability equations for the thermodynamic state of these layers,
200  specified by state quantities as density 
201 \begin_inset Formula \( \rho  \)
202 \end_inset
203
204 , temperature 
205 \begin_inset Formula \( T \)
206 \end_inset
207
208  or specific internal energy 
209 \begin_inset Formula \( e \)
210 \end_inset
211
212 .
213  Regions of instability in the 
214 \begin_inset Formula \( (\rho ,e) \)
215 \end_inset
216
217 -plane are described and related to the underlying microphysical processes.
218  Vibrational instability is found to be a common phenomenon at temperatures
219  lower than the second He ionisation zone.
220  The 
221 \begin_inset Formula \( \kappa  \)
222 \end_inset
223
224 -mechanism is widespread under `cool' conditions.
225 \begin_inset ERT
226 status collapsed
227
228 \begin_layout Standard
229
230 \end_layout
231
232 \begin_layout Standard
233
234 \backslash
235 keywords{giant planet formation -- 
236 \backslash
237 (
238 \backslash
239 kappa
240 \backslash
241 )-mechanism -- stability of gas spheres }
242 \end_layout
243
244 \end_inset
245
246  
247 \end_layout
248
249 \begin_layout Section
250
251 Introduction
252 \end_layout
253
254 \begin_layout Standard
255
256 In the 
257 \emph on
258 nucleated instability
259 \begin_inset ERT
260 status collapsed
261
262 \begin_layout Standard
263
264 \backslash
265 /{}
266 \end_layout
267
268 \end_inset
269
270
271 \emph default
272  (also called core instability) hypothesis of giant planet formation, a
273  critical mass for static core envelope protoplanets has been found.
274  Mizuno (
275 \begin_inset LatexCommand \cite{mizuno}
276
277 \end_inset
278
279 ) determined the critical mass of the core to be about 
280 \begin_inset Formula \( 12\, M_{\oplus } \)
281 \end_inset
282
283  (
284 \begin_inset Formula \( M_{\oplus }=5.975\, 10^{27}\, \mathrm{g} \)
285 \end_inset
286
287  is the Earth mass), which is independent of the outer boundary conditions
288  and therefore independent of the location in the solar nebula.
289  This critical value for the core mass corresponds closely to the cores
290  of today's giant planets.
291 \end_layout
292
293 \begin_layout Standard
294
295 Although no hydrodynamical study has been available many workers conjectured
296  that a collapse or rapid contraction will ensue after accumulating the
297  critical mass.
298  The main motivation for this article is to investigate the stability of
299  the static envelope at the critical mass.
300  With this aim the local, linear stability of static radiative gas spheres
301  is investigated on the basis of Baker's (
302 \begin_inset LatexCommand \cite{baker}
303
304 \end_inset
305
306 ) standard one-zone model.
307 \end_layout
308
309 \begin_layout Standard
310
311 Phenomena similar to the ones described above for giant planet formation
312  have been found in hydrodynamical models concerning star formation where
313  protostellar cores explode (Tscharnuter 
314 \begin_inset LatexCommand \cite{tscharnuter}
315
316 \end_inset
317
318 , Balluch 
319 \begin_inset LatexCommand \cite{balluch}
320
321 \end_inset
322
323 ), whereas earlier studies found quasi-steady collapse flows.
324  The similarities in the (micro)physics, i.e., constitutive relations of protostel
325 lar cores and protogiant planets serve as a further motivation for this
326  study.
327 \end_layout
328
329 \begin_layout Section
330
331 Baker's standard one-zone model
332 \end_layout
333
334 \begin_layout Standard
335
336 \begin_inset Float figure
337 wide true
338 sideways false
339 status open
340
341 \begin_layout Caption
342
343 Adiabatic exponent 
344 \begin_inset Formula \( \Gamma _{1} \)
345 \end_inset
346
347 .
348  
349 \begin_inset Formula \( \Gamma _{1} \)
350 \end_inset
351
352  is plotted as a function of 
353 \begin_inset Formula \( \lg  \)
354 \end_inset
355
356  internal energy 
357 \begin_inset Formula \( [\mathrm{erg}\, \mathrm{g}^{-1}] \)
358 \end_inset
359
360  and 
361 \begin_inset Formula \( \lg  \)
362 \end_inset
363
364  density 
365 \begin_inset Formula \( [\mathrm{g}\, \mathrm{cm}^{-3}] \)
366 \end_inset
367
368
369 \end_layout
370
371 \begin_layout Standard
372
373
374 \begin_inset LatexCommand \label{FigGam}
375
376 \end_inset
377
378
379 \end_layout
380
381 \end_inset
382
383  In this section the one-zone model of Baker (
384 \begin_inset LatexCommand \cite{baker}
385
386 \end_inset
387
388 ), originally used to study the Cephe\i \"{\i}
389 d pulsation mechanism, will be briefly
390  reviewed.
391  The resulting stability criteria will be rewritten in terms of local state
392  variables, local timescales and constitutive relations.
393 \end_layout
394
395 \begin_layout Standard
396
397 Baker (
398 \begin_inset LatexCommand \cite{baker}
399
400 \end_inset
401
402 ) investigates the stability of thin layers in self-gravitating, spherical
403  gas clouds with the following properties: 
404 \end_layout
405
406 \begin_layout Itemize
407
408 hydrostatic equilibrium, 
409 \end_layout
410
411 \begin_layout Itemize
412
413 thermal equilibrium, 
414 \end_layout
415
416 \begin_layout Itemize
417
418 energy transport by grey radiation diffusion.
419  
420 \end_layout
421
422 \begin_layout Standard
423 \noindent
424 For the one-zone-model Baker obtains necessary conditions for dynamical,
425  secular and vibrational (or pulsational) stability (Eqs.
426 \begin_inset ERT
427 status collapsed
428
429 \begin_layout Standard
430
431 \backslash
432  
433 \end_layout
434
435 \end_inset
436
437 (34a,
438 \begin_inset ERT
439 status collapsed
440
441 \begin_layout Standard
442
443 \backslash
444 ,
445 \end_layout
446
447 \end_inset
448
449 b,
450 \begin_inset ERT
451 status collapsed
452
453 \begin_layout Standard
454
455 \backslash
456 ,
457 \end_layout
458
459 \end_inset
460
461 c) in Baker 
462 \begin_inset LatexCommand \cite{baker}
463
464 \end_inset
465
466 ).
467  Using Baker's notation:
468 \end_layout
469
470 \begin_layout Standard
471 \align left
472
473 \begin_inset Formula \begin{eqnarray*}
474 M_{r} &  & \textrm{mass internal to the radius }r\\
475 m &  & \textrm{mass of the zone}\\
476 r_{0} &  & \textrm{unperturbed zone radius}\\
477 \rho _{0} &  & \textrm{unperturbed density in the zone}\\
478 T_{0} &  & \textrm{unperturbed temperature in the zone}\\
479 L_{r0} &  & \textrm{unperturbed luminosity}\\
480 E_{\textrm{th}} &  & \textrm{thermal energy of the zone}
481 \end{eqnarray*}
482
483 \end_inset
484
485  
486 \end_layout
487
488 \begin_layout Standard
489 \noindent
490 and with the definitions of the 
491 \emph on
492 local cooling time
493 \begin_inset ERT
494 status collapsed
495
496 \begin_layout Standard
497
498 \backslash
499 /{}
500 \end_layout
501
502 \end_inset
503
504
505 \emph default
506  (see Fig.\InsetSpace ~
507
508 \begin_inset LatexCommand \ref{FigGam}
509
510 \end_inset
511
512
513 \begin_inset Formula \begin{equation}
514 \tau _{\mathrm{co}}=\frac{E_{\mathrm{th}}}{L_{r0}}\, ,
515 \end{equation}
516
517 \end_inset
518
519  and the 
520 \emph on
521 local free-fall time
522 \emph default
523
524 \begin_inset Formula \begin{equation}
525 \tau _{\mathrm{ff}}=\sqrt{\frac{3\pi }{32G}\frac{4\pi r_{0}^{3}}{3M_{\mathrm{r}}}}\, ,
526 \end{equation}
527
528 \end_inset
529
530  Baker's 
531 \begin_inset Formula \( K \)
532 \end_inset
533
534  and 
535 \begin_inset Formula \( \sigma _{0} \)
536 \end_inset
537
538  have the following form: 
539 \begin_inset Formula \begin{eqnarray}
540 \sigma _{0} & = & \frac{\pi }{\sqrt{8}}\frac{1}{\tau _{\mathrm{ff}}}\\
541 K & = & \frac{\sqrt{32}}{\pi }\frac{1}{\delta }\frac{\tau _{\mathrm{ff}}}{\tau _{\mathrm{co}}}\, ;
542 \end{eqnarray}
543
544 \end_inset
545
546  where 
547 \begin_inset Formula \( E_{\mathrm{th}}\approx m(P_{0}/{\rho _{0}}) \)
548 \end_inset
549
550  has been used and 
551 \begin_inset Formula \begin{equation}
552 \begin{array}{l}
553 \delta =-\left( \frac{\partial \ln \rho }{\partial \ln T}\right) _{P}\\
554 e=mc^{2}
555 \end{array}
556 \end{equation}
557
558 \end_inset
559
560  is a thermodynamical quantity which is of order 
561 \begin_inset Formula \( 1 \)
562 \end_inset
563
564  and equal to 
565 \begin_inset Formula \( 1 \)
566 \end_inset
567
568  for nonreacting mixtures of classical perfect gases.
569  The physical meaning of 
570 \begin_inset Formula \( \sigma _{0} \)
571 \end_inset
572
573  and 
574 \begin_inset Formula \( K \)
575 \end_inset
576
577  is clearly visible in the equations above.
578  
579 \begin_inset Formula \( \sigma _{0} \)
580 \end_inset
581
582  represents a frequency of the order one per free-fall time.
583  
584 \begin_inset Formula \( K \)
585 \end_inset
586
587  is proportional to the ratio of the free-fall time and the cooling time.
588  Substituting into Baker's criteria, using thermodynamic identities and
589  definitions of thermodynamic quantities, 
590 \begin_inset Formula \[
591 \Gamma _{1}=\left( \frac{\partial \ln P}{\partial \ln \rho }\right) _{S}\, ,\; \chi ^{}_{\rho }=\left( \frac{\partial \ln P}{\partial \ln \rho }\right) _{T}\, ,\; \kappa ^{}_{P}=\left( \frac{\partial \ln \kappa }{\partial \ln P}\right) _{T}\]
592
593 \end_inset
594
595
596 \begin_inset Formula \[
597 \nabla _{\mathrm{ad}}=\left( \frac{\partial \ln T}{\partial \ln P}\right) _{S}\, ,\; \chi ^{}_{T}=\left( \frac{\partial \ln P}{\partial \ln T}\right) _{\rho }\, ,\; \kappa ^{}_{T}=\left( \frac{\partial \ln \kappa }{\partial \ln T}\right) _{T}\]
598
599 \end_inset
600
601  one obtains, after some pages of algebra, the conditions for 
602 \emph on
603 stability
604 \begin_inset ERT
605 status collapsed
606
607 \begin_layout Standard
608
609 \backslash
610 /{}
611 \end_layout
612
613 \end_inset
614
615
616 \emph default
617  given below: 
618 \begin_inset Formula \begin{eqnarray}
619 \frac{\pi ^{2}}{8}\frac{1}{\tau _{\mathrm{ff}}^{2}}(3\Gamma _{1}-4) & > & 0\label{ZSDynSta} \\
620 \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} \\
621 \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}
622 \end{eqnarray}
623
624 \end_inset
625
626  For a physical discussion of the stability criteria see Baker (
627 \begin_inset LatexCommand \cite{baker}
628
629 \end_inset
630
631 ) or Cox (
632 \begin_inset LatexCommand \cite{cox}
633
634 \end_inset
635
636 ).
637 \end_layout
638
639 \begin_layout Standard
640
641 We observe that these criteria for dynamical, secular and vibrational stability,
642  respectively, can be factorized into 
643 \end_layout
644
645 \begin_layout Enumerate
646
647 a factor containing local timescales only, 
648 \end_layout
649
650 \begin_layout Enumerate
651
652 a factor containing only constitutive relations and their derivatives.
653  
654 \end_layout
655
656 \begin_layout Standard
657
658 The first factors, depending on only timescales, are positive by definition.
659  The signs of the left hand sides of the inequalities\InsetSpace ~
660 (
661 \begin_inset LatexCommand \ref{ZSDynSta}
662
663 \end_inset
664
665 ), (
666 \begin_inset LatexCommand \ref{ZSSecSta}
667
668 \end_inset
669
670 ) and (
671 \begin_inset LatexCommand \ref{ZSVibSta}
672
673 \end_inset
674
675 ) therefore depend exclusively on the second factors containing the constitutive
676  relations.
677  Since they depend only on state variables, the stability criteria themselves
678  are 
679 \emph on
680  functions of the thermodynamic state in the local zone
681 \emph default
682 .
683  The one-zone stability can therefore be determined from a simple equation
684  of state, given for example, as a function of density and temperature.
685  Once the microphysics, i.e.
686 \begin_inset ERT
687 status collapsed
688
689 \begin_layout Standard
690
691 \backslash
692  
693 \end_layout
694
695 \end_inset
696
697 the thermodynamics and opacities (see Table\InsetSpace ~
698
699 \begin_inset LatexCommand \ref{KapSou}
700
701 \end_inset
702
703 ), are specified (in practice by specifying a chemical composition) the
704  one-zone stability can be inferred if the thermodynamic state is specified.
705  The zone -- or in other words the layer -- will be stable or unstable in
706  whatever object it is imbedded as long as it satisfies the one-zone-model
707  assumptions.
708  Only the specific growth rates (depending upon the time scales) will be
709  different for layers in different objects.
710 \end_layout
711
712 \begin_layout Standard
713
714 \begin_inset Float table
715 wide false
716 sideways false
717 status open
718
719 \begin_layout Caption
720
721
722 \begin_inset LatexCommand \label{KapSou}
723
724 \end_inset
725
726 Opacity sources
727 \end_layout
728
729 \begin_layout Standard
730
731
732 \begin_inset  Tabular
733 <lyxtabular version="3" rows="4" columns="2">
734 <features>
735 <column alignment="left" valignment="top" width="0pt">
736 <column alignment="left" valignment="top" width="0pt">
737 <row topline="true">
738 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
739 \begin_inset Text
740
741 \begin_layout Standard
742
743 Source
744 \end_layout
745
746 \end_inset
747 </cell>
748 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
749 \begin_inset Text
750
751 \begin_layout Standard
752
753
754 \begin_inset Formula \( T/[\textrm{K}] \)
755 \end_inset
756
757
758 \end_layout
759
760 \end_inset
761 </cell>
762 </row>
763 <row topline="true">
764 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
765 \begin_inset Text
766
767 \begin_layout Standard
768
769 Yorke 1979, Yorke 1980a
770 \end_layout
771
772 \end_inset
773 </cell>
774 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
775 \begin_inset Text
776
777 \begin_layout Standard
778
779
780 \begin_inset Formula \( \leq 1700^{\textrm{a}} \)
781 \end_inset
782
783
784 \end_layout
785
786 \end_inset
787 </cell>
788 </row>
789 <row>
790 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
791 \begin_inset Text
792
793 \begin_layout Standard
794
795 Krügel 1971
796 \end_layout
797
798 \end_inset
799 </cell>
800 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
801 \begin_inset Text
802
803 \begin_layout Standard
804
805
806 \begin_inset Formula \( 1700\leq T\leq 5000 \)
807 \end_inset
808
809  
810 \end_layout
811
812 \end_inset
813 </cell>
814 </row>
815 <row bottomline="true">
816 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
817 \begin_inset Text
818
819 \begin_layout Standard
820
821 Cox & Stewart 1969
822 \end_layout
823
824 \end_inset
825 </cell>
826 <cell alignment="center" valignment="top" topline="true" leftline="true" usebox="none">
827 \begin_inset Text
828
829 \begin_layout Standard
830
831
832 \begin_inset Formula \( 5000\leq  \)
833 \end_inset
834
835
836 \end_layout
837
838 \end_inset
839 </cell>
840 </row>
841 </lyxtabular>
842
843 \end_inset
844
845
846 \end_layout
847
848 \begin_layout Standard
849
850
851 \begin_inset Formula \( ^{\textrm{a}} \)
852 \end_inset
853
854 This is footnote a
855 \end_layout
856
857 \end_inset
858
859  We will now write down the sign (and therefore stability) determining parts
860  of the left-hand sides of the inequalities (
861 \begin_inset LatexCommand \ref{ZSDynSta}
862
863 \end_inset
864
865 ), (
866 \begin_inset LatexCommand \ref{ZSSecSta}
867
868 \end_inset
869
870 ) and (
871 \begin_inset LatexCommand \ref{ZSVibSta}
872
873 \end_inset
874
875 ) and thereby obtain 
876 \emph on
877 stability equations of state
878 \emph default
879 .
880 \end_layout
881
882 \begin_layout Standard
883
884 The sign determining part of inequality\InsetSpace ~
885 (
886 \begin_inset LatexCommand \ref{ZSDynSta}
887
888 \end_inset
889
890 ) is 
891 \begin_inset Formula \( 3\Gamma _{1}-4 \)
892 \end_inset
893
894  and it reduces to the criterion for dynamical stability 
895 \begin_inset Formula \begin{equation}
896 \Gamma _{1}>\frac{4}{3}\, \cdot
897 \end{equation}
898
899 \end_inset
900
901  Stability of the thermodynamical equilibrium demands 
902 \begin_inset Formula \begin{equation}
903 \chi ^{}_{\rho }>0,\; \; c_{v}>0\, ,
904 \end{equation}
905
906 \end_inset
907
908  and 
909 \begin_inset Formula \begin{equation}
910 \chi ^{}_{T}>0
911 \end{equation}
912
913 \end_inset
914
915  holds for a wide range of physical situations.
916  With 
917 \begin_inset Formula \begin{eqnarray}
918 \Gamma _{3}-1=\frac{P}{\rho T}\frac{\chi ^{}_{T}}{c_{v}} & > & 0\\
919 \Gamma _{1}=\chi _{\rho }^{}+\chi _{T}^{}(\Gamma _{3}-1) & > & 0\\
920 \nabla _{\mathrm{ad}}=\frac{\Gamma _{3}-1}{\Gamma _{1}} & > & 0
921 \end{eqnarray}
922
923 \end_inset
924
925  we find the sign determining terms in inequalities\InsetSpace ~
926 (
927 \begin_inset LatexCommand \ref{ZSSecSta}
928
929 \end_inset
930
931 ) and (
932 \begin_inset LatexCommand \ref{ZSVibSta}
933
934 \end_inset
935
936 ) respectively and obtain the following form of the criteria for dynamical,
937  secular and vibrational 
938 \emph on
939 stability
940 \emph default
941 , respectively: 
942 \begin_inset Formula \begin{eqnarray}
943 3\Gamma _{1}-4=:S_{\mathrm{dyn}}> & 0 & \label{DynSta} \\
944 \frac{1-3/4\chi ^{}_{\rho }}{\chi ^{}_{T}}(\kappa ^{}_{T}-4)+\kappa ^{}_{P}+1=:S_{\mathrm{sec}}> & 0 & \label{SecSta} \\
945 4\nabla _{\mathrm{ad}}-(\nabla _{\mathrm{ad}}\kappa ^{}_{T}+\kappa ^{}_{P})-\frac{4}{3\Gamma _{1}}=:S_{\mathrm{vib}}> & 0\, . & \label{VibSta} 
946 \end{eqnarray}
947
948 \end_inset
949
950  The constitutive relations are to be evaluated for the unperturbed thermodynami
951 c state (say 
952 \begin_inset Formula \( (\rho _{0},T_{0}) \)
953 \end_inset
954
955 ) of the zone.
956  We see that the one-zone stability of the layer depends only on the constitutiv
957 e relations 
958 \begin_inset Formula \( \Gamma _{1} \)
959 \end_inset
960
961
962 \begin_inset Formula \( \nabla _{\mathrm{ad}} \)
963 \end_inset
964
965
966 \begin_inset Formula \( \chi _{T}^{},\, \chi _{\rho }^{} \)
967 \end_inset
968
969
970 \begin_inset Formula \( \kappa _{P}^{},\, \kappa _{T}^{} \)
971 \end_inset
972
973 .
974  These depend only on the unperturbed thermodynamical state of the layer.
975  Therefore the above relations define the one-zone-stability equations of
976  state 
977 \begin_inset Formula \( S_{\mathrm{dyn}},\, S_{\mathrm{sec}} \)
978 \end_inset
979
980  and 
981 \begin_inset Formula \( S_{\mathrm{vib}} \)
982 \end_inset
983
984 .
985  See Fig.\InsetSpace ~
986
987 \begin_inset LatexCommand \ref{FigVibStab}
988
989 \end_inset
990
991  for a picture of 
992 \begin_inset Formula \( S_{\mathrm{vib}} \)
993 \end_inset
994
995 .
996  Regions of secular instability are listed in Table\InsetSpace ~
997 1.
998 \end_layout
999
1000 \begin_layout Standard
1001
1002 \begin_inset Float figure
1003 wide false
1004 sideways false
1005 status open
1006
1007 \begin_layout Caption
1008
1009 Vibrational stability equation of state 
1010 \begin_inset Formula \( S_{\mathrm{vib}}(\lg e,\lg \rho ) \)
1011 \end_inset
1012
1013 .
1014  
1015 \begin_inset Formula \( >0 \)
1016 \end_inset
1017
1018  means vibrational stability 
1019 \end_layout
1020
1021 \begin_layout Standard
1022
1023
1024 \begin_inset LatexCommand \label{FigVibStab}
1025
1026 \end_inset
1027
1028
1029 \end_layout
1030
1031 \end_inset
1032
1033 \end_layout
1034
1035 \begin_layout Section
1036
1037 Conclusions
1038 \end_layout
1039
1040 \begin_layout Enumerate
1041
1042 The conditions for the stability of static, radiative layers in gas spheres,
1043  as described by Baker's (
1044 \begin_inset LatexCommand \cite{baker}
1045
1046 \end_inset
1047
1048 ) standard one-zone model, can be expressed as stability equations of state.
1049  These stability equations of state depend only on the local thermodynamic
1050  state of the layer.
1051  
1052 \end_layout
1053
1054 \begin_layout Enumerate
1055
1056 If the constitutive relations -- equations of state and Rosseland mean opacities
1057  -- are specified, the stability equations of state can be evaluated without
1058  specifying properties of the layer.
1059  
1060 \end_layout
1061
1062 \begin_layout Enumerate
1063
1064 For solar composition gas the 
1065 \begin_inset Formula \( \kappa  \)
1066 \end_inset
1067
1068 -mechanism is working in the regions of the ice and dust features in the
1069  opacities, the 
1070 \begin_inset Formula \( \mathrm{H}_{2} \)
1071 \end_inset
1072
1073  dissociation and the combined H, first He ionization zone, as indicated
1074  by vibrational instability.
1075  These regions of instability are much larger in extent and degree of instabilit
1076 y than the second He ionization zone that drives the Cephe\i \"{\i}
1077 d pulsations.
1078  
1079 \end_layout
1080
1081 \begin_layout Acknowledgement
1082
1083 Part of this work was supported by the German 
1084 \emph on
1085 Deut\SpecialChar \-
1086 sche For\SpecialChar \-
1087 schungs\SpecialChar \-
1088 ge\SpecialChar \-
1089 mein\SpecialChar \-
1090 schaft, DFG
1091 \begin_inset ERT
1092 status collapsed
1093
1094 \begin_layout Standard
1095
1096 \backslash
1097 /{}
1098 \end_layout
1099
1100 \end_inset
1101
1102
1103 \emph default
1104  project number Ts\InsetSpace ~
1105 17/2--1.
1106  
1107 \end_layout
1108
1109 \begin_layout Bibliography
1110 \bibitem [1966]{baker}
1111
1112  Baker, N.
1113  1966, in Stellar Evolution, ed.
1114 \begin_inset ERT
1115 status collapsed
1116
1117 \begin_layout Standard
1118
1119 \backslash
1120  
1121 \end_layout
1122
1123 \end_inset
1124
1125 R.
1126  F.
1127  Stein,& A.
1128  G.
1129  W.
1130  Cameron (Plenum, New York) 333
1131 \end_layout
1132
1133 \begin_layout Bibliography
1134 \bibitem [1988]{balluch}
1135
1136  Balluch, M.
1137  1988, A&A, 200, 58
1138 \end_layout
1139
1140 \begin_layout Bibliography
1141 \bibitem [1980]{cox}
1142
1143  Cox, J.
1144  P.
1145  1980, Theory of Stellar Pulsation (Princeton University Press, Princeton)
1146  165
1147 \end_layout
1148
1149 \begin_layout Bibliography
1150 \bibitem [1969]{cox69}
1151
1152  Cox, A.
1153  N.,& Stewart, J.
1154  N.
1155  1969, Academia Nauk, Scientific Information 15, 1
1156 \end_layout
1157
1158 \begin_layout Bibliography
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1161  Mizuno H.
1162  1980, Prog.
1163  Theor.
1164  Phys., 64, 544 
1165 \end_layout
1166
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1168 \bibitem [1987]{tscharnuter}
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1173 \end_layout
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1202  A.
1203  1997, preprint 
1204 \end_layout
1205
1206 \end_body
1207 \end_document