Rovnice vedení tepla ve fyzice planetek a meteoroidů

Abstract

Negravitační síly, které jsou způsobeny tepelnou emisí fotonů, mohou v dlouhodobém měřítku do značné míry změnit oběžné dráhy a rotaci asteroidů. K vyčíslení těchto sil je nutno vyřešit rovnici vedení tepla v asteroidu. Vytvořili jsme program v jazyce Fortran, který numericky řeší rovnici vedení tepla pomocí metod konečných diferencí a počítá rozložení teploty v systému jednorozměrných tyčí, kterými modelujeme asteroid. Metody jsou porovnávány z hlediska konvergence, přesnosti a výpočetní náročnosti. Výsledky jsou srovnány se zjednodušeným stacionárním analytickým řešením. Z numerických výsledků jsme spočetli negravitační zrychlení a související změnu velké poloosy. Ukázali jsme, že metody konvergují s nárůstem hustoty sítě a vybrali jsme nejlepší metodu. Ukázali jsme, že analytické řešení dává dobrý první odhad amplitudy teploty. Změna velké poloosy testovaných asteroidů, způsobená negravitačními silami, je v řádové shodě s přesnějšími modely a s~pozorovanými hodnotami.

Non-gravitational forces caused by thermal emission of photons can significantly change orbits and spin states of asteroids in the long term. A solution of the Heat Conduction Equation (HCE) in an asteroid is necessary to evaluate the forces. Finite Difference Methods (FDMs) are implemented in a Fortran numerical HCE solver to calculate a temperature distribution within a system of 1-dimensional slabs which approximate the asteroid. We compare the methods w.r.t. convergence, accuracy and computational efficiency. The numerical results are compared with a simplified steady-state analytical solution. We calculate the non-gravitational accelerations and resulting semimajor axis drift from the numerical results. The implemented FDMs are shown to be convergent with denser grids and the best method has been selected. The analytical solution provides a good first-guess estimate of the temperature amplitude. The drift in semimajor axis of the tested asteroids, which is due to the non-gravitational forces, is in order-of-magnitude agreement with more accurate models and observational data.