Our Solar system contains a large amount of dust, containing valuable
information about our close cosmic environment. If created in a planet's system,
the particles stay predominantly in its vicinity and can form extended dust
envelopes, tori or rings around them. A fascinating example of these complexes
are Saturnian rings containing a wide range of particles sizes from house-size
objects in the main rings up to micron-sized grains constituting the E ring.
Other example are ring systems in general, containing a large fraction of dust
or also the putative dust-tori surrounding the planet Mars. The dynamical
life'' of such circumplanetary dust populations is the main subject of our
study.
In this thesis a general model of creation, dynamics and death'' of
circumplanetary dust is developed. Endogenic and exogenic processes creating
dust at atmosphereless bodies are presented. Then, we describe the main forces
influencing the particle dynamics and study dynamical responses induced by
stochastic fluctuations. In order to estimate the properties of steady-state
population of considered dust complex, the grain mean lifetime as a result of a
balance of dust creation, life'' and loss mechanisms is determined. The latter
strongly depends on the surrounding environment, the particle properties and its
dynamical history. The presented model can be readily applied to study any
circumplanetary dust complex.
As an example we study dynamics of two dust populations in the Solar system.
First we explore the dynamics of particles, ejected from Martian moon Deimos by
impacts of micrometeoroids, which should form a putative tori along the orbit of
the moon. The long-term influence of indirect component of radiation pressure,
the Poynting-Robertson drag gives rise in significant change of torus geometry.
Furthermore, the action of radiation pressure on rotating non-spherical dust
particles results in stochastic dispersion of initially confined ensemble of
particles, which causes decrease of particle number densities and corresponding
optical depth of the torus.
Second, we investigate the dust dynamics in the vicinity of Saturnian moon
Enceladus. During three flybys of the Cassini spacecraft with Enceladus, the
on-board dust detector registered a micron-sized dust population around the
moon. Surprisingly, the peak of the measured impact rate occurred 1 minute
before the closest approach of the spacecraft to the moon. This asymmetry of the
measured rate can be associated with locally enhanced dust production near
Enceladus south pole. Other Cassini instruments also detected evidence of
geophysical activity in the south polar region of the moon: high surface
temperature and extended plumes of gas and dust leaving the surface. Comparison
of our results with this in situ measurements reveals that the south polar
ejecta may provide the dominant source of particles sustaining the Saturn's E
ring. / In unserem Sonnensystem befindet sich eine große Menge an Staub, der viele Informationen über unseren Kosmos enthält. Wird der Staub im System um den Planeten gebildet, bleibt er vorwiegend in dessen Nähe und bildet Staubhüllen, -tori oder -ringe um ihn. Ein faszinierendes Beispiel eines solchen Komplexes sind die Saturnringe, in denen von mikrometergroßen Partikeln bis zu hausgroßen Körpern alle Partikelgrößen vertreten sind. Weitere Beispiele sind Ringsysteme im Allgemeinen, sowie der vermutete Staubring um Mars. Das dynamische Verhalten einer solchen Staubpopulation ist Hauptthema dieser Dissertation.
In dieser Arbeit wurde ein allgemeines Modell zur Erzeugung, Dynamik und Vernichtung von planetarem Staub entwickelt. Endogene und exogene Mechanismen zur Produktion von Staub an atmosphärenlosen Körpern werden vorgestellt. Desweiteren werden die wichtigsten Kräfte welche die Teilchendynamik beeinflussen, sowie die Auswirkung von stochastischen Fluktuationen untersucht. Die Lebenszeiten der Staubkörner als Bilanz zwischen Staubproduktion und -vernichtung werden bestimmt, um den stationären Zustand der Staubkonfiguration abzuschätzen. Die Lebenszeit des Staubes hängt stark von den Eigenschaften der Umgebung und der Teilchen sowie von deren dynamischer Vergangenheit ab. Das vorgestellte Modell kann auf alle planetaren Systeme angewandt werden.
Als Beispiel wurden zwei Staubpopulationen in unserem Sonnensystem studiert. Zuerst wurde die Dynamik des Staubes untersucht, welcher durch Mikrometeorideneinschläge auf dem Marsmond Deimos produziert wird und die vermuteten Marstori erzeugt. Der Poynting-Robertson-Effekt, als indirekter Einfluss des Strahlungsdruckes, bewirkt eine signifikante Langzeitänderung der Torusgeometrie. Desweiteren verursacht der Strahlungsdruck eine stochastische Dispersion des nichtsphärischen Staubteilchenensembles, was eine Verringerung der Teilchenzahldichten beziehungsweise der entsprechenden optischen Tiefen im Torus bewirkt.
Weiterhin wurde die Staubdynamik in der Umgebung des Saturnmondes Enceladus untersucht. Während des Vorbeifluges der Raumsonde Cassini registrierte der Staubdetektor eine Staubpopulation von mikrometergroßen Teilchen um den Mond. Überraschenderweise wurde die maximal registrierte Staubrate eine Minute vor der größten Annäherung an den Mond gemessen. Diese Asymmetrie der Messung kann, wie in dieser Arbeit demonstriert, mit einer lokalen Staubquelle am Südpol des Mondes erklärt werden. Andere Instrumente der Cassini - Sonde belegen die geophysikalische Aktivität der Südpolregion des Mondes in Form einer erhöhten Oberflächentemperatur und Fontänen von Gas und Staub an der Südpolumgebung. Der Vergleich der numerischen Simulationen mit den in - situ - Messungen zeigt, dass die Südpolquelle die voraussichtlich wichtigste Quelle von E-Ringteilchen ist.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:1440 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Makuch, Martin |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Physik und Astronomie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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