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Dynamics of Jovian and Saturnian Stream Particles

Hsu, Hsiang-Wen

German Title: Die Dynamik der Stromteilchen von Jupiter und Saturn

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Abstract

Stromteilchen sind nanometer-groe Festkörperteilchen, welche mit Geschwindigkeiten > 100 km/s aus dem Jupiter- und Saturnsystem entweichen. Aufgrund ihrer winzigen Gre wird ihre Dynamik durch elektromagnetische Kräfte beherrscht. Die starke Korrelation zwischen dem Stromteilchenflu und der Stärke des interplanetaren Feldes wurde zuerst von den Staubdetektoren der Ulysses- und Galileo-Misionen beocbachtet. Der Staubdetektor CDA der Cassini-Sonde bietet aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit als auch wegen seiner Fähigkeit, die Zusammensetzung der Staubteilchen zu bestimmen, die einzigartige Möglichkeit, daß Stromteilchenphänomen grundsätzlich zu verstehen. Darüber hinaus ist der CDA der einzige Detektor, welcher Stromteilchen von beiden bisher bekannten planetaren Quellen beobachtet hat. Der direkte Vergleich zwischen den Eigenschaften von Stromteilchen verschiedener Herkunft ermglicht einen tiefen Einblick in die Physik der Staub-Magneotsphären-Wechselwirkung. Da die Beobachtungen von Jupiter-Stromteilchen durch die 3 Detektoren einen sehr langen Zeitraum abdecken, kann auerdem die Langzeitentwicklung des Stromteilchenflusses analysiert werden. Diese Arbeit zeigt, daß der von CDA im interplanetaren Raum gemessene Fluß von Jupiter-Stromteilchen einen ähnlichen Trend als der von Galileo gleichzeitig im inneren Jupitersystem gemessene Fluß folgt. Es wird mittels eines auf der UV-Emmision des Io-Torus beruhenden Plasmamodells gezeigt, daß die Aufladungsbedingungen in der Nähe Io's mit der Zunahme der aus Galileo-Daten abgeleiteten Stromteilchenproduktion konsistent ist. Dieses Ergebnis weist auf eine bisher unverstandene komplexe Wechselwirkung zwischen Io, den Staubteilchen und der Magnetosphäre hin. Ein bedeutender Fokus dieser Arbeit sind die durch Cassini entdeckten Saturn-Stromteilchen. Deren dynamische Entwicklung sowohl im interplanetaren Raum als auch innerhalb der Saturn-Magnetosphäre wird detailliert untersucht. Das interplanetare Magnetfeld zeigte während Cassinis Annäherung an den Saturn im Jahre 2004 eine ausgeprägte, mit sogenannten "Corotation Interaction Regions" verbundene 2-Sektor-Struktur. CDA Beobachtungen während dieses Zeitraums zeigten eine deutliche Veränderung der dynamischen Eigenschaften der Stromteilchen, wenn diese aus einer "rarefaction region" in Gebiete komprimierten Sonnenwindes eindrangen. Dies bedeutet, daß das Stromteilchenphänomen auf lokale Wechselwirkungen zwischen dem interplanetaren Magnetfeld und dem Staub zurckzuführen ist. Mittels zeitlich inverser (backward tracing), auf Cassini-Sonnenwindaten beruhender Simulationen wird gezeigt, daß Stromteilchen Größen zwischen 2 und 8 nm und Geschwindigkeiten zwischen 50 und 200 km/s aufweisen. Das neuentwickelte Beschleunigungsmodell, welches Effekte der stochastischen Aufladung berücksichtigt und auf neuesten Cassini-Plasma-daten beruht, reproduziert die aus den zeitlich inversen Simulationen abgeleiteten dynamischen Eigenschaften der Stromteilchen. Dieses Ergebnis ist die Grundlage für die Identifizierung der Stromteilchenquelle im inneren Saturnsystem. In einer Analyse von CDA Massenspektren wird gezeigt, dass die Partikelzusammensetzung in der Quellregion (Wassereis im E ring) sich von der Zusammensetzung der Saturn Stromteilchen unterscheidet, welche eine drastisch erhoehte silikatische Komponente aufweisen. Die stark unterschiedlichen Sputtereffizienzen und Sekundärelektronenergiebigkeiten von Wassereis und Silikaten indizieren, daß das Plasmasputtering nicht die Lebenszeit der E-Ring-Teilchen bestimmt, sondern auch ein materialselektiver Prozeßist, welcher für die beobachtete unterschiedliche Zusammensetzung von Ring- und Stromteilchen verantwortlich ist. Die hohe Sputtereffizienz von Wassereis unterstützt die Annahme, daß Saturn-Stromteilchen die durch Plasmaerosion freigesetzten silikatischen Verunreinigungen in den Wassereisteilchen sind. Abschlieend zeigt diese Arbeit, daß die Radiolyse der Wassereisteilchen eine mögliche Erklärung der beobachteten Verteilung von atomaren und molekularen Sauerstoffionen im Saturnsystem ist.

Translation of abstract (English)

Stream particles are nanometer-sized dust particles ejected with speeds greater than 100km/s from the Jovian and Saturnian system. Due to their tiny size, the dynamics of the charged grains is dominated by electromagnetic forces. The strong correlation between the stream particle flux and the strength of the interplanetary magnetic field (IMF) was observed first by the dust detectors on the Ulysses and Galileo spacecrafts. The Cosmic Dust Analyser (CDA) onboard the Cassini spacecraft offers the unique opportunity achieve a deeper understanding of the stream particle phenomenon due to the detector’s improved sensitivity and its capability to determine the particles' composition. Furthermore, CDA is so far the only detector which observed stream particles from both source planets. The direct comparison between the properties of grains from different source planets provide deep insights into the physics of the dust-magnetosphere interaction. Because the observations of Jovian stream particles by three spacecrafts covers a very long time span, also the long term evolution of the stream particle flux can be studied. This study finds that the Jovian stream flux in the interplanetary space monitored by CDA during Cassinis flyby at Jupiter in 2000 to 2001 follows a similar trend as the stream particle flux in the inner Jovian system simultaneously observed by the Galileo detector. By employing a plasma model based on the observed ultraviolet emission of Io's plasma torus, it is shown that the charging conditions in the vicinity of Io are consistent with the enhancement of the stream particle production rate derived from Galileo measurements. This finding is indicative of a complex dust-moon-magnetosphere interaction, which has not yet been understood. An important focus of this work are the Saturnian stream particles discovered by the Cassini dust detector. The dynamical evolution of the particles in the interplanetary space as well as in Saturn's magnetosphere is investigated in depth. During Cassini's approach to Jupiter in 2004 the interplanetary magnetic field showed a recurrent two-sector structure associated with Corotation Interaction Regions (CIRs). CDA observations during this period clearly show a drastic change of the particles' dynamical properties during their passage from solar wind rarefaction regions into compressed, high magnetic field strength solar wind regions. This implies that the "dust stream" phenomenon stems from "local" stream particle-IMF interactions. By means of backward tracing simulations using Cassini insitu solar wind data it is shown that Saturnian stream particles have sizes ranging between 2 to 8 nm and are escaping from the Saturnian system at speeds between 50 and 200km/s. The newly developed ejection model, which includes stochastic charging and employes the latest Cassini plasma data, matches the dynamical properties derived from backward tracing simulations. This allows us to identify the source region of the particles in the inner Saturnian system. A analysis of CDA mass spectra shows that the grain composition of the source region (water ice in E ring particles) is different from the composition of Saturnian stream particles, which have a drastically enhanced siliceous compound. The pronounced difference between the secondary electron emission yield and the sputtering efficiency of water ice and siliceous material suggests that plasma sputtering not only governs the lifetime of the E ring particles but also provides an compositional selection mechanism responsible for the observed compositional discrepancy between icy E ring grains and Saturnian stream particles. The high sputtering yield of water ice suggest that siliceous impurities released via sputtering from the dynamically evolved E ring particles are the most probable source of Saturnian stream particles. This work also indicates that the radiolysis of icy E ring grains may be responsible for the observed atomic and molecular oxygen ion features in Saturn's magnetosphere.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Trieloff, Dr. (apl) Mario
Date of thesis defense: 30 April 2010
Date Deposited: 31 May 2010 12:09
Date: 2010
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Saturn (Planet), Interplanetarer Staub, Magnetosphäre, Planetarer Ring
Uncontrolled Keywords: Saturn , interplanetary dust , magnetosphere , planetary ring
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