English Title: Dynamics of dust grains in Saturn's E ring

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Abstract

In dieser Arbeit wird die dynamische Entwicklung von Staubteilchen in der äußeren Magne- tosphäre des Saturns, den E–Ring, analysiert. Dabei wird ein dynamischen Model benutzt, welches sowohl die Gravitation des Saturns und seiner größeren Monde berücksichtigt, als auch der Einfluss des umgebenden Plasmas durch Plasmareibung, Sputtering und Aufladung des Teilchens, der Einfluss des rotierenden Magnetfelds und der Strahlungsdruck der Sonne. Die Ladung des Teilchens wird durch zeitlich variierende Ladungsflüsse beschrieben. In die- sem Modell gibt es Materialparameter die durch den Vergleich mit den gemessenen Staubteil- chenpotentiale durch den Staubanalysator CDA der Cassini-Sonde bestimmt wurden. Messungen der Cassini-Sonde fanden ebenfalls heraus, dass der Südpol des Eismondes Ence- ladus geologisch aktiv ist. Diese Staubfontänen sind die Hauptquelle der Teilchen des E–Rings. Aus Simulationen von Staubteilchen, die an der Oberfläche des Eismondes an den detektier- ten Staubfontänen gestartet werden, kann die minimale Startgeschwindigkeit der Teilchen be- stimmt werden, um ein E–Ring–Teilchen zu werden. Die Startgeschwindigkeit der Teilchen steht in direkten Zusammenhang mit der Ringdicke in der Umgebung des Quellmondes. Die durch diese Simulationen bestimmte Ringdicke von 4000km stimmt sehr gut mit der gemesse- nen Ringdicke des Staubdetektors überein. Die Langzeitsimulationen der Dynamik der Staubteilchen zeigen, dass Staubteilchen die am Enceladus gestartet wurden den E–Ring bevölkern können. Dabei ist die dynamische Entwick- lung der Teilchen stark von dem Potentialverlauf abhängig. Anhand der Langzeitsimulationen von tausenden individuellen Teilchen kann ein globales Model des E–Rings aufgestellt wer- den. Aus diesem Modell kann eine Einschlagsrate auf ein In–situ Instrument abgeleitet werden.

Translation of abstract (English)

This thesis covers the dynamical evolution of dust in the outer Saturnian magnetosphere, the region of the large E ring. For the dynamical evolution a model is used, which considers the gravitation of Saturn, including the quadrupolmomentum due to Saturn’s oblateness, the gravi- tation of Saturn’s large moons embedded in the E ring, the influence of the surrounding plasma as charging of the grains and sputtering, the Lorenz force due to Saturn’s rotating magnetic field, and the radiation pressure caused by the sun. In this model, the charge of the grain is characterised by time depended charge currents. The material parameters are derived from the comparison with measurements of the grain potential by the dust analyser onboard the spacecraft Cassini. Further measurements done by various scientific instruments of Cassini discover a geologic active south pole on the icy moon Enceladus. This dust plumes are determined as the main source of fresh E ring particle. Dynamical simulations of dust grains launched at the position of the detected plumes determined the minimal ejection speed of the particles necessary to be- come ring particles. The ejection speed is directly related to the ring thickness near Enceladus’ orbit. Long time evolution of dust dynamic showed, that dust particles launched from Enceladus populate the E ring. Thereby the dynamical dynamical evolution is strongly affected by the radial dependence of the potential. A global model of the E ring could derived from the time evolution of thousands of individual particles. This model is used to predict impact rates of an in situ detector flying through the E ring.