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Analysis of the interaction of planetary plasma and dust with the magnetic field

Subject Area Geophysics
Term from 2010 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 169824628
 
Final Report Year 2015

Final Report Abstract

Staub im Korngrößenbereich von Nanometern bis Mikrometern ist in planetaren Magnetosphären zwar weit verbreitet, hat aber in vielen Fällen keine signifikante Wirkung auf das planetare Plasma. In der Magnetosphare des Saturn jedoch ist Staub sehr markant und bestimmt die Eigenschaften der Umgebung des Planeten in erheblichem Maße. Die Saturn-Ringe enthalten beträchtliche Staubmengen. Besonders auffällig ist dabei der E-Ring. Eine der spektakulören Entdeckungen der Cassini-Mission war das Auffinden der Staubquelle dieses Ringes. Am Südpol des Mondes Enceladus versprühen Geysire Gas und Eispartikel, die dort eine Wolke bilden, die Plume genannt wird, und überdies den E-Ring kontinuierlich auffüllen. Dieser Plume wurde zwischen 2005 und 2013 in 20 Cassini-Vorbeiflügen intensiv untersucht. Allerdings erwiesen sich Nanopartikel als Hauptbestandteile des Staubes, die vom Cosmic-Dust-Analyzer (CDA) an Bord von Cassini nur unzureichend registriert werden können. Nur durch den Fußabdruck des Staubes im magnetosphärischen Plasma konnten im Rahmen des Projektes die wesentlichen Staubeigenschaften aufgeklärt werden. Als zentrales Forschungsergebnis wird ein komplexes Staub-Plasma-Modell entwickelt, das die Korngrößenverteilung, die elektrische Aufladung der Staubkörner, ihre Einbindung in das magnetosphärische Saturn-Plasma und ihren Transport in der Saturn-Magnetosphare umfasst. Die Korngrößenverteilung konnte durch den Staubdetektor CDA nur im Mikrometerbereich analysiert werden, und das Cassini-Plasma-Spectrometer (CAPS) gab für geladene Staubpartikel Hinweise auf die Form der Verteilung im Bereich von 0,5 nm bis 2 nm. Die Hauptkomponente des Staubes befindet sich jedoch im Bereich von 1 nm bis etwa 100 nm. Die Staubgrößenverteilung konnte über den gesamten Nanometerbereich modelliert werden. Das wahrscheinliche Verteilungsmaximum liegt bei 2 nm, wodurch über 99% der Staubkörner kleiner als 10 nm sind. Für die räumliche Verteilung des Staubes zeichnet zum einen die Verteilung der Geysirquellen am Enceladus-Südpol verantwortlich, zum andern ist aber zu einem ganz erheblichen Teil die Wirkung der Gravitations-, Trägheits- und Lorentz-Kräfte ausschlaggebend. Nanoteilchen werden bevorzugt durch die Lorentz-Kraft beeinflusst, während Mikrometerteilchen starker der Gravitation von Saturn und Enceladus sowie den Trägheitskräften unterliegen. Als Resultat der Lorentz-Kraft bildet sich ein filamentierter Staubschweif aus. Mit dem entwickelten Modell konnen die Plasmadaten und der Einfluss des Staubes auf diese gut interpretiert werden. Vermöge dieses Modells sind die Cassini-Plasma-Instrumente, insbesondere das Magnetometer, auch als Staubdetektoren nutzbar. Einen Fußabdruck in den Plasmaparametern kann nur elektrisch geladener Staub hinterlassen. Durch die Korrelation von geladenem und ungeladenem Staub in Verbindung mit einem ebenfalls im Projekt entwickelten stochastischen Ladungsmodell und dem Abgleich mit den CAPS-Daten kann sogar der Anteil des ungeladenen Staubes abgeschätzt werden. Seine Dichte erweist sich geringer als die des geladenen Staubes. Sie liegt deutlich unterhalb von 20% der totalen Staubmenge.

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