Naslov (eng)

In-situ dust detection using radio antennas of different spacecraft - space observations and modeling: doctoral dissertation : doktorska disertacija

Autor

Racković Babić, Kristina, 1984-

Doprinosi

Onić, Dušan, 1961-
Issautier, Karine, 1982-
Rezeau, Laurence, 1982-
Zeković, Vladimir
Stalevski, Marko
Lami, Erve, 1982-
Mazelle, Christian, 1978-

Opis (eng)

Interplanetary dust grains contain important information about theSolar System. Analyzing these particles is an important aspect of theheliosphere study. Dust impacts have been observed using radio andwave instruments onboard the spacecraft since the 1980s. The interac-tion between the impact-generated plasma cloud and antenna – space-craft system elements generates the characteristic signal waveform.The present work focuses on the detection and interpretation of thedust generated signals from radio instruments onboard various space-craft orbiting at 1 AU.In the first part of the thesis, we aim to develop a model which linksthe observed electric signals to the dust impact properties. We proposea new model which takes into account the effect of impact - ionization- charge collection and electrostatic-influence. Our model provides ananalytical expression for the pulse. It allows us to measure the amountof total ion charge, the fraction of escaping charge, the rise timescale,and the relaxation timescale. The proposed model is simple and conve-nient for large data fitting. To validate the model, we use the Time Do-main Sampler (TDS) subsystem of the STEREO/WAVES instrument,which generates high-cadence time series of voltage pulses for eachmonopole. Since the beginning of the STEREO mission in 2007, wehave collected all the dust events detected by S/WAVES/TDS simul-taneously on all three monopoles at 1 AU. Our study confirms thatthe rise time vastly exceeds the spacecraft’s short timescale of elec-tron collection by the spacecraft. Aside from electron dynamics, wealso obtained interesting results regarding the cloud’s electron tem-perature. The presented model provides an effective tool for analyzingviidust waveforms, and is applicable for different space missions whichinvestigate the distribution of dust particles, e.g., Solar Orbiter andParker Solar Probe.In the second part of the thesis, we focus on the interstellar dust(ISD). Interplanetary and interstellar dust are the two main dust pop-ulations at 1 AU. Our objective is to search for interstellar dust byanalyzing the data sets collected by STEREO and Wind, starting fromthe beginning of the missions. Between 2007 and 2012, while being atthe solar minimum with a solar dipole pointing southward, all threespacecraft recorded ISD flux at 1 AU. However, before and after thatperiod, the disappearance of the interstellar component was noticeable.The observed change of the impact rate suggests that the flux of inter-stellar dust at 1 AU varies with the solar cycle. Each time the magneticdipole field changes its polarity during the solar cycle, small interstel-lar grains experience focusing or defocusing. Consequently, the dustgrains are systematically deflected either towards, or away from thesolar magnetic equator plane by the solar wind magnetic field whichthus affects the dust dynamics and the total interstellar dust flux inthe inner heliosphere. Our study provides the first quantitative de-scription of the time variation of ISD flux at 1 AU

Opis (fra)

Les grains de poussière interplanétaires contiennent des informationsimportantes sur le système solaire. L’analyse de ces particules est unaspect important de l’étude de l’héliosphère. Depuis les années 1980,les impacts de poussières sont observés à l’aide d’instruments radio età ondes embarqués à bord de sondes spatiales. L’interaction entre lenuage de plasma généré par l’impact de poussières et les éléments dusystème antenne-sonde spatiale génère la forme d’onde du signal. Leprésent travail se concentre sur la détection et l’interprétation des ob-servations de poussières à partir d’instruments radio à bord de diverssondes en orbite à 1 AU.Dans la première partie de la thèse, nous avons développé un mod-èle qui lie les signaux électriques observés aux propriétés d’impact despoussières. Nous proposons un nouveau modèle qui prend en compteles effets d’impact - ionisation - collection de charges et d’influenceélectrostatique. Il s’agit d’une expression analytique de l’impulsion.Elle nous permet de mesurer la quantité de la charge ionique totale, lafraction de la charge qui s’échappe, l’échelle du temps de montée etl’échelle du temps de relaxation. Le modèle proposé est simple et pra-tique pour l’ajustement à un grand jeux de données. Pour valider lemodèle, nous utilisons le sous-système Time Domain Sampler (TDS)de l’instrument STEREO/WAVES, qui génère des séries temporellesd’impulsions de la tension à haute cadence pour chaque monopole.Nous avons collecté tous les événements de poussière détectés parS/WAVES/TDS simultanément sur les trois monopoles à 1 AU depuisle début de la mission STEREO en 2007. Notre étude confirme que letemps de montée dépasse largement la courte échelle de temps deixcollecte des électrons par la sonde. Outre la dynamique des électrons,nous avons également obtenu des résultats nouveaux concernant latempérature des électrons du nuage. Le modèle présenté constitue unoutil efficace pour analyser les formes d’onde de la poussière et estapplicable à différentes missions spatiales qui étudient la distributiondes particules de poussière, par exemple sur Solar Orbiter et ParkerSolar Probe.Dans la deuxième partie de la thèse, nous ètudions la poussièreinterstellaire (ISD). La poussière interplanétaire et la poussière inter-stellaire sont les deux principales populations de poussière à 1AU.L’objectif de cette partie est d’analyser les jeux de données pour lapoussière interstellaire collectés par les sondes STEREO et Wind, surune grande échelle de temps, dès le début des missions. Entre 2007 et2012, au moment du minimum solaire avec un dipôle solaire pointantvers le sud, les trois sondes ont enregistré un flux ISD à 1 AU, maisavant et après cette période, la disparition de la composante interstel-laire est notable. La disparition d’impacts suggère que le flux de pous-sière interstellaire observé varie avec le cycle solaire. Lorsque le champdipolaire magnétique a changé de polarité au cours du cycle solaire,les grains interstellaires ont subi une focalisation ou une défocalisa-tion. Par conséquent, les grains de poussière sont systématiquementdéviés vers - ou loin - du plan de l’équateur magnétique solaire, par lechamp magnétique du vent solaire, ce qui affecte la dynamique de lapoussière et le flux total de poussière interstellaire dans l’héliosphèreinterne.

Opis (srp)

Međuplanetarna prašina sadrži važne informacije o Suncevom sistemu.Neposredna posmatranja kosmiˇcke prašine razliˇcitog porekla (od kom-eta, asteroida, planeta, prirodnih satelita, me ¯duzvezdane materije, itd)rutinski se obalja u okviru postoje´cih svemirskih misija koje su opreml-jene odgovarajucim instrumentima. Udari prašine prime´ceni su ko-riš´cenjem radio i instrumenata za detekciju talasa na svemirskim lete-licama još 1980-ih godina. Interakcija izmedju oblaka plazme nasta-log usled udara ˇcestica prašine i elemenata sistema antena–svemirskaletelica, dovodi do pojavljivanja karakteristiˇcnog talasanog oblika usignalu. Ovaj rad se fokusira na otkrivanje i tumaˇcenje takvih talasnihoblika u signalu sa radio instrumenata razliˇcitih svemirskih letelicakoje kruže na udaljenosti od jedne AJ.U prvom delu rada predstvaljen je teorijski model koji objašnjavaproces nastanka pomenutih signala, te nam omogu´cava da procenimofiziˇcka svojstva prašine na osnovu analize detektovanih talasnih oblika.Predlažemo novi model koji uzima u obzir uticaj jonizacije u prikupl-janju naelektrisanja, kao i elektrostatiˇcki uticaj. Kroz ovaj model želimoda pokažemo da svojstva detektovanog signala u velikoj meri zaviseod lokalnog okruženja letelice, kao i od dinamike oblaka jonizovanoggasa nastalog sudarnom jonizacijom. Predloženi model je jednosta-van i pogodan za upotrebu na velikom broju podataka. U svrhu testi-ranja pouzdanosti modela koristimo podsistem Time Domain Sampler(TDS) instrumenta STEREO/WAVES, koji generiše ˇcesto ponavljaju´cevremenske serije naponskih impulsa za svaki monopol. Naše istraži-vanje dalo je zanimljive rezultate u vezi sa temperaturom elektrona uoblaku. Predstavljeni model pruža efikasan alat za analizu talasnih ob-xilika prašine i primenjiv je na podatke sa razliˇcitih svemirskih letelica.Drugi deo teze odnosi se na detekciju i analizu me ¯duzvezdane pra-šine (ISD, eng. interstellar dust). Me ¯duplanetarna prašina i me ¯duzvez-dane prašina predstavljaju dve primarne populacije na udaljenosti od1 AJ. Naš cilj je analiza podataka za me ¯duzvezdanu prašinu kojeprikupljaju STEREO i Wind sateliti, od poˇcetka misija. U periodu od2007. do 2012. godine, kada je zabeležen minimum Sunˇceve aktivnosti,a magnetni dipol orijentisan ka jugu, sve tri letelice detektovale sufluks me ¯duzvezdane prašine na 1 AJ. Me ¯dutim, pre i nakon tog pe-rioda primetan je nestanak me ¯duzvezdane komponente. Kada mag-netno polje promeni polaritet, snop sitnijih zrna me ¯duzvedanih prašinepretrpi svojevrsno fokusiranje ili pak defokusiranje. Shodno tome, kaorezultat dolazi do toga da se zrnca prašine sistematski odguruju ka, ilidalje od ravni Sunˇcevog ekvatora. To umnogome utiˇce na dinamiku iukupan protok me ¯duzvezdane prašine u unutrašnjoj heliosferi. Našeistraživanje pruža prvi kvanitativni prikaz varijacije ISD na 1 AJ tokomvremena, Me ¯duplanetarna prašina sadrži važne informacije o Sunˇcevom sistemu.Neposredna posmatranja kosmiˇcke prašine razliˇcitog porekla (od kom-eta, asteroida, planeta, prirodnih satelita, me ¯duzvezdane materije, itd)rutinski se obalja u okviru postoje´cih svemirskih misija koje su opreml-jene odgovarajucim instrumentima. Udari prašine prime´ceni su ko-riš´cenjem radio i instrumenata za detekciju talasa na svemirskim lete-licama još 1980-ih godina. Interakcija izmedju oblaka plazme nasta-log usled udara ˇcestica prašine i elemenata sistema antena–svemirskaletelica, dovodi do pojavljivanja karakteristiˇcnog talasanog oblika usignalu. Ovaj rad se fokusira na otkrivanje i tumaˇcenje takvih talasnihoblika u signalu sa radio instrumenata razliˇcitih svemirskih letelicakoje kruže na udaljenosti od jedne AJ.U prvom delu rada predstvaljen je teorijski model koji objašnjavaproces nastanka pomenutih signala, te nam omogu´cava da procenimofiziˇcka svojstva prašine na osnovu analize detektovanih talasnih oblika.Predlažemo novi model koji uzima u obzir uticaj jonizacije u prikupl-janju naelektrisanja, kao i elektrostatiˇcki uticaj. Kroz ovaj model želimoda pokažemo da svojstva detektovanog signala u velikoj meri zaviseod lokalnog okruženja letelice, kao i od dinamike oblaka jonizovanoggasa nastalog sudarnom jonizacijom. Predloženi model je jednosta-van i pogodan za upotrebu na velikom broju podataka. U svrhu testi-ranja pouzdanosti modela koristimo podsistem Time Domain Sampler(TDS) instrumenta STEREO/WAVES, koji generiše ˇcesto ponavljaju´cevremenske serije naponskih impulsa za svaki monopol. Naše istraži-vanje dalo je zanimljive rezultate u vezi sa temperaturom elektrona uoblaku. Predstavljeni model pruža efikasan alat za analizu talasnih ob-xilika prašine i primenjiv je na podatke sa razliˇcitih svemirskih letelica.Drugi deo teze odnosi se na detekciju i analizu me ¯duzvezdane pra-šine (ISD, eng. interstellar dust). Me ¯duplanetarna prašina i me ¯duzvez-dane prašina predstavljaju dve primarne populacije na udaljenosti od1 AJ. Naš cilj je analiza podataka za me ¯duzvezdanu prašinu kojeprikupljaju STEREO i Wind sateliti, od poˇcetka misija. U periodu od2007. do 2012. godine, kada je zabeležen minimum Sunˇceve aktivnosti,a magnetni dipol orijentisan ka jugu, sve tri letelice detektovale sufluks me ¯duzvezdane prašine na 1 AJ. Me ¯dutim, pre i nakon tog pe-rioda primetan je nestanak me ¯duzvezdane komponente. Kada mag-netno polje promeni polaritet, snop sitnijih zrna me ¯duzvedanih prašinepretrpi svojevrsno fokusiranje ili pak defokusiranje. Shodno tome, kaorezultat dolazi do toga da se zrnca prašine sistematski odguruju ka, ilidalje od ravni Sunˇcevog ekvatora. To umnogome utiˇce na dinamiku iukupan protok me ¯duzvezdane prašine u unutrašnjoj heliosferi. Našeistraživanje pruža prvi kvanitativni prikaz varijacije ISD na 1 AJ tokomvremena

Opis (srp)

Astronomy and Astrophysics - Physics of Heliosphere / Astronomy et Astrophysique - Phisique des Heliosphere / Astronomije i Astrofizika- Fizika heliosfere Datum odbrane: 07.12.2022.

Jezik

srpski

Datum

2022

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode

Predmet

heliosphère , grains de poussières , poussières interplan- etaires, modèle, poussières interstellaires , analyse

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Sunčev sistem

heliosfera, čestice prašine, međuplanetarna prašina, modelovanje, međuzvezdana prašina, analiza

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Sunčev sistem

heliosphere, dust grains, interplanetary dust, modeling, interstellar dust, analyze