Global modeling of comets: Nucleus, neutral and ionized coma of comets 67P/Churyumov-Gerasimenko and 46P/Wirtanen. Preparations for the Rosetta Radio Science Investigations.

Oertzen, Jörg von (2003). Global modeling of comets: Nucleus, neutral and ionized coma of comets 67P/Churyumov-Gerasimenko and 46P/Wirtanen. Preparations for the Rosetta Radio Science Investigations. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Models of the thermal behavior of a cometary nucleus, the evolution of the neutral gas coma, the ionized cometary coma and of the interaction of the cometary plasma with the solar wind are studied in this work. The general aim is to develop a global model of the comet and its environment in order to characterize the physical conditions around comets 67P/Churyumov-Gerasimenko and 46P/Wirtanen with respect to the heliocentric distance. The results also provide estimates of the effects of the cometary environment on the radio science investigations experiment (RSI) aboard the spacecraft Rosetta. After the launch that is scheduled for February 2004, the Rosetta mission is planned to encounter comet 67P/Churyumov-Gerasimenko and accompany it on its orbit. Comet 46P/Wirtanen has been the original target comet, but serves now as back-up target due to the postponement of the Rosetta launch in January 2003. The model of the heat diffusion within the cometary nucleus is one-dimensional. A grid of one-dimensional models is distributed over the nucleus in order to determine the temperature distribution and the sublimation characteristics of the comet on the whole surface of the comet. A heat balance equation is applied as boundary condition on the surface. Many parameters that have to be accounted for in a heat diffusion model are not precisely known to date. The variation of these parameters within reasonable limits yields a wide range of possible results. The heat diffusion within the cometary nucleus is derived from an energy conservation equation that includes heat conduction through the porous cometary material and heat convection due to the transport of latent heat by the gas phase within the nucleus. Model results are evaluated by a comparison of modeled and observed global gas production rates. Exemplary maps of the local temperature distribution and local sublimation rates at particular heliocentric distances are also provided. The neutral gas coma of the comet is modeled with a hydrodynamic approximation. This method is justified within a collision dominated regime. Due to the expected weak gas production of a comet at large heliocentric distances, this hydrodynamic regime might be small and might not enclose the whole nucleus. When the comet approaches the sun and the gas production increases, the hydrodynamic regime extends to cometocentric distances of several hundred or thousand kilometer. The gas mass flux within the coma perturbs an orbiting spacecraft. The acceleration of the spacecraft due to the gas mass flux is evaluated with the model results. The resulting change in velocity can be measured as a Doppler shift of the recorded frequency of the carrier signal. Case studies at several heliocentric distances are carried out. It turns out that even at heliocentric distances of ~3 AU the drag force of the gas can become strong enough to perturb the measurements of the second order gravity coefficients, which is a primary science objective of RSI. The ionized coma of a comet can also have an effect on the carrier signal. Changes of the electron content in the line of sight between spacecraft and observer at earth are in principle observable. A one-dimensional model of the plasma density at the comet-sun axis is developed. The assumption of photochemical equilibrium is not necessarily justified within the coma of weak outgassing comets. The continuity equation of the plasma density has to be solved without this simplifying assumption. A model of the electron temperature profile is also generated. The transition from a regime where electrons are effectively cooled to a region with temperatures of the electron fluid similar to solar wind levels is assumed to set in at the position of the thermal electron collisionopause. The plasma densities obtained from the ionospheric model indicate only minor effects on the carrier signal. The interaction of the cometary plasma with the solar wind is also studied. The respective standoff distances of the bow shock, the cavity surface and the collisionopause of comets 67P/Churyumov-Gerasimenko and 46P/Wirtanen are determined with respect to the heliocentric distance. The variation of the solar wind parameters with heliocentric distance is accounted for. Effects of transient solar events, such as solar flares or coronal mass ejections, are discussed. It can be concluded that the plasma environment of comets 67P/Churyumov-Gerasimenko and 46P/Wirtanen and their interaction with the solar wind will have only a minor effect on the carrier signal. Special scenarios might be needed in order to locate plasma boundaries within the cometary environment with RSI.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Globale Kometensimulationen: Kometenkern, Neutralgas und ionisierte Koma der Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko und 46P/Wirtanen. In Vorbereitung des Radiosondierungs-Experimentes auf Rosetta.	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Das thermische Verhalten eines Kometenkernes, die Entstehung und Entwicklung der Neutralgasumgebung (der so genannten kometaren Koma), der Plasmaumgebung des Kometen, sowie seine Interaktion mit dem Sonnenwind werden in dieser Arbeit studiert. Das Ziel ist es, ein umfassendes Modell eines Kometen und seiner Umgebung zu entwickeln. Mit diesem Modell lassen sich dann physikalische Parameter in der Kometenumgebung und deren Entwicklung in Abhängigkeit vom heliozentrischen Abstand der Kometen 46P/Wirtanen und 67P/Churyumov-Gerasimenko bestimmen. Insbesondere soll untersucht werden, welche Effekte die Kometenumgebung auf das Radiosondierungs-Experiment (RSI) auf der Raumsonde Rosetta haben wird. Die Mission Rosetta soll im Februar 2004 gestartet werden und etwa 10 Jahre später den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko bei einem Abstand von ca. 4 Astronomischen Einheiten erreichen, und ihn dann auf seiner Bahn begleiten. Die hier entwickelten Modelle beziehen sich im Allgemeinen auf beide möglichen Ziel-Kometen, da diese sich in vielen Dingen ähnlich sind, wie zum Beispiel Orbitparameter, Größenordnung des Kometenkerns und Zusammensetzung. Im Einzelnen werden die Unterschiede in der Diskussion der Ergebnisse ausgearbeitet. Die Wärmediffusion im Kometenkern wird hier mit einem eindimensionalen Modell beschrieben. Die physikalischen Bedingungen an der Oberfläche werden durch ein Energiegleichgewicht beschrieben und gehen als Randbedingung in die Modellrechnungen ein. Viele der in den Modellen zu berücksichtigenden Parameter sind derzeit nur ungenau bekannt. Diese nicht zu vermeidende Ungenauigkeit spiegelt sich in der Variationsbreite der Ergebnisse wieder. Die Wärmediffusion im Kometenkern wird mit einer Energie-Erhaltungsgleichung beschrieben. Diese beinhaltet Wärmeleitung durch das poröse Kometenmaterial und Wärmetransport in Form von latenter Wärme durch den Fluss von Gas innerhalb des Kometenkerns. Die Anwendbarkeit der einzelnen Modellstudien lässt sich zurzeit wohl am Besten überprüfen, indem man die Gasproduktionsrate mit beobachteten Daten vergleicht. Die Ergebnisse der Modelle beinhalten auch Karten der Oberfläche des Kometenkerns mit der Temperaturverteilung oder der Verteilung der lokalen Gasproduktionsrate an bestimmten heliozentrischen Abständen. Das Neutralgas in der kometaren Koma wird mit den Methoden der Hydrodynamik beschrieben. Dieses Vorgehen ist gerechtfertigt, wenn das Verhalten des Neutralgases in der Koma durch Teilchenstöße dominiert ist. Dieses stoßdominierte Regime kann je nach Gasproduktionsverhalten des Kometen sehr unterschiedlich ausgedehnt sein. Bei heliozentrischen Abständen von mehr als ~2.5 AE und einem Gasproduktionsverhalten, wie es für die beiden Ziel-Kometen abgeschätzt wird, wird das hydrodynamische Regime den Kometenkern möglicherweise nicht vollständig umschließen. Bei kleineren Abständen von der Sonne dehnt sich der Bereich voraussichtlich über mehrere hundert bis tausend Kilometer um den Kometen aus. Der Massenfluss des expandierenden Staub-Gas-Gemisches wird die Bahn eines Raumfahrzeuges in der Umgebung des Kometen stören. Die Beschleunigung, die ein Raumfahrzeug aufgrund des Gas-Massenflusses erfährt, wird mit den Modellergebnissen abgeschätzt. Es ergibt sich, dass die Beschleunigung von Rosetta durch den Gasfluss selbst bei ~3 AE noch so groß sein kann, dass die mit dem RSI-Experiment geplanten Messungen der Koeffizienten des Gravitationspotentials des Kometenkernes gestört werden können. Der ionisierte Anteil der Kometenumgebung kann auch mit dem RSI-Experiment untersucht werden. Die Änderungen und der Absolutwert des Elektroneninhaltes in der Sichtlinie zwischen Rosetta und dem Beobachter auf der Erde sind die entsprechenden Messgrößen. Die Dichte des kometaren Plasmas wird mit einem eindimensionalen Modell abgeschätzt. Dieses Modell bezieht sich auf die Achse Komet-Sonne und entspricht in etwa der Beobachtungsrichtung in der Hauptmissionsphase der Rosetta Mission. Das Temperaturprofil der Elektronen entlang der Achse Komet-Sonne wird in dem Zusammenhang ebenfalls mit einigen Annahmen abgeschätzt. Die sich ergebenden Plasma- und Elektronendichten lassen einen nur geringen Effekt der ionisierten Koma auf das Radioträgersignal erwarten. Abschließend wird noch die Wechselwirkung des Kometen mit dem Sonnenwind untersucht. Dabei werden die Abstände der Bugstoßwelle, der Ionopause (bzw. Grenzfläche der magnetischen Kavität) und der Abstand des Überganges vom stoßfreien Sonnenwindregime zu der von Stößen mit dem Neutralgas dominierten Kometenumgebung bestimmt. Diese Abstände werden in Abhängigkeit vom jeweiligen heliozentrischen Abstand für beide Kometen berechnet. Dabei wird auch die Variation der Parameter des Sonnenwindes und des interplanetaren Magnetfeldes mit dem Abstand von der Sonne berücksichtigt. Es ergibt sich, dass nur mit geringfügigen Effekten auf das Radioträgersignal von Rosetta zu rechnen ist.

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