A new view on the composition of dust in the solar system [Elektronische Ressource] : results from the Cassini dust detector / presented by Frank Postberg

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDiplom Physiker Frank PostbergBorn in Frankfurt (Main), GermanyOral examination: December 19th, 2007A New View on theComposition of Dust in the Solar System:Results from the Cassini Dust DetectorReferees: Prof. Dr. Eberhard Grun¨Priv. Doz. Dr. Mario TrieloffZusammenfassung.Gegenstand der Arbeit ist die Auswertung und Interpretation von Flugzeit Massenspektren derKationen, die aus dem Einschlagsplasma von Hochgeschwindigkeitseinschlagen¨ auf den Staub Detektor der Raumsonde Cassini extrahiert werden. Die Zusammensetzung sechs verschiedenerStaubarten wird abgeleitet.Bereits auf dem Weg ins außere¨ Sonnensystem erhielt man Spektren eisenreichen interplanetarenStaubes. Weiterhin wurden zwei Arten extrem schneller Staubstrome,¨ die dem Jupiter- bzw. demSaturnsystem entspringen, detektiert. Fur¨ die Jupiterstrome¨ wird Natriumchlorid, neben schwefel und kaliumhaltigen Komponenten, als Hauptbestandteil identifiziert. Dies belegt den vulkanischaktiven Jupitermond Io als Quelle fur¨ den Großteil der beobachteten Jupiter Stromteilchen. AlsEntstehungsmechanismus wird die Kondensation von Alkalisalzen aus Gasen vulkanischer Aus wurffontanen¨ vom Pele Typ vorgeschlagen. Die Quellregion der Saturn–Stromteilchen ist dasRingsystem des Planeten.
Publié le : mardi 1 janvier 2008
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Diplom Physiker Frank Postberg
Born in Frankfurt (Main), Germany
Oral examination: December 19th, 2007A New View on the
Composition of Dust in the Solar System:
Results from the Cassini Dust Detector
Referees: Prof. Dr. Eberhard Grun¨
Priv. Doz. Dr. Mario TrieloffZusammenfassung.
Gegenstand der Arbeit ist die Auswertung und Interpretation von Flugzeit Massenspektren der
Kationen, die aus dem Einschlagsplasma von Hochgeschwindigkeitseinschlagen¨ auf den Staub
Detektor der Raumsonde Cassini extrahiert werden. Die Zusammensetzung sechs verschiedener
Staubarten wird abgeleitet.
Bereits auf dem Weg ins außere¨ Sonnensystem erhielt man Spektren eisenreichen interplanetaren
Staubes. Weiterhin wurden zwei Arten extrem schneller Staubstrome,¨ die dem Jupiter- bzw. dem
Saturnsystem entspringen, detektiert. Fur¨ die Jupiterstrome¨ wird Natriumchlorid, neben schwefel
und kaliumhaltigen Komponenten, als Hauptbestandteil identifiziert. Dies belegt den vulkanisch
aktiven Jupitermond Io als Quelle fur¨ den Großteil der beobachteten Jupiter Stromteilchen. Als
Entstehungsmechanismus wird die Kondensation von Alkalisalzen aus Gasen vulkanischer Aus
wurffontanen¨ vom Pele Typ vorgeschlagen. Die Quellregion der Saturn–Stromteilchen ist das
Ringsystem des Planeten. Silizium wird als Hauptbestandteil identifiziert. Dies weist darauf hin,
¨dass der winzige Staub wahrscheinlich Uberrest einst großerer¨ Eispartikel ist, welche den außeren¨
dunnen¨ Ring Saturns - den E Ring - bevolk¨ ern.
Nach Cassinis Einschwenken in den Saturnorbit wurden bei Durchquerungen des E Ringes drei
weitere spektrale Typen identifiziert, die mit verschiedenen Staubpopulationen assoziiert werden.
Der Hauptbestandteil von Typ I und Typ II Teilchen ist Wassereis, w ahrend¨ Typ III Staub eine
mineralische Zusammensetzung aufweist. Im Gegensatz zu Typ I Spektren, die reine Wassereis
kristalle nahe legen, weisen Typ II Spektren auf organische Komponenten und/oder silikatische
Mineralien als Verunreinigungen in den Teilchen hin. Dies enthullt¨ die Eisvulkane des Mondes
Enceladus als Quelle fur¨ Typ II Teilchen, was eine dynamischen Wechselwirkung von Enceladus’
Gesteinskern mit flussigem¨ Wasser nahe legt. Der wasserfreie Typ III Staub weist eine eisenrei
che Zusammensetzung, vermutlich in der Form von Pyrit, Oxiden und/oder Hydroxiden, auf. Eine
magnesiumreiche silikatische Unterart ist wahrscheinlich. Retrograde oder ungebundene Teilchen
¨bahnen ergeben die beste Ubereinstimmung mit den Typ III Beobachtungen.
Abstract.
In this work the time of flight mass spectra of cations, extracted from the plasma created by high
velocity particle impacts onto the Cassini dust detector, are evaluated. The composition of six
different dust species is inferred.
During Cassini’s cruise, spectra of iron rich interplanetary dust were obtained. Subsequently two
fast hypervelocity stream particle species, originating from the Jovian and Saturnian systems were
detected. For the Jovian streams sodium chloride (NaCl) was identified as the major particle con
stituent, accompanied by sulfurous as well as potassium bearing components. This implies that
the vast majority of the observed Jovian stream particles originate from the volcanically active Jo
vian satellite Io. An alkali salt condensation of gases inside Pele type volcanic plumes is proposed
as the source mechanism. For the Saturnian stream species the source region is the planet’s ring
system. Silicon is identified as the main particle component, indicating that the tiny particles are
probably remnants of once larger icy particles populating the outermost tenuous Saturnian ring,
the E ring.
Following Cassini’s Saturn orbit insertion, three further spectral types have been discovered (dur-
ing crossings of the E ring), associated with different particle populations. The bulk material of
Type I and Type II particles is water ice. In contrast Type III dust exhibits a mineral composition.
Type I spectra imply pure water ice particles, whereas in Type II spectra organic compounds and/or
silicate minerals are identified as impurities within the icy particles. This reveals the cryo volcanic
plumes of the moon Enceladus as the origin of Type II particles, which implies a dynamic interac
tion of Enceladus’ rocky core with liquid water. The non water Type III dust species exhibits an
iron rich composition, probably in the form of pyrite, oxides and/or hydroxides. A magnesium
rich siliceous subspecies is likely. Retrograde or unbound orbits are in best agreement with the
Type III observations.ii
Preface
The work presented in this thesis was performed at the Max Planck Institut fur¨ Kern
¨physik under the supervision of Prof. Dr. Grun and Dr. Sascha Kempf.
Several chapters of the thesis are based on publications which have been published in
refereed journals during the course of this work. In each of these publications the author
of the thesis has significantly contributed either as leading author or coauthor. Most of the
figures are taken from these original publications. However, the text has been thoroughly
revised and adapted to recent findings.
In the following the publications and the respective chapters in this thesis are itemised:
† Chapter 3
Hillier, J. K., Green, S. F., McBride, N., Postberg, F., Altobelli, N., Kempf, S.,
Schwanethal, J. P., Srama, R., McDonnel, J. A. M., and E. Grun,¨ 2007
Interplanetary dust detected by the Cassini CDA Chemical Analyser
Icarus, vol. 190, p. 643–654.
† Chapter 4
Postberg, F., Kempf, S., Srama, R., Green, S. F., Hillier, J. K., McBride, N., and E.
Grun,¨ 2006
Composition of jovian dust stream particles
Icarus, vol. 183, p. 122–134.
† Chapter 5
Kempf, S., Srama, R., Postberg, F., Burton, M., Green, S. F., Helfert, S., Hillier,
J. K., McBride, N., McDonnell, J. A. M., Moragas Klostermeyer, G., Roy, M., and
E. Grun,¨ 2005
Composition of Saturnian Stream Particles
Science, vol. 307, p. 1274–127.
† Chapter 6 (except sections 6.1.7 and 6.2.3)
Postberg, F., Hillier, J. K., Kempf, S., Srama, R., Green, S. F., McBride, N. and E.
Grun,¨ 2007
The E ring in the vicinity of Enceladus II: Probing the moon’s interior - the com
position of E ring particles
Icarus, in press.
It has to be pointed out that this thesis also contains many yet unpublished results. This
applies particularly to the target contamination analysis (chapter 2.3 and appendix B) and
the analysis of the E ring Type III population (chapters 6.1.7 and 6.2.3).iii
If not noted otherwise the photographs displayed in this thesis are taken from the official
NASA/JPL homepage (http://photojournal.jpl.nasa.gov/index.html).iv
Contents
1 Introduction 1
1.1 The Cassini Huygens Mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 The Jovian System as a Dust Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Dust at Saturn: The E Ring, Ice Volcanoes, and Streams . . . . . . . . . . 9
2 Instrument and Data 15
2.1 The Cosmic Dust Analyser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Datasets and Spectra Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1 Jovian Stream Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Saturnian Stream Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3 Particles in Saturn’s E ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Target Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Initial State of the Rhodium Target Plate . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 TOF SIMS Analysis of the Rhodium Target Plate . . . . . . . . . 26
2.3.3 Contamination Signatures in CDA Laboratory Spectra . . . . . . 33
2.3.4 CDA Operating in Space . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Interplanetary Particles in Cassini’s Early Cruise Phase 47
3.1 Spectra Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Composition of Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Particle Velocities and Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Jovian Stream Particles 51
4.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.1 Identification of Ion Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.2 of Particle Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.1 Composition and Source of Particles . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2 Quantitative Estimations of the Particle Composition . . . . . . . 62
4.2.3 Estimation of Particle Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.4 Implications for Dust Formation in Io’s Atmosphere . . . . . . . 65
5 Saturnian Stream Particles 69
5.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1.1 Identification of Ion Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1.2 of Particle Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74v
6 Populations of Saturn’s E Ring 77
6.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.1 Appearance of Water in CDA TOF Mass Spectra . . . . . . . . . 77
6.1.2 Clustering Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.3 Non Water Spectral Features in Water Rich Spectra . . . . . . . . 80
6.1.4 Classification of Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.1.5 Statistics and Correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.1.6 Type II Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.1.7 Type III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2.1 Two Water Spectrum Types - Two Populations - Two Sources? . . 104
6.2.2 Chemical Fingerprints of Enceladus . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.3 The Non Water Dust Population (Type III) . . . . . . . . . . . . 108
6.2.4 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7 Summary 113
A Data tables 117
A.1 CDA Decontamination Schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.2 Jovian System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A.3 Saturnian System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
A.4 Ionisation Energies and Electron Affinities of Elements and Molecules . . 122
B TOF SIMS Data of the Target Contamination Analysis 123
Bibliography 161vi

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