土星E環塵埃之電動力學

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：27

、訪客IP：3.137.172.68

姓名

許翔聞(Hsiang-Wen Hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

天文研究所

論文名稱

土星E環塵埃之電動力學
(Electrodynamics of the Saturnian E ring dust particles)

相關論文

★ 土衛六「泰坦」離子球層的化學-動力學模型	★ KBOs星體碰撞與生命及行星大氣起源
★ 行星狀星雲形態之多光譜波段觀測	★ 木衛一埃歐鈉雲噴流之結構與時間變化
★ 早期太陽系系統中KBOs的形成與碰撞演化	★ 彗星2001A2 （LINEAR）的光度觀測
★ SDSS之RR Lyrae候選變星之確認觀測	★ 銀河系核心及盤面的隨機恆星形成歷史
★ 宇宙射線中的氦原子核能譜	★ 小行星對於地球原始海水的貢獻
★ 行星狀星雲Hα結構之分析	★ 在星系團中的相對論性電子和SZ效應
★ 重力透鏡和交互作用星系的資料探勘	★ 在疏散星團中尋找系外行星與變星
★ 原恆星吸積盤動態模擬與氣體固態粒子作用初步探討	★ 大型EKBO(Quaoar, Ixion, 2004DW)的自轉週期和表面顏色的測量

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

土星E環是土星環最外圍、密度低、但卻分佈很廣的塵埃環。根據地表可見光的觀測，不同於其他行星環的成冪尺寸分佈( power law size distribution )，E環塵埃主要由半徑約一微米( μm )的塵埃所組成，其密度最高處與土星一小衛星Enceladus軌道相近。E環特殊的塵埃顆粒尺寸及空間分佈( size & radial distribution )、環物質與土星磁球層( magnetosphere )間的交互作用，皆是目前與土星相關的有趣課題。
不同於土星主環( Saturn Main Ring )，E環的塵埃密度低，塵埃粒子之間不易發生碰撞作用；因此E環塵埃粒子的運動便可反映出其受到的不同擾動。1992年，M. Horanyi藉由計算E環塵埃粒子的運動方程式，提出的理論認為：位於土星磁球層中的衛星Enceladus受到撞擊，自Enceladus拋出的塵埃粒子與磁球層電漿粒子(電子、離子)碰撞而帶電後，受到土星赤道突起的重力擾動、羅倫茲力( Lorentz force )、與太陽光輻射壓力( radiation pressure )，使特定大小塵埃粒子(半徑約一微米( μm )的離心率增加，亦即由原本的圓軌道成為橢圓軌道，而因此從該衛星的軌道擴展至觀測到的E環範圍。
而D. Hamilton與J. Burns於1994年科學( Science )期刊發表的文章則認為自Enceladus拋出的E環的塵埃粒子，數年內會再和土星磁球層中的衛星碰撞，產生下一代的環物質，而形成自我維持( self-sustained )的機制。
然而，隨著由美國航空暨太空總署( NASA )與歐洲太空局( ESA )合作的卡西尼-惠更斯太空船進入土星系統，其上搭載的塵埃偵測儀器( Cosmic Dust Analyzer，宇宙塵埃分析儀)直接測量E環塵埃的初步結果，E環物質分佈位置比預期的更廣(包括垂直與水平方向)，而其尺寸分佈更與之前認為的一微米不同、為二項分佈( binomial distribution )。
我所進行的工作，除了考慮已知的效應外，更加入一可能、但尚未證實的大尺度跨磁尾電場( large scale cross-tail electric field )，嘗試去解釋先前模型無法解釋的觀測現象，並且對於E環塵埃-土星衛星/土星主環間碰撞情形、E環塵埃和土星磁球層間的交互作用有進一步的了解和理論計算。

關鍵字(中)

★ 土星
★ E環
★ 動力學
★ 塵埃粒子
★ 充電方程式

關鍵字(英)

★ charging equation
★ E ring
★ Saturn
★ dust particles
★ Dynamics

論文目次

目錄
第一章概說
1-1 土星與土星環 1
1-2 E環的發現、RPX、及太空任務 5
1-3 E環觀測簡史 9
1-4 E環理論計算簡史 17
1-5 卡西尼太空船的最新觀測 23
第二章運動方程式
2-1 運動方程式—概說 28
2-2 運動方程式—土星重力與其高階項 29
2-3 運動方程式—羅倫茲力 30
2-4 運動方程式—輻射壓力 33
2-5 運動方程式—小結 37
第三章帶電方程式
3-1 帶電方程式—概說 38
3-2 帶電方程式—電子與離子電流 41
3-3 帶電方程式—非均向性電漿效應 49
3-4 帶電方程式—光電子電流 51
3-5 帶電方程式—第二電子電流 56
3-6 帶電方程式—小結 61
第四章計算結果與討論
4-1 二方程式偕同計算 63
4-2 軌道要素計算 66
4-3 瞬變弧狀結構之模擬 72
4-4 E環塵埃軌道演化 76
4-5 環物質與衛星的碰撞 83
4-6 磁球層於塵埃粒子之傳輸作用 88
4-7 大尺度跨磁尾電場效應 92
參考資料
參考書籍、期刊 102
參考網頁 106
附錄
附錄A 根據航海家太空船量測而建立的土星磁球層電漿模型 107
圖目錄
第一章概說
圖1.1 卡西尼太空船所拍攝之土星 1
圖1.2 土星環系統示意圖 4
圖1.3 卡西尼太空船於土星環面所拍攝影像(取自APOD) 6
圖1.4 土星環與地球相對角度之變化 7
圖1.5 先鋒11號太空船 7
圖1.6 航海家太空船 8
圖1.7 卡西尼—惠更斯太空船 8
圖1.8 航海家2號所拍攝之Enceladus 10
圖1.9 M. Showalter之E環徑向分佈冪次模型 11
圖1.10 1996年RPX哈伯太空望遠鏡之E環觀測 13
圖1.11 1996年RPX凱克望遠鏡之E環觀測 14
圖1.12 瞬變的弧狀結構，由CFHT於1996年RPX時所發現 16
圖1.13 半徑1μm的E環塵埃粒子之軌道演化 18
圖1.14 不同大小的E環粒子垂直分佈 19
圖1.15 土星磁球層OH分佈之觀測與理論比較 22
圖1.16 卡西尼—惠更斯太空船之行星際軌道圖 24
圖1.17 卡西尼所搭載UVIS觀測土星磁球層氧原子之變化 24
圖1.18 卡西尼太空船上搭載之宇宙塵分析儀(CDA) 26
第二章運動方程式
圖2.1 E環塵埃於土星磁球層中所受各種作用力之示意圖 28
圖2.2
理論計算之β曲線 35
圖2.3 實際量測之β曲線 36
第三章帶電方程式
圖3.1 塵埃粒子於太空中帶電的主要機制 40
圖3.2 表面電位與電漿流速度計算之數值與解析解比較 50
圖3.3 光電效應實驗簡圖 53
圖3.4 光電子/第二電子逃逸機率與塵埃大小關係 53
圖3.5 太陽紫外光光譜 54
圖3.6 光電子的能量分佈 54
圖3.7 不同能量的入射電子之第二電子產生率 59
圖3.8 F5(x)函數與F5,B(x) 60
第四章計算結果與討論
圖4.1 土星磁球層電漿密度分佈 64
圖4.2 土星磁球層電漿溫度分佈 64
圖4.3 自Enceladus釋出之0.9、1.0、1.1μm塵埃粒子之軌道離心率演化 67
圖4.4 自Mimas釋出之0.9、1.0、1.1μm塵埃粒子之軌道離心率演化 68
圖4.5 自Tethys釋出之0.9、1.0、1.1μm塵埃粒子之軌道離心率演化 69
圖4.6 自Dione釋出之0.9、1.0、1.1μm塵埃粒子之軌道離心率演化 70
圖4.7 自Rhea釋出之0.9、1.0、1.1μm塵埃粒子之軌道離心率演化 71
圖4.8 模擬瞬變弧狀結構之20,000個粒子於XY平面之軌跡 73
圖4.9 經投影後的弧狀結構隨時間之變化 74
圖4.10 弧狀結構之軌道升交點示意圖 75
圖4.11 HST與CFHT於1995年RPX時的觀測時間分佈 75
圖4.12 土星磁球層平衡電位分佈圖 78
圖4.13 二種不同第二電子係數之平衡電位分佈圖 78
圖4.14 於Enceladus軌道出發，半徑1.2μm之塵埃粒子軌道演化 79
圖4.15 於Enceladus軌道出發，半徑1.2μm之塵埃粒子軌道三維演化圖 80
圖4.16 於Enceladus軌道出發，半徑0.3μm之塵埃粒子軌道演化 81
圖4.17 源自Enceladus，不同尺寸塵埃之最大軌道離心率 82
圖4.18
源自Enceladus，不同尺寸塵埃之最大軌道傾角 82
圖4.19 塵埃粒子撞擊衛星幾何示意圖 85
圖4.20 0.3μm與1.2μm塵埃粒子之撞擊生命期 86
圖4.21 0.3μm與1.2μm塵埃之碰撞對象統計 86
圖4.22 0.3μm與1.2μm塵埃之撞擊速度統計 87
圖4.23 木星環粒子的表面電位—徑向距離圖 90
圖4.24 EM = 500 eV，δM = 1.5之0.3μm粒子軌道半長軸演化 91
圖4.25 自Dione軌道釋出的0.3μm塵埃粒子之表面電位—徑向距離圖 91
圖4.26 不同大小的粒子於不同強度跨磁尾電場下之最大離心率 95
圖4.27 不同大小的粒子於不同強度跨磁尾電場下之最大軌道傾角 95
圖4.28 不同大小的粒子於不同強度跨磁尾電場下之最大垂直位置 95
圖4.29 不同大小的粒子於不同強度跨磁尾電場下之最終軌道半長軸 95
圖4.30 自Enceladus釋出的1.2μm塵埃於1%跨磁尾電場之軌道演化 96
圖4.31 自Enceladus釋出的1.2μm塵埃於5%跨磁尾電場之軌道演化 97
圖4.32 自Enceladus釋出的0.3μm塵埃於1%跨磁尾電場之軌道演化 98
圖4.33 自Enceladus釋出的0.3μm塵埃於5%跨磁尾電場之軌道演化 99
圖4.34 受5%跨磁尾電場之0.3μm與1.2μm塵埃粒子之撞擊生命期 100
圖4.35 受5%跨磁尾電場之0.3μm與1.2μm塵埃之碰撞對象統計 100
圖4.36 受5%跨磁尾電場之0.3μm與1.2μm塵埃之撞擊速度統計 101
表目錄
第一章概說
表1.1 土星物理、軌道參數 3
表1.2 土星環徑向分佈 3
表1.3 位在E環中衛星之軌道、及物理參數 19
表1.4 卡西尼太空船搭載之塵埃儀器CDA的測量極限 26
第四章計算結果與討論
表4.1 不同大小的粒子於不同強度跨磁尾電場下之最大離心率 95
表4.2 不同大小的粒子於不同強度跨磁尾電場下之最大軌道傾角 95
表4.3 不同大小的粒子於不同強度跨磁尾電場下之最大垂直位置 95
表4.4 不同大小的粒子於不同強度跨磁尾電場下之最終軌道半長軸 95

參考文獻

參考資料
書籍、期刊
Alfven, H., Cosmical Electrodynamics, Oxford, 1950.
Barbosa, D. D., M. G. Kivelson, Geophys. Res. Let., 10, 210, 1983.
Baum, W. A., T. Kreidl, J. A. Westphal, G. E. Danielson, P. K. Seidelmann, D. Pascu, and D. G. Currie, Saturn’s E ring I. CCD observations of March 1980, Icarus, 47, 84, 1981.
Beatty, J. K., C. C. Petersen, and A. Chaikin, The New Solar System, 4th edition, Cambridge, 1999.
Burns, J. A., P. L. Lamy, and S. Soter, Icarus, 40, 1, 1979.
Carroll, B. W., and D. A. Ostlie, An Introduction to Modern Astrophysics, Addison Wesley Longman, 1996
Chow, V. W., D. A. Mendis, and M. Rosenberg, Role of Grain Size and Particle Velocity Distribution in Secondary electron Emission in Space Plasmas, J. Geophys. Res., 98, 19,065, 1993.
Cowley, S. W. H., Bunce, E. J., Stallard, T. S., and Miller, S., Jupiter’s polar ionospheric flows: Theoretical interpretation, Geophys. Res. Lett., 30, No.5, 1220, doi:10.1029/2002GL016030, 2003.
Cowley, S. W. H., Bunce, E. J., and O’Rourke, J. M., A simple quantitative model of plasma flows and currents in Saturn’s polar ionosphere, J. Geophys. Res., 109, A05212, doi:10.1029/2003JA010375, 2004.
de Pater, I., M. R. Showalter, J. J. Lissauer, and J. R. Graham, Keck infrared observations of Saturn’s E and G rings during Earth’s 1995 ring plane crossings, Icarus, 121, 195, 1996.
de Pater, I., S. C. Martin, M. R. Showalter, Keck infrared observations of Saturn’s E and G rings during Earth’s ring plane crossings in August 1995, Icarus, 172, 446, 2004.
Dikarev, V. V., Dynamics of particles in Saturn’s E ring: Effects of charge variations and the plasma drag force, Astron. Astrophys., 346, 1011, 1999.
Dougherty, M. K. et al., Science, 307, 1266, 2005.
Draine, B. T., Photoelectric heating of interstellar gas, Astrophys. J., 36, 595, 1978.
Draine, B. T., and E. E. Salpeter, On the physics of dust grains in hot gas, Astrophys. J., 231, 77, 1979.
Esposito, L. W., et al., Ultraviolet Imaging Spectroscopy Shows an Active Saturnian System, Science, 307, 1251, 2005.
Feibelman, W. A., Concerning the “D” Ring of Saturn, Nature, 214, 793, 1967.
Gustafson, B. Å. S., Physics of zodiacal dust, Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 22, 553, 1994.
Halliday, D., R. Resnick, J. Walker, Fundamentals of Physics Extended, 5th edition, John Wiley and Sons, 1997
Hamilton, D. P., Motion of dust in a planetary magnetosphere: Orbit-averaged equations for oblateness, electromagnetic, and radiation forces with application to Saturn’s E ring, Icarus, 101, 244, 1993.
Hamilton, D. P., and J. A. Burns, Origin of Saturn’s E ring: Self sustained, naturally, Science, 264, 550, 1994.
Hillier, J., S. Green, J. Schwanethal, N. McBride, R. Srama, S. Kempf, J. McDonnell, F. Postberg, Cassini dust analyzer: composition of Saturnian ring particles, EGU, 2005.
Hinteregger, H. E., unpublished results, 1961.
Horanyi, M., J. A. Burns, and D. P. Hamilton, The dynamics of Saturn’s E ring particles, Icarus, 97, 248, 1992.
Horanyi, M., Charged dust dynamics in the Solar System, Annu. Rev. Astron. Astrophys., 34, 383, 1996.
Horanyi, M., and T. E. Cravens, The structure of the Jovian ring, Nature, 381, 293, 1996.
Horanyi, M., Dusty Plasmas in the Solar System, EGU, 2005.
Hume, D. H., R. L. O’Neal, W. H. Kinard, and J. M. Alvares, Impact of Saturn Ring Particles on Pioneer 11, Science, 207, 443, 1980.
Hutchinson, I. H., Potential and Frictional Drag on a Floating Sphere in a Flowing Plasma, Plasma Physics and Controlled Fusion, 47, 71, 2004.
Ip, W.-H., and C. K. Goertz, An interpretation of the dawn-dusk asymmetry of UV emission from the Io plasma torus, Nature, 302, 232, 1983.
Juhasz, A. and M. Horanyi, Saturn’s E ring: A dynamical approach, J. Geophys. Res., 107(A6), 1066, 2002.
Juhasz, A. and M. Horanyi, Seasonal variations in Saturn’s E ring, Geophys. Res. Lett., 31, L19703, 2004.
Jurac, S., R. A. Baragiola, R. E. Johnson, and E. C. Sittler Jr., Charging of ice grains by low-energy plasmas: Application to Saturn’s E ring, J. Geophys. Res., 100, 14,821, 1995.
Jurac, S., R. E. Johnson, and J. D. Richardson, Saturn’s E ring and the production of the neutral torus, Icarus, 149, 384, 2001.
Kanal, M., Theory of Current Collection of Moving Spherical Probes, Sci. Rep. No JS-5, 1962.
Kempf, S., R. Sarma, M. Horanyi, M. Burton, S. Helfert, G. Moragas-Klostermeyer, M. Roy, and E. Grun, High-velocity streams of dust originating from Saturn, Nature, 433, 289, 2005a.
Kempf, S., R. Srama, F. Postberg, M. Burton, S. F. Green, S. Helfert, J. K. Hillier, N. McBride, J. A. M. McDonnell, G. Moragas-Klostermeyer, M. Roy, E. Grun, Composition of Saturnian Stream Particles, Science, 307, 1274, 2005b.
Kempf, S. R. Srama, M. Horanyi, E. Grun, G. Moragas-Klostermeyer, Saturn’s E ring as seen by the Cassini dust detector CDA, EGU, 2005c.
Laframboise, J. G., and L. W. Parker, Probe design for orbit-limited current collection, Phys. Fluids, 16, 629, 1973.
Landgraf, M., K. Augustsson, E. Grun, B. Å. S. Gustafson, Deflection of the Local Interstellar Dust Flow by Solar Radiation Pressure, Science, 286, 2119, 1999.
Larson, S. M., in Planetary Rings, IAU colloquium 75, CNES, Toulouse, France, A. Brahic, Ed. ( International Astronomy Union, Paris, 1984 )
Meyer-Vernet, N., “Flip-flop” of Electric Potential of Dust Grains in Space, Astron. Astrophys., 105, 98, 1982.
Meyer-Vernet, N., A. Lecacheux, and B. M. Pedersen, Constraints on Saturn’s E ring from the Voyager 1 radio astronomy instrument, Icarus, 123, 113, 1996.
Mott-Smith, H. M., I. Langmuir, The theory of collectors in gaseous discharges, Phys. Rev., 28, 727, 1926.
Mukai, T., On the Charge Distribution of Interplanetary Grains, Astron. Astrophys., 99, 1, 1981.
Nakagawa, T., T. Ishii, K. Tsuruda, H. Hayakawa, and T. Mukai, Net current density of photoelectrons emitted from the surface of the GEOTAIL spacecraft, Earth Planet Space, 52, 283, 2000.
Nicholson, P. D., M. R. Showalter, L. Dones, R. G. French, S. M. Larson, J. J. Lissauer, C. A. McGhee, P. Seitzer, B. Sicardy, and G. E. Danielson, Observations of Saturn’s ring-plane crossings in August and November 1995, Science, 272, 509, 1996.
Paranicas, C., A. F. Cheng, A Model of Satellite Microsignatures for Saturn, Icarus, 125, 380, 1997.
Prokopenko, S. M. L., and J. G. Larframboise, High-Voltage Differential Charging of Geostationary Spacecraft, J. Geophys. Res., 85, 4125, 1980.
Richardson, J. D., and E. C. Sittler Jr., A Plasma Density Model for Saturn Based on Voyager Observations, J. Geophys. Res., 95, 12,019, 1990.
Richardson, J. D., An extended plasma model for Saturn, Geophys. Res. Lett., 22, 1177, 1995.
Richardson, J. D., A. Evitar, M. A. McGrath, and V. M. Vasyliunas, OH in Saturn’s magnetosphere: Observations and implications, J. Geophys. Res., 103, 20,245, 1998.
Roddier, C., F. Roddier, J. E. Graves, and M. J. Northcott, Discovery of an arc of particles near Enceladus’ orbit: A possible key to the origin of the E-ring, Icarus, 136, 50, 1998.
Showalter, M. R., J. N. Cuzzi, and S. M. Larson, Structure and particle properties of Saturn’s E ring, Icarus, 94, 451, 1991.
Spahn, F., Kai-Uwe Thiessenhusen, J. E. Colwell, R. Srama, and Eberhard Grun, Dynamics of dust ejected from Enceladus: Application to the Cassini dust detector, J. Geophys. Res., 104(E10), 24,111, 1999.
Spitzer, L., The dynamics of the interstellar medium, Astronphys. J. 93,369, 1941.
Srama, R., Kempf, S., G. Moragas-Klostermeyer, U. Beckmann, M. Burton, V. Dikarev, E. Grun, S. Helfert, M. Roy, F. Spahn, Dust measurements of Cassini in the vicinity of Enceladus, EGU, 2005.
Sternglass, E. J., Sci. Pap. 1772, 1954.
Tsintikidis, D., D. A. Gurnett, L. J. Granroth, S. C. Allendorf and W. S. Kurth, A revised analysis of micron-sized particles detected near Saturn by the Voyager 2 plasma wave instrument, J. Geophys. Res., 99(A2), 2261, 1994.
Tsintikidis, D., W. S. Kurth, D. A. Gurnett, and D. D. Barbosa, Study of dust in the vicinity of Dione using the Voyager 1 plasma wave instrument, J. Geophys. Res., 100, 1811, 1995.
Vasyliunas, V. M., Plasma distribution and flow, in Physics of the Jovian Magnetosphere, edited by A.J. Desler, Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK, p. 395, 1983.
Watson, W. D., Heating of interstellar H I clouds by ultraviolet photoelectron emission from grains, Astrophys. J. 176, 103, 1972.
Whipple, E. C., Jr., Potential surfaces in space, Rep. Prog. Phys., 44, 1197, 1981.
D. T. Young, et al., Composition and Dynamics of Plasma in Saturn’s Magnetosphere, Science, 307, 1262, 2005.
網頁
Allegheny Observatory
http://www.pitt.edu/~aobsvtry/index.html
Historical Background of Saturn's Rings
http://www.solarviews.com/eng/saturnbg.htm
Ring Plane Crossings of 1995-1996
http://www.physics.sfasu.edu/astro/saturn/satring9596.html
Saturn’s Ring Plane Crossing_HST
http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/1995/25/astrofile/
http://pds-rings.seti.org/rpx/overview.html
Yarkovsky effect
http://www.absoluteastronomy.com/encyclopedia/Y/Ya/Yarkovsky_effect.htm
LegendrePolynomial_mathworld
http://mathworld.wolfram.com/LegendrePolynomial.html

指導教授

葉永烜(Wing-Huen Ip)

審核日期

2005-7-12

推文