MERCURY In-flight calibration of the PHEBUS UV instrument and Monte Carlo modelling of the hydrogen exosphere - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2011

MERCURY In-flight calibration of the PHEBUS UV instrument and Monte Carlo modelling of the hydrogen exosphere

MERCURE: calibration en vol de l'instrument UV PHEBUS et modélisation Monte Carlo de l'exaspère d'hydrogène

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Abstract

A unique feature of Mercury's space environment is its strongly coupled surface-exosphere-magnetosphere-solar wind system, which can be remotely monitored by space missions such as Mariner 10, MESSENGER and soon BepiColombo and by ground-based observatories. Mercury's exosphere is a very complex medium with only a few species detected so far, including atomic hydrogen. H has only been detected once by Mariner 10 in 1974-1975 and represents a tracer of the interaction between the solar wind and Mercury. The PHEBUS instrument onboard the BepiColombo ESA/JAXA mission to Mercury is a dual-channel EUV-FUV spectrometer capable of detecting faint emissions including H I Lyman- at 121.6 nm. The first part of this thesis focuses on the radiometric modelling and simulation of the optical return of PHEBUS. To prepare for in-flight and orbit spectral calibrations, a set of reference stars is determined and evaluated to match the resolution and spectral range of the detector. Predictions on the possibility of detection of a wide range of emission lines in space and in Mercury's exosphere are given (science performance). PHEBUS is based on SPICAV, the UV spectrometer onboard Venus Express and can use similar techniques to perform the relevant calibrations. Therefore, a study of the star occultation events of SPICAV is performed in the second part of this thesis. The stars' spectra are extracted, analysed and convoluted with the instrument function for possibility of future use with PHEBUS. The results are stored in the calibration database for the "Cross-calibration of past FUV experiments" workgroup of ISSI. In parallel to the development of new dedicated instruments, such as PHEBUS with high sensitivity and spectral resolution, state-of-the-art simulations of the exosphere of Mercury are also needed. In the third part of this thesis the 3D Monte Carlo hydrogen model SPERO is constructed. SPERO is the first fully consistent 3D exospheric model of hydrogen at Mercury, taking into account source and loss mechanisms such as thermal desorption, photoionisation and solar radiation pressure. Thermal desorption is assumed to be the dominant source of exospheric hydrogen. Surface densities as well as exospheric densities, temperatures and velocities are computed up to 8 Mercury radii. A sensitivity study is carried out highlighting the uncertainties in the source and loss mechanisms, and resulting in a day/night density and temperature asymmetry. Using the computed densities in a radiative transfer model makes it possible to compare with the Mariner 10 Lyman- emission data and later on possibly the hydrogen data return of the MASCS instrument onboard NASA MESSENGER.
Une caractéristique unique de l'environnement spatial de Mercure est le fort couplage qui existe entre la surface, l'exosphère, la magnétosphère et le vent solaire. Ce système peut être étudié par des méthodes de télédétection embarquées sur les missions spatiales telles que Mariner 10, MESSENGER et bientôt BepiColombo, ainsi que par les observatoires au sol. L'exosphère de Mercure est un milieu complexe avec seulement quelques espèces détectées jusqu'ici, dont l'hydrogène atomique H. H a seulement été détecté une fois par la sonde Mariner 10 en 1974-1975 et représente un traceur de l'interaction entre le vent solaire et la planète Mercure. L'instrument PHEBUS 'a bord de la mission ESA/JAXA BepiColombo vers Mercure est un spectromètre double canal EUV-FUV capable de détecter les émissions les plus faibles, comme H I Lyman-α 'a 121.6 nm. La première partie de cette thèse se concentre sur la modélisation radiométrique et la simulation des performances de PHEBUS. Pour préparer la calibration spectrale en vol et pendant la phase orbitale, un ensemble d'étoiles de référence est déterminé et évalué pour tirer partie au mieux de la résolution et du domaine spectral du détecteur. Des prévisions sur la possibilité de détection des raies d'émission exosphériques sont également données (science performance). Comme PHEBUS est basé sur SPICAV, le spectromètre UV de Venus Express, des techniques semblables de calibration spectrale peuvent être utilisées. Une étude des occultations stellaire de SPICAV est réalisée dans la deuxième partie de cette thèse. Les spectres des étoiles sont extraits, analysés et convolués avec la fonction instrumentale en vue de préparer les futures observations de PHEBUS. Les résultats sont disponibles dans la base de données de calibration du groupe de travail 'a l'ISSI Cross-calibration of past FUV experiments . En parallèle aux nouveaux instruments de grande sensibilité et à haute résolution spectrale, comme PHEBUS, le développement de simulations numériques est nécessaire 'a la compréhension de l'exosphère de Mercure. La troisième partie de cette thèse présente le modèle SPERO, premier modèle auto-cohérent 3D Monte Carlo dédié 'a l'hydrogène exosphérique de Mercure, prenant en compte toutes les sources et les pertes, tels que la désorption thermique, la photoionisation ou la pression de radiation solaire. La désorption thermique est par hypothèse la source dominante d'hydrogène exosphérique. La densité surfacique ainsi que les densités, températures et vitesses exosphériques sont calculées jusqu'à 8 rayons mercuriens. Une étude de sensibilité est effectuée en se basant sur les incertitudes dans les mécanismes de source et de perte, donnant lieu à des asymétries jour/nuit en densité et en température. En utilisant les densités calculées dans un modèle de transfert radiatif, il est possible de comparer les sorties de SPERO avec les données d'émission Lyman-α de Mariner 10, et d'anticiper le retour de données hydrogène grâce 'a l'instrument MASCS embarqué sur la mission MESSENGER de la NASA.
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Dates and versions

tel-00667491 , version 1 (07-02-2012)

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  • HAL Id : tel-00667491 , version 1

Cite

Mea Simon Wedlund. MERCURY In-flight calibration of the PHEBUS UV instrument and Monte Carlo modelling of the hydrogen exosphere. Planetology. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. English. ⟨NNT : 2011PA066114⟩. ⟨tel-00667491⟩
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