In-situ dust detection using radio antennas of different spacecraft : space observations and modeling - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

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

Détection in-situ de poussières à l'aide d'antennes radio sur plusieurs sondes spatiales : observations et modèle

Résumé

Interplanetary dust grains contain important information about the Solar System. Analyzing these particles is an important aspect of the heliosphere study. Dust impacts have been observed using radio and wave instruments onboard the spacecraft since the 1980s. The interaction between the impact-generated plasma cloud and antenna – spacecraft system elements generates the characteristic signal waveform. The present work focuses on the detection and interpretation of the dust generated signals from radio instruments onboard various spacecraft orbiting at 1 AU.In the first part of the thesis, we aim to develop a model which links the observed electric signals to the dust impact properties. We propose a new model which takes into account the effect of impact - ionization charge collection and electrostatic-influence. Our model provides an analytical expression for the pulse. It allows us to measure the amount of total ion charge, the fraction of escaping charge, the rise timescale, and the relaxation timescale. The proposed model is simple and convenient 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 each monopole. Since the beginning of the STEREO mission in 2007, we have collected all the dust events detected by S/WAVES/TDS simultaneously on all three monopoles at 1 AU. Our study confirms that the rise time vastly exceeds the spacecraft’s short timescale of electron collection by the spacecraft. Aside from electron dynamics, we also obtained interesting results regarding the cloud’s electron temperature. The presented model provides an effective tool for analyzing dust waveforms, and is applicable for different space missions which investigate the distribution of dust particles, e.g., Solar Orbiter and Parker 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 populations at 1 AU. Our objective is to search for interstellar dust by analyzing the data sets collected by STEREO and Wind, starting from the beginning of the missions. Between 2007 and 2012, while being at the solar minimum with a solar dipole pointing southward, all three spacecraft recorded ISD flux at 1 AU. However, before and after that period, the disappearance of the interstellar component was noticeable. The observed change of the impact rate suggests that the flux of interstellar dust at 1 AU varies with the solar cycle. Each time the magnetic dipole field changes its polarity during the solar cycle, small interstellar grains experience focusing or defocusing. Consequently, the dust grains are systematically deflected either towards, or away from the solar magnetic equator plane by the solar wind magnetic field which thus affects the dust dynamics and the total interstellar dust flux in the inner heliosphere. Our study provides the first quantitative description of the time variation of ISD flux at 1 AU.
Les grains de poussière interplanétaires contiennent des informations importantes sur le système solaire. L’analyse de ces particules est un aspect important de l’étude de l’héliosphère. Depuis les années 1980, les impacts de poussières sont observés à l’aide d’instruments radio et à ondes embarqués à bord de sondes spatiales. L’interaction entre le nuage de plasma généré par l’impact de poussières et les éléments du système antenne-sonde spatiale génère la forme d’onde du signal. Le présent travail se concentre sur la détection et l’interprétation des observations de poussières à partir d’instruments radio à bord de divers sondes en orbite à 1 AU. Dans la première partie de la thèse, nous avons développé un modèle qui lie les signaux électriques observés aux propriétés d’impact des poussières. Nous proposons un nouveau modèle qui prend en compte les effets d’impact - ionisation - collection de charges et d’influence électrostatique. Il s’agit d’une expression analytique de l’impulsion. Elle nous permet de mesurer la quantité de la charge ionique totale, la fraction de la charge qui s’échappe, l’échelle du temps de montée et l’échelle du temps de relaxation. Le modèle proposé est simple et pratique pour l’ajustement à un grand jeux de données. Pour valider le modèle, nous utilisons le sous-système Time Domain Sampler (TDS) de l’instrument STEREO/WAVES, qui génère des séries temporelles d’impulsions de la tension à haute cadence pour chaque monopole. Nous avons collecté tous les événements de poussière détectés par S/WAVES/TDS simultanément sur les trois monopoles à 1 AU depuis le début de la mission STEREO en 2007. Notre étude confirme que le temps de montée dépasse largement la courte échelle de temps de collecte des électrons par la sonde. Outre la dynamique des électrons, nous avons également obtenu des résultats nouveaux concernant la température des électrons du nuage. Le modèle présenté constitue un outil efficace pour analyser les formes d’onde de la poussière et est applicable à différentes missions spatiales qui étudient la distribution des particules de poussière, par exemple sur Solar Orbiter et Parker Solar Probe. Dans la deuxième partie de la thèse, nous ètudions la poussière interstellaire (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 la poussière interstellaire collectés par les sondes STEREO et Wind, sur une grande échelle de temps, dès le début des missions. Entre 2007 et 2012, au moment du minimum solaire avec un dipôle solaire pointant vers le sud, les trois sondes ont enregistré un flux ISD à 1 AU, mais avant et après cette période, la disparition de la composante interstellaire est notable. La disparition d’impacts suggère que le flux de poussière interstellaire observé varie avec le cycle solaire. Lorsque le champ dipolaire magnétique a changé de polarité au cours du cycle solaire, les grains interstellaires ont subi une focalisation ou une défocalisation. Par conséquent, les grains de poussière sont systématiquement déviés vers - ou loin - du plan de l’équateur magnétique solaire, par le champ magnétique du vent solaire, ce qui affecte la dynamique de la poussière et le flux total de poussière interstellaire dans l’héliosphère interne.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04217291 , version 1 (25-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04217291 , version 1

Citer

Kristina Racković Babić. In-situ dust detection using radio antennas of different spacecraft : space observations and modeling. Astrophysics [astro-ph]. Université Paris sciences et lettres; Univerzitet u Beogradu, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLO015⟩. ⟨tel-04217291⟩
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