43
PLANETOCOSMICS L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger Physikalisches Institut, University of Bern  

L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 

L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger Physikalisches Institut, University of Bern 

Page 2: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

OverviewPresentation of the projectSpace coordinate convertor   Magnetic fieldAtmosphere modelSoil modelSome simulations results

Page 3: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

GEANT4C++ toolkit for Monte Carlo simulation of  hadronic and electromagnetic interaction of particle/radiation with matterPropagation in B field and E field can be taken into accountField of applications:

● Detector design and calibration● Medical applications● Space applications

==> Interaction of space radiations with planet  

Page 4: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Magnetocosmics Geant4 ApplicationPropagation of cosmics rays in the Earth's MagnetosphereVisualisation and cut­off rigidity computation

Page 5: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

ATMOCOSMICS  Geant4 ApplicationPropagation of cosmics rays in the Earth's Atmosphere 

Secondary fluxes in atmosphere

Page 6: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Presentation of the project MAGNETOCOSMICS and ATMOCOSMICS•Propagation of cosmic rays in the Earth's  magnetosphere and atmosphere

Aim of this project•Extension of these codes to other planet with

Mars and Mercury as first case•Magnetosphere, atmosphere, soil models

=> PLANETOCOSMICS

Page 7: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

PLANETOCOSMICS  Simulate the electromagnetic and hadronic interaction of  space radiations with planet  atmosphere and soil 

Compute the propagation of charged particles in planetary magnetic field

Developed for Earth, Mars and Mercury but can be extend to other planets quite easily (for C++ lover)

Computation of :magnetic shieldingenergy deposited in atmosphere­> ionisation rateflux of particles at user defined altitude and/or depths

 

Page 8: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Work Packages WP1•General space coordinate convertor for planets

WP2•General planetary magnetic field models• Implementation of Mars Crustal magnetic field

WP3•General atmospheric model•Mars atmosphere •Soil model •Development of the code  for Earth,  Mars, and Mercury

Page 9: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

 Space coordinate convertor•Extension of Earth space coordinate to other planets– Geographic (GEO) ­> Planetocentric (PLA) – GEODETIC­>Planetographic (PLAG)–  GSE­>PSO, PSE, PSEQ– If global magnetic field • MAG­>PMAG, GSM­>PSM, SM­>PSMAG

• Information needed– Sun­Planet direction in HAE2000– Sun and planet orientation  in GEI2000– Prime meridian in GEI2000– Transformation from GEI2000 to HAE2000 – Global dipole momentum in PLA 

Page 10: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Space coordinate convertor

Orbit and orientation of the planet computed:By using of the Spice library  By using Keplerian theory 

Fränz and Harper, Plan. Space Sci., 2002Simon et al. A&A, 282,663,1994    

Development of a SpaceCoordinatePlanet classEarth, Mars, MercuryEasy to extend to other planets

Page 11: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

Test of Space coordinate convertor 

Time (hour)

Pos

itio

n R

elat

ive 

dif

fere

nce

PSOPSEQ

Spice

Kepler theory

Mariner10  Mercury flyby  Spacecraft position provided in PLA, PSO and PSEQ PSO and PSEQ positions recomputed with the Space coordinate convertor  from PLA position  

Page 12: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

Magnetic Field 

Common to all planets•Dipole, Spherical Harmonic•Constant field•Orientation for flat geometry•Flat grid model Specific to planets •Earth=> IGRF, Tsyganenko•Mars=> Crustal models•Mercury=> Dipole 

Page 13: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

Bfield orientation for Flat geometry 

Planetary coordinate system (X',Y',Z')Local coordinate system (X,Y,Z)Center of the simulation box C defined by the user in (X',Y'Z')B computed in  (X',Y',Z') and transformed(X,Y,Z)

Page 14: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Grid Model for flat geometryDivision of the world box in a uniform cartesian grid with (nx, ny,nz) cellsComputation and copy of the magnetic fields at the different nodes of the gridBfield at a given position is computed by linear interpolation of  the Bfield at the nodesMuch faster 

=> May be implementation in Spherical Geometry

Page 15: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Field lines Flat GRID /Cain50

Page 16: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Crustal Magnetic field of  MarsMars Global Surveyor (MGS):

● Aerobraking orbits (alt >101.6km)● Science phasing orbits (alt >170. km)● Mapping orbit (alt ~400 km)

MGS Magnetic field measurement : ● No global field (dipole at equator <0.5 nT) ● Strong crustal field in the southern high lands :

1600 nT at 100 km over some regions 10x higher than on Earth  Signature of an old global magnetic field

● Interaction of the solar wind with  Mars ionosphere and crustal field

Page 17: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

MGS observation  Br @ 400 km 

Connerney et al., Geophys.Res.Let. 28, 21, 4015­4018, 2001

Page 18: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Connerney et al., Geophys.Res.Let. 28, 21, 4015­4018, 2001

Br vs geology

Page 19: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

•Crustal magnetization seems to follow the topographical     dichotomy of Mars:–  low lands B weak,  high lands  B strong–  north lands were probably formed after the cessation 

of  the Mars dynamo•East­west band of inverse polarity in high lands at ~180 lon:–  possible signature of  early sea floor spreading – change of the polarity of Mars global field in the past

•No magnetization over large impact basins of Hellas and Argyre:– Large impact did remove the crustal field in these 

regions

MGS observation Interpretation 

Page 20: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Mars Crustal field modelsPurucker et al., Geophys. Res. Let. 27, 16, 2449, 2000:

11550 Radial dipole distributed all over the surface of MarsDipole moment computed to best fit the MGS radial field data @ <200km

Developed to produce magnetic field map at 200 km     for geological study

Available and implemented in PLANETOCOSMICS  

Page 21: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Mars Crustal field models

Arkani­Hamed, J. Geophys.  Res. 106, E10, 23197, 2001:50 degree spherical harmonic modelModel coefficient   computed to best fit the MGS    data @ <200kmDeveloped to produce magnetic field map at    120 km Not available

Page 22: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Mars Crustal field models

Cain et al., J. Geophys.  Res. 108, E2, 5008, 2003:90 and 50­ degree spherical harmonic model90 degree model developed to best­fit all MGS data50 degree model developed to best fit the MGS mapping orbit data (~400 km)The 90 degree model is needed to match the smaller scale structureProbably the best one Available and implemented in PLANETOCOSMICS  

Page 23: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Field lines Cain50 (spherical geometry)

Page 24: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PlanetAtmosphereCommon to all planets•Attribute vectors defining p, n, T,  & composition  vs altitude

•Definition of atmosphere structure by an ASCII table

•Specific to a planet• Interface with a model  for defining the p, n,... vectors

•Earth Model : NRMLSISE00, MSISE90

•MarsModel : MarsGRAM2001

Page 25: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

NASA Mars­GRAM2001 model 

•p,n, T in function of :• Lat., long. (topography from MOLA)• Altitude, season, local time, F10.7• Dust models

•Based on :• Nasa MGCM 0­80 km• Univ. of Arizona MTGCM 80­170 km

• Implementation in PLANETOCOSMICS:Python script that convert  MarsGram2001 output into a PLANETOCOSMICS atmospheric table

Page 26: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Soil model 

Different layers For each layer definition of  

DensityComposition (50% SiO2, 25%...., ) Thickness   

Page 27: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Cutoff Rigidities vs position

Rc [G

V]  

Magnetic shielding on Earth

Page 28: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Altitude [km]

Ion

s p

air 

pro

du

ctio

n r

ate 

#/cm

­3/s

  Cosmic ray shower flux in Earth's atmosphere

Om

nid

irec

tion

al f

lux 

[cm

­2s­1

]

Depth [g/cm2]

Page 29: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

5MeV electrons in the region of Mars with the strongest crustal field 

Page 30: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Magnetic shielding on Mars at ­47.8 N and  174 E

10 MeV e­ 1 MeV e­

Tracking of 107 downward monoenergetic particles starting at 300 km altitude and  distributed uniformly over a 1200 km *1200 km wide areaDetection of nb of particles that hits the ground in function of position

Page 31: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Magnetic shielding on Mars at ­47.8 N and  174 E

10 MeV proton 100 keV proton

Page 32: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Computation of radiation flux on Mars 

Simulation of the interaction of galactic cosmic ray proton with   the Martian soil and atmosphere at ­47.8 North, 174 E

Computation of resulting radiation at surface level andand in the atmosphere

Atmosphere 13,3 g/cm­2 thick 95,7 %CO2 , 2.7% N2, 1,6 % Ar

Soil

density 3.5 g/cm3

compositon as measured by the alpha­proton X ray spectrometer 

on PathfinderSojourner (Boyce 2002)

Page 33: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Flux of e­ and protons on Mars surface induced by galactic cosmic ray protons

Page 34: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Flux of gamma induced by galactic cosmic ray protons during solar minimum

Page 35: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec

Flux of neutrons on Mars  induced by galactic cosmic ray protons at solar minimum

Page 36: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

10 GeV protons e­ >1 MeVe+ > 1 MeVproton > 10 MeV

Mercury Soil + Dipole B0= 300 nT

Page 37: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

Mercury Soil + Dipole B0= 300 nT  

10 GeV protons from daysidee­ >1 MeVe+ > 1 MeVproton > 10 MeV

Page 38: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

Quasi trapped e­ in Mercury dipole field

Page 39: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

Quasi trapped e+ in Mercury dipole field

Page 40: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

Quasi trapped protons in Mercury dipole field

Page 41: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

10 GeV protons neutronsgammas 

Page 42: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

Possible future work

Take into account  the convection and induced electric fieldImplement a more accurate magnetosphere  model for MercuryAdd Jupiter case (study of magnetic shielding and CRAND)Modelise sputtering processTake into account the gravitation field... 

Page 43: L. Desorgher, M. Gurtner, and E.O. Flückiger ...cosray.unibe.ch/~laurent/...finalpres_15112004.pdf · PLANETOCOSMICS 14 September 2004 Progress meeting Estec Space coordinate convertor

For more informations

Email to [email protected]