008240612s2023      us  |||||||||||||||c||eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30425124
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a551.5
■1001  ▼aHanley,  Kathleen  Gwen.
■24510▼aThe  Beginnings  of  Cold  Ion  Outflow  at  Mars:  Supply  and  Energization  Near  the  Exobase▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bUniversity  of  California,  Berkeley.  ▼c2023
■260  1▼aAnn  Arbor  :▼bProQuest  Dissertations  &  Theses,  ▼c2023
■300    ▼a1  online  resource(107  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-03,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Mitchell,  David;Bale,  Stuart.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  California,  Berkeley,  2023.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aThe  study  of  planetary  ionospheres  dates  back  thousands  of  years,  to  humanity's  first  attempts  to  explain  the  polar  aurora.  Ionospheric  physics  is  a  study  of  one  pathway  for  energy  to  enter  a  planetary  atmosphere:  transfer  from  sunlight  and  solar  wind  plasma  to  planetary  plasma,  and  from  the  planetary  plasma  to  the  neutral  atmosphere.  In  the  modern  era  of  ionospheric  physics,  electrostatic  analyzers  with  attached  time-of-flight  velocity  analyzers  are  excellent  tools  for  the  study  of  planetary  ionospheres  because  they  can  measure  mass-resolved  3-dimensional  ion  velocity  distribution  functions  over  a  wide  range  of  energies  and  fluxes,  with  large  fields-of-view  and  moderate  angular  resolution.One  example  of  an  electrostatic  analyzer  with  attached  time-of-flight  section  is  the  SupraThermal  And  Thermal  Ion  Composition  (STATIC)  instrument  onboard  the  Mars  Atmosphere  and  Volatile  EvolutioN  (MAVEN)  mission.  MAVEN  has  been  collecting  data  since  2014  with  the  goal  of  illuminating  how  Martian  climate  and  habitability  have  been  affected  by  the  escape  of  the  atmosphere  to  space.  To  that  end,  STATIC  was  designed  to  measure  the  main  ionospheric  and  escaping  species,  operating  from  deep  in  the  collisional  atmosphere  out  to  the  tenuous  exosphere  and  magnetotail.  STATIC  samples  ion  velocity  distribution  functions  every  4  seconds  across  a  field-of-view  covering  2π  steradians  for  ions  with  energies  between  0.1  eV  and  30  keV  and  masses  between  1  and  60  amu.  This  work  will  treat  STATIC  as  a  case  study  in  order  to  examine  some  of  the  challenges  associated  with  using  electrostatic  analyzers  in  space,  including  the  effects  of  background  counts,  spacecraft  potential,  and  supersonic  spacecraft  motion  on  the  measurement  and  analysis  of  distribution  functions.  Before  the  discussion  of  those  details,  we  first  provide  an  introduction  to  the  geometry  of  electrostatic  analyzers  and  how  the  measured  count  rates  are  related  to  physical  quantities. This  work  also  describes  the  results  of  several  investigations  in  which  MAVEN-STATIC  data  were  used  to  examine  the  beginnings  of  cold  ion  outflow  at  Mars.  Models  of  the  Martian  ionosphere  show  that  the  vast  majority  of  ions  are  created  at  altitudes  near  120  km,  the  location  of  the  main  ionospheric  peak.  The  peak  is  located  deep  in  the  collisional  atmosphere,  where  collisions  are  theorized  to  keep  the  ions  in  thermal  equilibrium  with  the  cold  neutral  atmosphere.  The  vast  majority  of  the  ionospheric  ions  are  therefore  gravitationally  bound  to  the  planet.  Most  ions  that  have  the  potential  to  escape  the  planet's  gravity  are  created  near  a  boundary  called  the  exobase,  where  the  mean  free  path  between  collisions  becomes  equal  to  the  scale  height  and  the  ions  no  longer  thermalize  with  the  neutrals.  The  exobase  can  be  considered  the  top  of  the  collisional  atmosphere  and  varies  between  140  and  210  km  altitude  dependent  on  local  time  and  season.  In  the  present  epoch,  10-20%  of  atmospheric  loss  is  attributable  to  the  loss  of  ions  from  hundreds  or  thousands  of  kilometers  above  the  main  peak  and  the  exobase  region.  The  mechanisms  by  which  ions  gain  enough  energy  to  escape  the  planet's  gravity  between  the  exobase  and  the  altitudes  where  they  escape  are  not  yet  understood,  but  we  have  used  STATIC  data  to  begin  analysis  of  ion  distribution  functions  in  the  vicinity  of  the  exobase.The  analysis  of  ion  velocity  distribution  functions  measured  near  the  exobase  is  experimentally  challenging  because  the  spacecraft  travels  supersonically  with  respect  to  the  cold  ions,  affecting  observations  of  both  the  energy  and  angular  distributions.  The  details  of  how  the  instrumentation  affects  measurements  of  the  distribution  function  must  be  understood  in  detail  in  order  to  extract  accurate  plasma  parameters.  In  this  work,  we  describe  many  of  the  procedures  used  to  extract  accurate  plasma  parameters  from  STATIC  data.  We  use  these  corrections  to  begin  to  bridge  the  gap  between  studies  of  ion  outflow  conducted  high  above  the  exobase  and  studies  of  the  cold,  thermal  ionosphere  near  the  main  peak. Specifically,  we  report  the  first  measurements  of  Martian  ionospheric  ion  temperatures  since  the  Viking  landers  in  1975  and  1976,  including  the  results  of  both  a  case  study  and  a  statistical  study  of  over  10,000  MAVEN  orbits.  Unexpectedly,  ion  temperatures  are  significantly  elevated  over  neutral  gas  temperatures  many  scale  heights  below  the  exobase,  and  none  of  the  obvious  mechanisms  for  ion  heating  explained  the  observed  temperature  difference.  This  surprising  result  was  noted  both  in  the  case  study  and  the  study  using  the  majority  of  the  STATIC  dataset,  suggesting  that  a  fundamental  piece  of  physics  is  missing  from  current  models  of  the  Martian  ionosphere.Finally,  we  also  report  the  results  of  a  statistical  study  with  the  goal  of  determining  where  signatures  of  ion  energization  are  observed  in  STATIC  data.  By  fitting  the  measured  distribution  functions  with  drifting  Maxwell-Boltzmann  distributions,  we  identified  distributions  in  which  suprathermal  ions  produced  a  significant  portion  of  the  measured  energy  flux.  Most  distributions  are  well-described  by  the  Maxwell-Boltzmann  distribution  below  the  exobase  region-in  other  words,  the  neutral  atmosphere  dominates  low-altitude  ion  dynamics.  Suprathermal  ions  are  observed  just  above  the  exobase  at  all  solar  zenith  angles.  A  comparison  of  results  inside  and  outside  Mars'  strong  crustal  magnetic  field  regions  showed  that  more  thermal  plasma  is  observed  inside  crustal  fields  on  the  dayside,  while  more  suprathermal  plasma  is  observed  inside  crustal  fields  on  the  nightside.  These  results  suggest  that  crustal  fields  shield  dayside  plasma  from  energization  by  the  solar  wind  while  enhancing  energization  and  outflow  on  the  nightside. The  techniques  developed  in  this  work  provide  tools  for  continued  investigation  into  the  physics  of  initial  ion  acceleration  at  Mars  using  STATIC  data,  while  the  results  reported  here  provide  context  for  case  studies  in  which  the  processes  responsible  for  ion  acceleration  can  be  analyzed.  The  study  of  initial  ion  acceleration  at  Mars  is  just  one  context  in  which  electrostatic  analyzers  in  combination  with  time-of-flight  analyzers  provide  insight  into  the  physics  that  cannot  be  matched  by  any  other  instrument.
■590    ▼aSchool  code:  0028.
■650  4▼aAeronomy.
■650  4▼aPlasma  physics.
■650  4▼aPlanetology.
■650  4▼aPhysics.
■653    ▼aElectrostatic  analyzer
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■71020▼aUniversity  of  California,  Berkeley▼bPhysics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-03B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
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■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2023
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16931837▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
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