TY - JOUR A1 - Makuch, Martin A1 - Brilliantov, Nikolai V. A1 - Sremcevic, Miodrag A1 - Spahn, Frank A1 - Krivov, Alexander V. T1 - Stochastic circumplanetary dynamics of rotating non-spherical dust particles JF - Planetary and space science N2 - We develop a model of stochastic radiation pressure for rotating non-spherical particles and apply the model to circumplanetary dynamics of dust grains. The stochastic properties of the radiation pressure are related to the ensemble-averaged characteristics of the rotating particles, which are given in terms of the rotational time-correlation function of a grain. We investigate the model analytically and show that an ensemble of particle trajectories demonstrates a diffusion-like behaviour. The analytical results are compared with numerical simulations, performed for the motion of the dusty ejecta from Deimos in orbit around Mars. We find that the theoretical predictions are in a good agreement with the simulation results. The agreement however deteriorates at later time, when the impact of non-linear terms, neglected in the analytic approach, becomes significant. Our results indicate that the stochastic modulation of the radiation pressure can play an important role in the circumplanetary dynamics of dust and may in case of some dusty systems noticeably alter an optical depth. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved. KW - Mars KW - Deimos KW - ejecta KW - stochastics KW - radiation pressure Y1 - 2006 U6 - https://doi.org/10.1016/j.pss.2006.05.006 SN - 0032-0633 VL - 54 IS - 9-10 SP - 855 EP - 870 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Makuch, Martin A1 - Krivov, Alexander V. A1 - Spahn, Frank T1 - Long-term dynamical evolution of dusty ejecta from Deimos N2 - We re-assess expected properties of the presumed dust belt of Mars formed by impact ejecta from Deimos. Previous studies have shown that dynamics of Deimos particles are dominated by two perturbing forces: radiation pressure (RP) and Mars' oblateness (J2). At the same time, they have demonstrated that lifetimes of particles, especially of grains about ten of micrometers in size, may reach more than 10(4) years. On such timescales, the Poynting-Robertson drag (PR) becomes important. Here we provide a study of the dynamics under the combined action of all three perturbing forces. We show that a PR decay of the semimajor axes leads to an adiabatic decrease of amplitudes and periods of oscillations in orbital inclinations predicted in the framework of the underlying RP+J2 problem. Furthermore, we show that smallest of the long-lived Deimos grains (radius approximate to 5-10 mum) may reach a chaotic regime, resulting in unpredictable and abrupt changes of their dynamics. The particles just above that size (approximate to 10- 15 mum) should be the most abundant in the Deimos torus. Our dynamical analysis, combined with a more accurate study of the particle lifetimes, provides corrections to earlier predictions about the dimensions and geometry of the Deimos torus. In addition to a population, appreciably inclined and shifted towards the Sun, the torus should contain a more contracted, less asymmetric, and less tilted component between the orbits of Phobos and Deimos. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved Y1 - 2005 SN - 0032-0633 ER - TY - JOUR A1 - Spahn, Frank A1 - Schmidt, Jürgen A1 - Albers, Nicole A1 - Hörning, Marcel A1 - Makuch, Martin A1 - Seiß, Martin A1 - Kempf, Sascha A1 - Srama, Ralf A1 - Dikarev, Valeri A1 - Helfert, Stefan A1 - Moragas-Klostermeyer, Georg A1 - Krivov, Alexander V. A1 - Sremcevic, Miodrag A1 - Tuzzolino, Anthony J. A1 - Economou, Thanasis A1 - Grün, Eberhard T1 - Cassini dust measurements at Enceladus and implications for the origin of the E ring Y1 - 2006 UR - http://www.sciencemag.org/content/311/5766/1416.full U6 - https://doi.org/10.1126/science.1121375 ER - TY - THES A1 - Makuch, Martin T1 - Circumplanetary dust dynamics : application to Martian dust tori and Enceladus dust plumes T1 - Circumplanetare Staubdynamik : Anwendung zu den Staubtori von Mars und den Enceladus Staubfontänen N2 - Our Solar system contains a large amount of dust, containing valuable information about our close cosmic environment. If created in a planet's system, the particles stay predominantly in its vicinity and can form extended dust envelopes, tori or rings around them. A fascinating example of these complexes are Saturnian rings containing a wide range of particles sizes from house-size objects in the main rings up to micron-sized grains constituting the E ring. Other example are ring systems in general, containing a large fraction of dust or also the putative dust-tori surrounding the planet Mars. The dynamical life'' of such circumplanetary dust populations is the main subject of our study. In this thesis a general model of creation, dynamics and death'' of circumplanetary dust is developed. Endogenic and exogenic processes creating dust at atmosphereless bodies are presented. Then, we describe the main forces influencing the particle dynamics and study dynamical responses induced by stochastic fluctuations. In order to estimate the properties of steady-state population of considered dust complex, the grain mean lifetime as a result of a balance of dust creation, life'' and loss mechanisms is determined. The latter strongly depends on the surrounding environment, the particle properties and its dynamical history. The presented model can be readily applied to study any circumplanetary dust complex. As an example we study dynamics of two dust populations in the Solar system. First we explore the dynamics of particles, ejected from Martian moon Deimos by impacts of micrometeoroids, which should form a putative tori along the orbit of the moon. The long-term influence of indirect component of radiation pressure, the Poynting-Robertson drag gives rise in significant change of torus geometry. Furthermore, the action of radiation pressure on rotating non-spherical dust particles results in stochastic dispersion of initially confined ensemble of particles, which causes decrease of particle number densities and corresponding optical depth of the torus. Second, we investigate the dust dynamics in the vicinity of Saturnian moon Enceladus. During three flybys of the Cassini spacecraft with Enceladus, the on-board dust detector registered a micron-sized dust population around the moon. Surprisingly, the peak of the measured impact rate occurred 1 minute before the closest approach of the spacecraft to the moon. This asymmetry of the measured rate can be associated with locally enhanced dust production near Enceladus south pole. Other Cassini instruments also detected evidence of geophysical activity in the south polar region of the moon: high surface temperature and extended plumes of gas and dust leaving the surface. Comparison of our results with this in situ measurements reveals that the south polar ejecta may provide the dominant source of particles sustaining the Saturn's E ring. N2 - In unserem Sonnensystem befindet sich eine große Menge an Staub, der viele Informationen über unseren Kosmos enthält. Wird der Staub im System um den Planeten gebildet, bleibt er vorwiegend in dessen Nähe und bildet Staubhüllen, -tori oder -ringe um ihn. Ein faszinierendes Beispiel eines solchen Komplexes sind die Saturnringe, in denen von mikrometergroßen Partikeln bis zu hausgroßen Körpern alle Partikelgrößen vertreten sind. Weitere Beispiele sind Ringsysteme im Allgemeinen, sowie der vermutete Staubring um Mars. Das dynamische Verhalten einer solchen Staubpopulation ist Hauptthema dieser Dissertation. In dieser Arbeit wurde ein allgemeines Modell zur Erzeugung, Dynamik und Vernichtung von planetarem Staub entwickelt. Endogene und exogene Mechanismen zur Produktion von Staub an atmosphärenlosen Körpern werden vorgestellt. Desweiteren werden die wichtigsten Kräfte welche die Teilchendynamik beeinflussen, sowie die Auswirkung von stochastischen Fluktuationen untersucht. Die Lebenszeiten der Staubkörner als Bilanz zwischen Staubproduktion und -vernichtung werden bestimmt, um den stationären Zustand der Staubkonfiguration abzuschätzen. Die Lebenszeit des Staubes hängt stark von den Eigenschaften der Umgebung und der Teilchen sowie von deren dynamischer Vergangenheit ab. Das vorgestellte Modell kann auf alle planetaren Systeme angewandt werden. Als Beispiel wurden zwei Staubpopulationen in unserem Sonnensystem studiert. Zuerst wurde die Dynamik des Staubes untersucht, welcher durch Mikrometeorideneinschläge auf dem Marsmond Deimos produziert wird und die vermuteten Marstori erzeugt. Der Poynting-Robertson-Effekt, als indirekter Einfluss des Strahlungsdruckes, bewirkt eine signifikante Langzeitänderung der Torusgeometrie. Desweiteren verursacht der Strahlungsdruck eine stochastische Dispersion des nichtsphärischen Staubteilchenensembles, was eine Verringerung der Teilchenzahldichten beziehungsweise der entsprechenden optischen Tiefen im Torus bewirkt. Weiterhin wurde die Staubdynamik in der Umgebung des Saturnmondes Enceladus untersucht. Während des Vorbeifluges der Raumsonde Cassini registrierte der Staubdetektor eine Staubpopulation von mikrometergroßen Teilchen um den Mond. Überraschenderweise wurde die maximal registrierte Staubrate eine Minute vor der größten Annäherung an den Mond gemessen. Diese Asymmetrie der Messung kann, wie in dieser Arbeit demonstriert, mit einer lokalen Staubquelle am Südpol des Mondes erklärt werden. Andere Instrumente der Cassini - Sonde belegen die geophysikalische Aktivität der Südpolregion des Mondes in Form einer erhöhten Oberflächentemperatur und Fontänen von Gas und Staub an der Südpolumgebung. Der Vergleich der numerischen Simulationen mit den in - situ - Messungen zeigt, dass die Südpolquelle die voraussichtlich wichtigste Quelle von E-Ringteilchen ist. KW - Kosmischer Staub KW - Dynamik KW - Stochastik KW - Mars KW - Saturn KW - Cosmic Dust KW - Dynamics KW - Stochastics KW - Mars KW - Saturn Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14404 ER -