Thermal and Plasma Simulations of Comet C/1995 O1 (Hale-Bopp) and the Rosetta Target Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko

Gortsas, Nikolaos

This work is devoted to the simulation of cometary activity and of the solar wind-comet interaction. Cometary activity is calculated from a macroscopic thermophysical nucleus model consisting of the heat- and mass transfer problem of cometary nuclei. The model accounts for heat conduction, heat advection, sublimation, and gas diffusion in a porous mixture of dust, water ice, and CO ice. The characteristic feature of this model is the treatment of surface erosion due to surface sublimation as a moving boundary value problem allowing to take properly into account the loss process of internal energy of the eroded sub-surface layers. These kind of problems are known as Stefan problem. After thoroughly validating the newly developed computer code the water and CO activity of comet C/1995 O1 (Hale-Bopp) is calculated and successfully compared with a data set of empirically derived production rates. In distinction to previous models the presented approach allows to interpret these observations without the assumption of amorphous ice and CO gas occluded therein. The model is then applied to the target comet of the European Space Agency's (ESA) Rosetta mission, 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P). Activity of water and CO as well as temperature depth profiles are calculated. In the second part of the thesis the plasma environment of 67P is calculated based on results derived from the thermal modeling of cometary activity. The hybrid plasma model developed at the TU Braunschweig is applied and extended to simulate aspects of the solar wind-comet interaction. The hybrid plasma model treats the dynamics of the solar wind protons and cometary ions kinetically while the electrons are modeled as a charge neutralizing fluid that instantaneously adapts to the heavy ion dynamics. Anisotropic cometary activity patterns, the approach of the comet to the Sun, and the effects of two ion species of cometary origin, water and CO, are investigated in detail.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Berechnung der Aktivität von Kometen und der darauf aufbauenden Wechselwirkung mit dem Sonnenwind. Die Aktivität wird durch das Lösen eines makroskopischen Modells zum Wärme- und Massentransport im Kometenkern berechnet. Das Modell umfasst die Prozesse der Wärmeleitung, Wärmeadvektion, Sublimation und Gasdiffusion in einem porösen Gemisch aus Staub, Wasser- und CO-Eis. Kennzeichnend für das hier entwickelte Modell ist die Berücksichtigung von Oberflächenerosion infolge von Oberflächensublimation und des damit zusammenhängenden Verlustprozesses an interner Energie. Numerisch führt dies zu bewegten Randbedingungen, die mit Hilfe spezieller Methoden aus der numerischen Mathematik behandelt werden. Diese Art von Problemen werden in der Literatur als Stefan Problem bezeichnet. Nach Validierung des neu entwickelten Computerprogramms wird die CO- und Wasseraktivität des Kometen C/1995 O1 (Hale-Bopp) berechnet und mit empirischen Produktionsraten erfolgreich verglichen. Damit wird eine Interpretation dieser Daten präsentiert, die nicht von der Hypothese über die Existenz von amorphem Eis und darin eingeschlossenem CO-Gas Gebrauch macht. Anschließend werden Temperaturtiefenprofile sowie die CO- und Wasseraktivität des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) in Vorbereitung auf die Rosetta Mission der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) berechnet. Im zweiten Teil der Arbeit fliessen Erkenntnisse aus der Berechnung der CO- und Wassereisaktivität des Kometen 67P in die numerische Berechnung der Sonnenwind-Kometen-Wechselwirkung ein. Dazu wird ein an der TU Braunschweig entwickeltes Modell zur Berechnung der Plasmaumgebung von Kometen angewandt und erweitert, um spezielle Aspekte der Sonnenwind-Kometen-Wechselwirkung zu studieren. Zu den präsentierten Simulationen gehören Untersuchungen von anisotropen Ausgasungsprofilen, der Annäherung des Kometen an die Sonne und der Wirkung zweier kometarer Ionenspezien auf die Plasmaumgebung des Kometen.

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Gortsas, Nikolaos: Thermal and Plasma Simulations of Comet C/1995 O1 (Hale-Bopp) and the Rosetta Target Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2010.

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