Analyse von Daten des CDAs auf Cassini mittels eines Web-Interfaces

Fakultät für Physik und Astronomie
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Analyse von Daten des
Cosmic-DustAnalyzers auf Cassini
mittels eines Web-Interfaces

Diplomarbeit
im Studiengang Physik

vorgelegt von

Dirk Stoltenberg

aus Witten

2002

Analyse von Daten des Cosmic-Dust-Analyzers auf Cassini mittels eines Web-Interfaces: 

Der Cosmic-Dust-Analyzer (CDA) ist ein Detektor für Staubeinschläge an Bord der Raumsonde Cassini. Die von ihm aufgenommenen Daten sind in einer Datenbank am Max-Planck-Institut für Kernphysik gespeichert. Mittels in Java programmierter Applets und Servlets wurde ein Web-Interface erstellt, dass über verschiedene Funktionen zur Visualisierung und Analyse dieser Daten verfügt. Es ermöglicht die grafische Darstellung von Signalen, Datenraten und Histogrammen. Das Web-Interface ist unter der Adresse http://www.mpi-hd.mpg.de/dustdatabase/ zugänglich.

Es werden erste Analysen des Datenbestands mit dem Web-Interface beschrieben. Dabei werden Auswirkungen der Ausrichtung der Sonde auf die Datenrate diskutiert. Die Daten selbst werden in Teilcheneinschläge und Störungen klassifiziert. Die durch interplanetaren Staub und Jupiter-Staubstromteilchen hervorgerufenen Ereignisse werden diskutiert. Die von Ulysses entdeckten Jupiter-Staubströme wurden ebenfalls gesehen. Zudem wurde untersucht, ob der CDA durch den Betrieb des RPWS-Sounders (Radio and PlasmaWave Science) oder durch Bow-Shock-Crossings im Jupitersystem gestört wird. In beiden Fällen konnte keine Beeinflussung festgestellt werden.

Data Analysis from the Cosmic-Dust-Analyzer on Cassini by means of a Web-Interface: 

The Cosmic-Dust-Analyzer (CDA) is a detector for dust impacts on board the space probe Cassini. The data from the CDA is stored in a data base at the Max-Planck Institut for Nuclear Physics. A web-interface with various functions for the visualization and analysis of this data was created. The web-interface enables the graphical presentation of signals, data rates and histograms. The Url of the Web-Interface is http://www.mpi-hd.mpg.de/dustdatabase/.

Alongside of the description of the program, the first analyses of the stored data using the webinterface are discussed. Thereby, the effects of the probe alignment on the data rate will be examined. The data will be classified into dust-impacts and noise. The events evoked through interplanetary dust and jovian dust stream particles shall be discussed. The Jupiter dust-streams discovered by Ulysses were likewise observed. In addition, it was also tested to see if the CDA will be disturbed by the use of the RPWS-Sounder (Radio and Plasma Wave Science) or by the Bow-Shock-Crossings in the jovian system. No influences could be found in either case.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1
1.1 Interplanetarer Staub ... 1
1.2 Über diese Arbeit ... 2
1.2.1 Zielsetzung ... 2
1.2.2 Aufbau ... 2

2 Die Cassini-Huygens-Mission und der Cosmic-Dust-Analyzer ... 5
2.1 Beschreibung der Cassini-Huygens-Mission ... 5
2.2 Der Cosmic-Dust-Analyzer (CDA) ... 5
2.2.1 Aufgaben des CDAs ... 6
2.2.2 Aufbau und Funktionsweise des CDA ... 8
2.2.3 Der High-Rate-Detector ... 10

3 Beschreibung des Web-Interface ... 13
3.1 Beschreibung der Datenbank ... 13
3.2 Web-Interface zur Auswertung der CDA-Daten ... 14
3.2.1 Leistungen des Web-Interface ... 14
3.2.2 Aufbau und Motivation ... 15
3.2.3 Beschreibung des GUI ... 17

4 Übersicht über den Datenbestand ... 23
4.1 Definition der Drehachsen der Raumsonde ... 23
4.2 Übersicht über die Bewegung Cassinis im interplanetaren Raum ... 23
4.3 Die Aufnahme eines Videos von Jupiter ... 25
4.4 Gesamtrate der vom CDA registrierten Ereignisse ... 27

5 Störungen und Testpulse ... 31
5.1 Störungen ... 31
5.2 Testpulse ... 34
5.3 Störung durch den RPWS-Sounder ... 34
5.4 Bow-Shock-Crossings ... 38

6 Einschläge von Staubteilchen ... 41
6.1 Jupiter-Staubstromteilchen ... 41
6.2 Gemeinsame Messung der Sonden Cassini und Galileo ... 43
6.3 Interplanetarer Staub ... 44

7 Zusammenfassung der Datenklassen ... 49 

A Aufbau und Installation des Web-Interface ... 51 
A.1 Funktionsweise des GUI ... 51 
A.2 Funktionsweise der Servlets ... 60 
A.2.1 Die textbasierte Auslese: DataServlet.java ... 60 
A.2.2 Die Auslese der Signale: TesinaServlet.java ... 61 
A.2.3 Die Histogramm-Funktion: HistoryServlet.java ... 69 
A.3 Einrichtung des Web-Servers ... 77 
A.4 Installation des Datenbanktreibers ... 77 
A.5 Persönliche Empfehlungen zum Thema Java ... 79 

B Beschreibung der Tabellen der Datenbank ... 81 

Literaturverzeichnis

Kapitel 1
Einleitung
1.1 Interplanetarer Staub
Interplanetarer Staub wurde erstmals 1683 von Cassini erwähnt, als er das Zodiakallicht erklärte. Er erkannte, dass das Zodiakallicht durch Streuung des Sonnenlichts an kleinen Staubpartikeln, die sich zwischen Sonne und Erde befinden, hervorgerufen wird.

Ein weiteres Phänomen, welches durch interplanetaren Staub hervorgerufen wird, sind Meteore und Sternschnuppen. Wenn ein Staubpartikel mit einem Durchmesser von ca. einem Zentimeter und einer Geschwindigkeit >= 10 km/s in die Erdatmosphäre eintritt, wird seine Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Diese reicht aus, um das Teilchen zu verdampfen. Dabei lösen sich seine Oberflächenatome, welche aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie die Gasmoleküle der Atmosphäre anregen und ionisieren können. Entlang ihrer Trajektorie hinterlassen sie eine kilometerlange leuchtende Spur, die von der Erde aus zu beobachten ist.

Während man sich früher in der Staubforschung mit Beobachtungen des Zodiakallichts und der Meteore begnügen musste, stellten sich mit den Fortschritten in der Luft- und Raumfahrttechnik weitere Observationsmethoden ein. In der Stratosphäre sammeln Flugzeuge mit speziellen Staubkollektoren Mikrometeoriten ein; Mondgestein weist sogenannte Mikrokrater auf, die durch Staubeinschlag hervorgerufen wurden. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts wurden eine Reihe von Raumsonden durch unser Sonnensystem geschickt, die, mit Staubdetektoren ausgestattet, Fluß, Ladung und z. T. die chem. Zusammensetzung der Staubpartikel im Sonnensystem messen. Einige Missionen sind in Tabelle 1.1 dargestellt.

Tabelle 1.1: Ausgewählte Raumsonden mit Staubdetektoren. Die Massengrenze bezieht sich auf Einschlagsgeschwindigkeiten von 20 km/s

!! Im PDF-Dokument befindet sich an dieser Stelle eine Tabelle !!

Durch theoretische Überlegungen und Messungen wurde u.a. festgestellt, dass Staubteilchen nur eine begrenzte Lebenszeit im Sonnensystem haben. Kleine Partikel mit Durchmessern <1 µm werden durch den Strahlungsdruck des Sonnenwinds oder der Lorentzkraft aus dem Sonnensystem getrieben. Bei größeren Teilchen (Durchmesser <=100 µm) überwiegen Gravitation und Poynting-Robertson-Effekt, so dass sie sich langsam der Sonne nähern. Berechnungen zeigen, dass ein 10 µm großes, steiniges Teilchen nur einige 104 Jahre benötigt, um sich aus einer Entfernung von 2 AE der Sonne so weit zu nähern, um zu verdampfen. Dieses geschieht je nach chemischer Zusammensetzung der Partikel in einer Entfernung von ca. 2-4 Sonnenradien (KRIVOV & Mitarb., 1998).

Demzufolge hätte unser Sonnensystem im Laufe seiner Existenz längst staubfrei werden müssen,  wenn es keine Quellen gäbe. Als Staubquellen wurden zuerst Kometen und Asteroiden identifiziert. Im Jahre 1992 entdeckte Ulysses Staubströme im Jupitersystem deren Quelle in den Vulkanen des Jupitermondes Io lagen (GR N & Mitarb., 1993). Zudem wird unser Sonnensystem auch von interstellarem Staub durchsetzt.

Somit ermöglicht die Staubforschung durch die Untersuchung von Mikrometeoriten die Beschaffung von Informationen über ihre Mutterkörper, die auf andere Art kaum zugänglich sind.

!! Im PDF-Dokument befindet sich an dieser Stelle eine Abbildung !!

Abbildung 1.1 zeigt ein typisches Staubteilchen von ca. 15 µm Durchmesser. Aus der Linie, die die Elementhäufigkeit angibt, ist zu entnehmen, dass das Teilchen hohe Anteile von Magnesium, Silizium, Eisen und Schwefel besitzt.

1.2 Über diese Arbeit
1.2.1 Zielsetzung
Ziel dieser Arbeit ist die Präsentation erster Ergebnisse eines im Internet verfügbaren Programms zur Visualisierung der vom Cosmic-Dust-Analyzer (CDA) an Bord der Raumsonde Cassini aufgenommenen Daten. Diese Daten sind in einer Datenbank im Max-Planck-Institut abgelegt.

Um diese Daten Wissenschaftlern und anderen interessierten Personen in der ganzen Welt zur Verfügung zu stellen, wurde ein Web-Interface programmiert, das über verschiedene Möglichkeiten verfügt, Daten grafisch oder textbasiert darzustellen.

Neben der Erstellung des Programmes wird ein Überblick über den Datenbestand gegeben. Dabei werden die vorhandenen Daten anhand einiger Merkmale klassifiziert.

Die Arbeit mit dem Programm wird an einigen Beispielen gezeigt, indem verschiedene Phänomene, die während des Flugs auftraten, analysiert werden.

1.2.2 Aufbau
In Kapitel 2 werden die Cassini-Huygens-Mission und der Cosmic-Dust-Analyzer (CDA) beschrieben. Die Messungen des CDA bilden den wissenschaftlichen Hintergrund dieser Arbeit.

Für die Beschaffung und Analyse der Daten wurde vor allem das in Kapitel 3 beschriebene Web-Interface benutzt. Aus diesem Grund ist ihm ein ganzes Kapitel gewidmet, in dem sowohl seine Leistungen (Abschnitt 3.2), als auch sein Aufbau erklärt werden. Dem Leser, der nicht mit der Programmiersprache Java vertraut ist, werden dabei wichtige Fachbegriffe kurz erklärt. Eine detailliertere Beschreibung des Programms ist im Anhang (A.2) zu finden. Die folgenden Kapitel widmen sich der Beschreibung des Datenbestands, wobei das Web-Interface zur Analyse benutzt wird. Kapitel 4 beschreibt den Datenbestand als Ganzes, wobei die Untersuchung von Zusammenhängen zwischen der Ausrichtung der Raumsonde und der Ereignisrate im Vordergrund steht. In Kapitel 5 werden Störungen und Testpulse beschrieben, während sich Kapitel 6 mit den registrierten Teilcheneinschlägen befasst.

Im Anhang befinden sich ein Kommentar zum Quellcode des Programms, der den Programmablauf und wichtige Methoden beschreibt (Kapitel A).

In Kapitel B sind Auszüge aus einer Beschreibung der Datenbank zusammengefaßt. In ihm werden die durch das Web-Interface ausgelesenen Tabellen beschrieben.

Kapitel 2
Die Cassini-Huygens-Mission und der Cosmic-Dust-Analyzer
2.1 Beschreibung der Cassini-Huygens-Mission
Die Raumsonde Cassini (Abbildung 2.1, benannt nach dem italienisch-französischen Astronom Jean-Dominique Cassini (1625-1712), wurde am 15. Oktober 1997 gestartet.

[...]