Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5031
Main Title: Observations of Mercury's rotational state from combined MESSENGER laser altimeter and image data
Translated Title: Bestimmung des Rotationszustandes von Merkur durch Kombination von MESSENGER Laseraltimeter- und Bilddaten
Author(s): Stark, Alexander
Advisor(s): Oberst, Jürgen
Hussmann, Hauke
Referee(s): Oberst, Jürgen
Hauck, Steven A.
Thomas, Nicolas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In this thesis observations of Mercury's rotational state were carried out, using orbital data from the Mercury Surface, Space environment, geochemistry, and Ranging (MESSENGER) spacecraft. First, a reference rotation model of Mercury was derived. New Solar System ephemerides were used to obtain updated values for the mean orbital period and plane of Mercury as well as the instantaneous Laplace plane. With the help of the obtained values the resonant rotation model was constructed and used for interpretation of actual observations of the rotational state of the planet. For the measurement of the rotational parameters of Mercury a novel approach consisting of a combination of digital terrain models from stereo images and laser altimeter data from MESSENGER was elaborated. The method was extensively tested using simulated data and the uncertainty of the parameter estimation was assessed. By applying this method to three years of MESSENGER orbital observations the rotational parameters, including the libration amplitude, the orientation of the rotation axis, and the mean rotation rate of Mercury, were measured. The libration amplitude was found to be 38.9 +/- 1.3 arc seconds or 460 m at the equator. The obliquity of the rotation axis was observed to be 2.029 +/- 0.085 arc minutes, which is very close to the orbital plane normal. The rotation period was measured as 58.6460768 days with an accuracy on the level of one second. This is lower than the resonant rotation value by 9.2 seconds, which is interpreted as the expression of a long-term librational motion. The measured rotational parameters define Mercury's body-fixed frame and are critical for the coordinate system of the planet as well as the planning of future spacecraft missions. Additionally, the new rotational parameters combined with the gravity field information allow to draw conclusions about Mercury's interior structure. The existence of Mercury's large molten outer core could be confirmed and further constraints on the depth of the core-mantle boundary as well as the densities of mantle and core were derived.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Rotationszustand des Planeten Merkur mit Hilfe der Daten der Raumsonde MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging) bestimmt. Zunächst wurde ein Referenzmodel für Merkurs Rotation ermittelt. Neue Ephemeriden des Sonnensystems wurden verwendet um aktuelle Werte für die mittlere Orbitdauer und -ebene, sowie die instantane Laplace-Ebene von Merkur zu berechnen. Mit Hilfe der erhaltenen Werte wurde das resonante Rotationsmodell konstruiert, welches für die Interpretation des wahren Rotationszustandes des Planeten verwendet wurde. Für die Bestimmung der Rotationsparameter wurde eine neue Methode entwickelt, die aus einer Kombination von digitalen Geländemodellen aus Stereobildern und Laseraltimeterprofilen besteht. Die Methode wurde unter Verwendung von simulierten Daten intensiv getestet und die Unsicherheiten der Parameterbestimmung ermittelt. Unter der Anwendung der entwickelten Methode auf drei Jahre von orbitalen Beobachtungen durch MESSENGER wurden Merkurs Rotationsparameter bestimmt. Dazu gehören die Librationsamplitude, die Orientierung der Rotationsachse und die mittlere Drehrate. Die Librationsamplitude wurde zu 38.9 +/- 1.3 Bogensekunden oder 460 m am Äquator bestimmt. Die Neigung der Rotationsachse weicht mit 2.029 +/- 0.085 Bogenminuten nur geringfügig von der Orbitnormalen ab. Die Rotationsperiode wurde mit einer Genauigkeit von etwa einer Sekunde zu 58.6460768 Tagen gemessen. Dies ist um 9.2 Sekunden geringer als die resonante Rotation, was als Auswirkung einer langperiodischen Libration interpretiert wurde. Die Bestimmung von Rotationsparametern erlaubt die Definition des mitrotierenden Bezugsystems und ist von grundlegender Bedeutung für Merkurs Koordinatensystem sowie die Planung von zukünftigen Raummissionen zu dem Planeten. Zusätzlich erlauben die ermittelten Rotationsparameter, unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Gravitationsfeldes, Rückschlüsse über den inneren Aufbau Merkurs. Die Existenz eines großen geschmolzenen äußeren Kerns konnte bestätigt werden und weitere Randbedingungen für die Lage der Kern-Mantel-Grenze sowie die Dichten von Kern und Mantel gesetzt werden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5349
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5031
Exam Date: 13-Nov-2015
Issue Date: 2015
Date Available: 3-Mar-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::520 Astronomie
Subject(s): Mercury
rotation
MESSENGER
laser altimetry
stereo photogrammetry
co-registration
Merkur
Rotation
Laseraltimetrie
Stereophotogrammetrie
Co-Registrierung
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