home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Mania / abacus-multimedia-mania.iso / dp / 0115 / 01159.txt < prev    next >
Text File  |  1993-07-27  |  17KB  |  378 lines

  1. $Unique_ID{bob01159}
  2. $Pretitle{}
  3. $Title{Pioneer
  4. Chapter 4: Part 1 - Pioneer Science at New Frontiers}
  5. $Subtitle{}
  6. $Author{Fimmel, Richard O.;Allen, James Van;Burgess, Eric}
  7. $Affiliation{Ames Research Center;University Of Iowa;Science Writer}
  8. $Subject{saturn
  9. jupiter
  10. solar
  11. particles
  12. magnetic
  13. wind
  14. field
  15. measured
  16. spacecraft
  17. fields
  18. see
  19. pictures
  20. see
  21. figures
  22. }
  23. $Date{1980}
  24. $Log{See Plasma Analyzer*0115901.scf
  25. }
  26. Title:       Pioneer
  27. Book:        Pioneer: First To Jupiter, Saturn, And Beyond
  28. Author:      Fimmel, Richard O.;Allen, James Van;Burgess, Eric
  29. Affiliation: Ames Research Center;University Of Iowa;Science Writer
  30. Date:        1980
  31.  
  32. Chapter 4: Part 1 - Pioneer Science at New Frontiers
  33.  
  34.      The scientific payloads of Pioneers 10 and 11 for the missions to Jupiter
  35. and Saturn were virtually identical.  They were designed to gather new
  36. knowledge about interplanetary space beyond Mars and about the Jovian and
  37. Saturnian systems.  Several of the science instruments measured particles,
  38. fields, and radiation, while an imaging photopolarimeter provided spin-can
  39. imaging and analysis of scattered light.  Additionally, the radio signals from
  40. the spacecraft were used to measure the gravitational fields of Jupiter and
  41. Saturn and their major satellites and to investigate the atmospheres of the
  42. two planets.  The Pioneers performed several experiments in interplanetary
  43. space between Earth and the target planets and beyond:
  44.  
  45.      Mapped the magnetic field in interplanetary space.
  46.  
  47.      Determined how the solar wind changed with distance from the Sun and,
  48. during the flight of Pioneer 11 to Saturn, how the solar wind changed high
  49. above the plane of the ecliptic.
  50.  
  51.      Measured solar and galactic cosmic ray particles.
  52.  
  53.      Studied interactions among the interplanetary magnetic field, the solar
  54. wind, and cosmic rays.
  55.  
  56.      Searched for a transition region of the heliosphere - the region where
  57. the influence of the Sun on interplanetary space ends - in two opposite
  58. directions.
  59.  
  60.      Measured the amount of neutral atomic hydrogen in interplanetary space
  61. and near Jupiter and Saturn.
  62.  
  63.      Ascertained the distribution of dust particles in interplanetary space in
  64. the outer Solar System.
  65.  
  66.      Determined the sizes, masses, fluxes, and velocities of small particles
  67. in the asteroid belt, thus providing information on the probability of damage
  68. by such particles to spacecraft passing through this region.
  69.  
  70.      Searched for gravitational radiation impinging on the Solar System by
  71. means of its effects on the spacecraft's velocity as revealed on the microwave
  72. radio link between Earth and the spacecraft.
  73.  
  74.      Searched for the gravitational effects of large undiscovered objects
  75. orbiting the Sun.
  76.  
  77.      Within the systems of Jupiter and Saturn, the Pioneer spacecraft
  78. performed a more involved series of experiments:
  79.  
  80.      Mapped the magnetic fields of the planets their intensity, direction, and
  81. structure.
  82.  
  83.      Determined how many electrons and protons of various energies were
  84. distributed along the trajectory of each spacecraft through the planetary
  85. magnetospheres and, for Saturn, determined how the rings affect the
  86. distribution of those particles; for both planets, determined how the
  87. particles were affected by the satellites.
  88.  
  89.      Searched for auroras in the polar atmospheres of the two planets.
  90.  
  91.      Obtained information to help interpret the observed characteristics of
  92. the two main types of radio waves from Jupiter - decimetric and decametric.
  93.  
  94.      Mapped how the two planets interact with the solar wind.
  95.  
  96.      Measured the temperature of the atmospheres of the two planets and of
  97. those of some of their larger satellites.
  98.  
  99.      Determined the structure of the upper atmospheres of Jupiter and Saturn,
  100. where molecules are ionized by solar radiation to produce an ionosphere.
  101.  
  102.      Mapped the thermal structure of the two planets by measuring their
  103. infrared radiation, and deduced how much more heat each planet radiates into
  104. space than it absorbs from the Sun.
  105.  
  106.      Obtained spin-can images of Jupiter and Saturn in two colors during the
  107. encounter sequences, and close-up images of special planetary features (the
  108. Great Red Spot and polar regions of Jupiter and the rings of Saturn); made
  109. polarimetry measurements of Jupiter and Saturn and of some of their large
  110. satellites.
  111.  
  112.      Probed the upper atmospheres of Jupiter and Saturn with S-band radio
  113. waves at occultation; similarly, probed the Galilean satellite Io to establish
  114. whether it has an atmosphere.
  115.  
  116.      Investigated, at relatively close range, several of the Galilean
  117. satellites of Jupiter, and Saturn's largest satellite, Titan, by spin-scan
  118. imaging and other measurements to determine their sizes and other physical
  119. characteristics.
  120.  
  121.      Determined the shape of the external gravitational fields of Jupiter and
  122. Saturn and inferred the internal mass distribution and structure of those
  123. fields.
  124.  
  125.      Determined more precisely the masses of Jupiter and its Galilean
  126. satellites, and the masses of Saturn, the rings of Saturn, and of the
  127. Saturnian satellites, Rhea, Iapetus, and Titan, by accurate observations of
  128. the effects of their gravitational fields on the motion of the spacecraft.
  129.  
  130.      Provided information to calculate with greater precision the orbits and
  131. ephemerides of Jupiter and its Galilean satellites, and of Saturn and Titan.
  132.  
  133.      Determined the maximum radiation dosage for planning future missions.
  134.  
  135.      Eleven scientific instruments and experiments were selected from more
  136. than 150 proposals submitted to NASA Headquarters in response to the original
  137. request for proposed onboard experiments for the original Pioneer mission to
  138. Jupiter.  These instruments, and two noninstrumented experiments, are
  139. described in the following subsections.  In addition, a high-field
  140. magnetometer was later selected for Pioneer 11 to ensure adequate coverage of
  141. higher magnetic field strengths that might be encountered.  This instrument -
  142. a flux-gate magnetometer - is also described.
  143.  
  144. Magnetic Fields
  145.  
  146.      Magnetic fields permeate the plasma of electrically charged particles in
  147. interplanetary space as it spreads out from the Sun across the Solar System.
  148. Before the Pioneer missions to Jupiter and Saturn, these effects had been
  149. observed and measured only to the orbit of Mars.  Scientists were still
  150. uncertain about many specific details concerning the interplanetary medium and
  151. particularly the configuration of the magnetic field beyond the orbit of Mars
  152. to the outer regions of the Solar System.  The outer boundaries of the Sun's
  153. influence were, and still are, vague, and interactions between the plasma and
  154. the magnetic fields of the Solar System and those of the nearby interstellar
  155. medium still puzzle scientists. Pioneers 10 and 11 will continue to explore
  156. the regions beyond the orbit of Saturn and will provide data that will help
  157. define the transition region of the solar influence, or the heliopause.
  158.  
  159.      Of even greater importance was the objective of measuring the detailed
  160. magnetic fields of Jupiter and Saturn and the configurations throughout the
  161. magnetospheres of these planets.
  162.  
  163. Principal investigator:
  164.  
  165. Edward J. Smith
  166. Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California
  167.  
  168. Coinvestigators:
  169.  
  170. Palmer Dyal and David S. Colburn
  171. Ames Research Center, NASA, Moffett Field, California
  172.  
  173. Charles P. Sonett
  174. University of Arizona, Tucson, Arizona
  175.  
  176. Douglas E. Jones
  177. Brigham Young University, Provo, Utah
  178.  
  179. Paul J. Coleman, Jr.
  180. University of California at Los Angeles
  181.  
  182. Leverett Davis, Jr.
  183. California Institute of Technology, Pasadena, California
  184.  
  185.      This experiment used a sensitive magnetometer mounted on the tip of a
  186. lightweight boom extending 6.6 m (21.5 ft) from the center of the spacecraft
  187. to reduce the effects of even the minute amount of residual magnetic field of
  188. the spacecraft and to help balance the spin-stabilized Pioneer spacecraft. The
  189. helium vector magnetometer measured the fine structure of the interplanetary
  190. field, mapped the fields of Jupiter and Saturn, and provided field
  191. measurements to evaluate the interaction of the solar wind with the two
  192. planets.  The magnetometer operated in any one of eight ranges, the lowest of
  193. which covered magnetic field strengths from +0.01 to +4.0 gamma (1 gamma =
  194. 10^-5 gauss); the highest measured field strengths up to +140,000 gamma (i.e.,
  195. +1.4 gauss).  (The surface field of Earth is about 0.5 gauss.)  The ranges
  196. were selected by ground command or automatically by the instrument as it
  197. reached the limits of a given range.
  198.  
  199.      The sensor for the magnetometer consisted of a cell filled with helium
  200. that was excited by electrical discharge at radio frequencies and by infrared
  201. optical pumping.  Changes in helium absorption caused by magnetic fields
  202. passing through the magnetometer were measured by an infrared optical
  203. detector.
  204.  
  205. Flux-Gate Magnetometer Experiment
  206.  
  207.      Pioneer 11 carried another instrument for measuring the magnetic field, a
  208. flux-gate magnetometer.  This instrument was designed to measure the intense
  209. planetary fields of Jupiter and Saturn and to extend the measuring capability
  210. of the spacecraft beyond the range provided by the helium vector magnetometer.
  211. The scientific objectives were to study the intrinsic magnetic fields of
  212. Jupiter and Saturn by carrying out measurements during the closest approach
  213. phases of the Pioneer 11 mission.  The knowledge acquired allowed a
  214. comprehensive study of the general problem of how planets, including Earth,
  215. generate their magnetic fields, and a determination of the detailed geometry
  216. of their inner magnetospheres.
  217.  
  218. Principal investigator:
  219.  
  220. Mario H. Acuna
  221. Goddard Space Flight Center, NASA, Greenbelt, Maryland
  222.  
  223. Coinvestigator:
  224.  
  225. Norman F. Hess
  226. Goddard Space Flight Center, NASA
  227.  
  228.      The instrument, mounted on the main body of the spacecraft, used two
  229. magnetic ring cores that were driven to saturation by associated oscillators
  230. at a frequency of 8 kHz.  The presence of an external magnetic field created
  231. an imbalance in the sensors which was detected by four coil windings; the coil
  232. windings were oriented perpendicular to each other.  The instrument had a
  233. single dynamic range with a compressed response that provided a maximum field
  234. measurement capability of +10 gauss (0.001 tesla) and a resolution of +0.05
  235. gauss for external fields of less than 2 gauss.
  236.  
  237. Interplanetary Solar Wind and Heliosphere
  238.  
  239.      The solar wind consists of streams of protons, electrons, and some helium
  240. nuclei emitted by the Sun in all directions.  Particles in the solar wind
  241. affect electrical and communication systems on Earth and may give rise to
  242. long-term weather cycles.  This wind was unknown until spacecraft began to
  243. explore space beyond Earth's magnetosphere less than 20 years ago.  Some of
  244. the charged particles of the solar wind become trapped in radiation belts by
  245. Earth's magnetic field.  They also account for the aurora borealis, the aurora
  246. australis, and other phenomena that baffled scientists until the radiation
  247. belts were discovered by experiments carried out by Earth satellites.
  248.  
  249.      The behavior of the solar wind at great distances from the Sun could only
  250. be conjectured before the flight of Pioneer 10 to the outer planets.  Until
  251. the Pioneer 10 mission, instruments on spacecraft had measured the wind only
  252. as far as the orbit of Mars.  And virtually nothing was known of the
  253. interaction of the solar wind with Jupiter and Saturn or about the effects of
  254. Saturn's rings on the wind.
  255.  
  256. Principal investigator:
  257.  
  258. John H. Wolfe (Jupiter/Saturn)
  259. Ames Research Center, NASA, Moffett Field, California
  260.  
  261. Aaron Barnes (Post-Saturn)
  262. Ames Research Center, NASA, Moffett Field, California
  263.  
  264. Coinvestigators:
  265.  
  266. John Mihalov, H. Collard, and D. D. McKibbin
  267. Ames Research Center, NASA
  268.  
  269. Louis A. Frank
  270. University of Iowa, Iowa City
  271.  
  272. Reimar Lust
  273. Max Planck Institut fur Physik und Astrophysik, Garching, Germany
  274.  
  275. Devrie Intriligator
  276. University of Southern California, Los Angeles
  277.  
  278. William C. Feldman
  279. Los Alamos Scientific Laboratory, New Mexico
  280.  
  281.      The Pioneer spacecraft each carried a plasma analyzer to evaluate the
  282. solar wind.  It looked toward the Sun through a hole in each spacecraft's
  283. large dish-shaped antenna.  The solar wind particles entered the plasma
  284. analyzer's apertures between two quadraspherical plates where the direction of
  285. arrival, the energy (speed), and the number of ions and electrons making up
  286. the solar wind were measured.
  287.  
  288. [See Plasma Analyzer: A lasma analyzer was aimed toward the Sun through a hole
  289. in the large dish antenna of each Pioneer spacecraft; its purpose was to map
  290. the density and energy of the solar wind. (a) Diagram of the plasma analyzer.
  291. (b) Plasma analyzer ready for installation in the spacecraft.]
  292.  
  293.      A voltage was applied across the quadraspherical plates in a maximum of
  294. 64 steps, at a rate of one step/revolution of the spacecraft, to count
  295. particles in discrete energy ranges.  The direction of particle travel was
  296. determined from instrument orientation and by knowing which of the detector
  297. targets the particle struck.  The instrument had a high resolution analyzer
  298. and a medium-resolution analyzer to detect particles of different energy
  299. levels.  The high-resolution analyzer had 26 continuous channel multipliers
  300. (CCM) to measure the number of ions per second with energies from 100 to 8000
  301. eV.  The medium-resolution analyzer had 5 electrometers to count ions in the
  302. energy range from 100 to 18,000 eV and electrons from 1 to 500 eV.
  303.  
  304. Charged Particle Composition
  305.  
  306.      The charged particle detector had four measuring systems:  two particle
  307. telescopes that operated in interplanetary space and two that measured the
  308. trapped electrons and protons inside the radiation belts of Jupiter and
  309. Saturn.
  310.  
  311. Principal investigator:
  312.  
  313. John A. Simpson
  314. University of Chicago
  315.  
  316. Coinvestigators:
  317.  
  318. Joseph J. O'Gallagher
  319. University of Chicago
  320.  
  321. Anthony J. Tuzzolino and R. Bruce
  322. McKibben University of Chicago
  323.  
  324.      During the interplanetary phase of the mission, before and after
  325. encounter with Jupiter and Saturn, this experiment sought to identify the
  326. chemical elements hydrogen, helium, lithium, beryllium, boron, carbon,
  327. nitrogen, and oxygen, and to separate hydrogen, deuterium, helium-3, and
  328. helium in an attempt to differentiate between particles emanating from the Sun
  329. and those from the Galaxy.  The instrument was also used to determine how
  330. streams of high-energy particles from the Sun travel through
  331. interplanetary space.
  332.  
  333.      The main telescope of seven solid-state detectors measured the
  334. composition of cosmic rays from 1 to 500 MeV, and a three-element, low-energy
  335. telescope measured 0.4- to 10-MeV protons and helium nuclei.
  336.  
  337.      Two new types of sensors were developed to cope with the extremely high
  338. intensities of trapped particles in the Jovian magnetosphere.  A solid-state
  339. electron current detector, operating below -40 C (-40 F), detected those
  340. electrons above 3.3 MeV that generate the decimetric radio waves emitted by
  341. Jupiter and similar electrons in the radiation environment of Saturn.  A
  342. trapped proton detector contained a foil of thorium, the atoms of which
  343. underwent nuclear fission when hit by protons with energies above 35 MeV; the
  344. foil was insensitive to electrons.
  345.  
  346. Energy Spectra of Cosmic Rays
  347.  
  348.      The cosmic ray telescope used for this experiment was designed to monitor
  349. solar and galactic cosmic ray particles and to track the high-energy particles
  350. from the Sun.  The instrument could determine which nuclei of the 10 lightest
  351. elements are the cosmic ray particles.  Before saturation by radiation when
  352. near Jupiter and Saturn, the cosmic ray telescope measured high-energy
  353. particles in the radiation belts of these planets.
  354.  
  355. Principal investigator:
  356.  
  357. Frank B. McDonald
  358. Goddard Space Flight Center, NASA, Greenbelt, Maryland
  359.  
  360. Coinvestigators:
  361.  
  362. Kenneth G. McCracken
  363. Minerals Research Laboratory, North Ryde, Australia
  364.  
  365. William R. Webber and Edmond C. Roelof
  366. University of New Hampsture, Durham
  367.  
  368. Bonnard J. Teegarden and James H. Trainor
  369. Goddard Space Flight Center, NASA
  370.  
  371.      The instrument consisted of three three-element solid-state telescopes.
  372. The high-energy telescope measured the flux of protons between 56 and 800 MeV.
  373. The medium-energy telescope measured protons with energies between 3 and 22
  374. MeV and identified the 10 elements from hydrogen to neon.  The low-energy
  375. telescope measured the flux of electrons between 0.05 and 1 MeV and of protons
  376. between 0.05 and 20 MeV.
  377.  
  378.