Particle Flux Directionality and other Aspects of the Martian Radiation Environment: An Analysis of MSL/RAD Observation Data and Simulation Data

Appel, Jan Kristoffer ORCID

Mars as a future target of manned exploration is a place of particular interest in the solar system. Both the past and the present habitability of Mars, and the safety of astronauts working on the Martian surface, depend, among other factors, on the ionizing radiation present on its surface. As part of the Mars Science Laboratory mission, the Radiation Assessment Detector (RAD). One of the scientific goals being addressed by the instrument is to aid in the validation of particle transport models used to simulate the radiation environment on the Martian surface. This thesis aims to address this goal in particular. Global dust storms are a meteorological feature that is unique to Mars. These storms produce a striking difference in the appearance of the planet, obscuring almost all of its surface beneath a dense layer of dust. In order to predict the changes in radiation environment, simulations comparing a global dust storm to normal atmospheric conditions are performed. Additionally, an attempt is made to validate the results of the simulations using a period of enhanced dust activity that is included in the RAD measurement time. The Martian radiation environment is dominated by downward particle fluxes of Galactic Cosmic Rays and the secondary particles produced by them. Near the Martian surface, an upward-directed component composed of secondary particles produced in the Martian soil adds to the total radiation environment. In order to fully characterize the radiation environment, this upward component must be understood as well. A method for discriminating particle directionality in RAD for charged particles is developed through simulations and validated through instrument observations. The RAD instrument is unable to determine directionality for neutrons due to its design. However, since neutrons are important for dosimetry, an instrument design capable of measuring neutron directionality is described and its basic capabilities assessed.

Im Sonnensystem ist der Mars als Ziel späterer bemannter Missionen von besonderem Interesse. Die Kenntnis der ionisierenden Strahlung auf dem Mars ist sowohl für die Beurteilung der früheren und heutigen Habitabilität als auch für die Sicherheit zukünftiger Astronauten von großer Bedeutung. Im Rahmen der Mission Mars Science Laboratory mißt das Instrument Radiation Assessment Detector (RAD). Eines der wissenschaftlichen Ziele des Instrumentes ist die Validierung von Teilchentransportmodellen. Dieses Ziel wird in der vorliegenden Arbeit vorrangig verfolgt. Globale Staubstürme sind ein Phänomen, das ausschließlich auf dem Mars vorkommt. Solche Stürme verursachen markante Veränderungen des Planeten, da nahezu die gesamte Oberfläche durch eine dichte Staubschicht verdeckt wird. Um Vorhersagen über diesen Einfluss machen zu können, wurden Simulationen, die einen globalen Staubsturm mit normalen Atmosphärenbedingungen vergleichen, durchgeführt. Zusätzlich wurde ein Versuch unternommen, die Simulationsergebnisse anhand einer innerhalb der RAD-Messungen liegenden Zeit mit erhöhter Staubaktivität zu validieren. Die Strahlungsumgebung auf dem Mars wird durch abwärts gerichtete Teilchenflüsse, Galactic Cosmic Rays und ihre Sekundärteilchen, dominiert. Nahe der Oberfläche existiert zusätzlich eine aufwärts gerichtete Komponente aus innerhalb des Bodens produzierten Sekundärteilchen. Um die Strahlungsumgebung vollständig zu beschreiben, ist es notwendig, diese aufwärts gerichtete Komponente zu verstehen. Hier wurde eine Methode zur Unterscheidung der Teilchenrichtung geladener Teilchen im RAD anhand von Simulationsdaten entwickelt und durch Observationsdaten validiert. Aufgrund seiner Konstruktion ist RAD nicht in der Lage, die Richtung von Neutronen zu messen. Da sie aber für die Dosimetrie relevant sind, wurde ein Instrument, das dazu in der Lage ist, vorgestellt und seine grundlegenden Eigenschaften beurteilt.

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Appel, Jan: Particle Flux Directionality and other Aspects of the Martian Radiation Environment: An Analysis of MSL/RAD Observation Data and Simulation Data. 2018.

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