Erweiterte Suche

A model of the crustal magnetic field of Mars

Das Magnetfeld des Mars hat seinen Ursprung v.a. in der remanenten Magnetisierung seiner Kruste und besitzt heute kein globales Dipolfeld mehr. In dieser Arbeit werden Magnetfeldmessungen des Satelliten "Mars Global Surveyor" (MGS) benutzt, um ein robustes und hochauflösendes Modell dieses Krustenfeldes abzuleiten. Dies wurde durch die Annäherung einer L1-Norm zur Regularisierung, einer robusten Norm zur Inversion, der Berücksichtigung externer Felder, sowie einer genauen Analyse und Gewichtung aller vorhandenen MGS-Magnetfelddaten erreicht. Das resultierende Modell kann zur Beantwortung offener Fragen der Evolution des Mars beitragen. Exemplarisch wurden dazu das Krustenfeld von Vulkanen und Impaktkratern analysiert, um Rückschlüsse auf den Zeitpunkt eines aktiven Kerndynamos zu schliessen. Darüber hinaus wird ein Modell der benötigten Krustenmagnetisierung vorgestellt sowie auf isolierte Anomalien eingegangen, die bei der Bestimmung von magnetischen Paleopolen eine Rolle spielen.

The main source of the Martian magnetic field is of crustal origin, and Mars does not possess an internal core dynamo as of today. In this thesis, we use magnetic field data as obtained by the satellite "Mars Global Surveyor" (MGS) in order to derive a robust model of the crustal magnetic field of Mars with high resolution. For this purpose, we use an approximation to an L1 norm for regularization, a robust norm for data inversion, an external field model, and a precise analysis and weighting of all available MGS magnetic field data. The resulting model may contribute to answer open questions related to the evolution of Mars. Here, we exemplarily analyze the crustal magnetic field of volcanoes and impact craters, and this analysis is used to conclude on the timing of an ancient Martian core dynamo. Further, we present a model of the necessary magnetization of the Martian crust, and we comment on some isolated anomalies that are required to calculate magnetic paleopole positions.

Titel: A model of the crustal magnetic field of Mars
Verfasser: Morschhauser, Achim GND
Gutachter: Spohn, Tilman GND
Organisation: FB 14: Geowissenschaften
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 2016
Publikation in MIAMI: 10.04.2017
Datum der letzten Änderung: 10.04.2017
Schlagwörter: Mars; Magnetfeld; Lineare Inversion; Robuste Inversion; Satellitendaten; Mars Global Surveyor; Kugelflächenfunktionen
Mars; magnetic field; linear inversion; robust inversion; satellite data; Mars global surveyor; spherical harmonics
Fachgebiete: Geowissenschaften, Geologie; Astronomie; Informatik, Wissen, Systeme
Sprache: Englisch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-62269665189
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-62269665189
Onlinezugriff:
Inhalt:
I mars magnetic field 1
1 overview 3
1.1 Magnetic field data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 General properties of Mars’ magnetic field . . . . . . . . . . . 5
1.3 Models of the crustal magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Limits of published models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 open questions 15
2.1 Timing of the core dynamo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Magnetization of the Martian crust . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Magnetic minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Magnetic dichotomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5 Paleopoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 Magnetic lineations - plate tectonics ? . . . . . . . . . . . . . . 32
II data 35
3 mgs - mission and instruments 37
3.1 Overview of mission phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 The electron reflectometer (ER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 The fluxgate magnetometer (MAG) . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Data pre-processing and calibration . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 data selection & data weights 43
4.1 MAG MPO data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 MAG AB/SPO data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
III inversion 51
5 general linear inversion 53
5.1 Basic principles of linear inversion . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 The least-squares solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3 Model parameter confidence intervals . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4 Model resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.5 Regularization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.6 General measures of misfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6 inversion of mag data 63
6.1 Model description: Spherical Harmonics . . . . . . . . . . . . 63
6.2 Data inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3 Measure of data misfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.4 L1-regularization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
IV results 83
7 model of the crustal field 85
7.1 Global magnetic field maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.2 Gauss coefficients and dipole moment . . . . . . . . . . . . . . 90
7.3 Power spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.4 Model parameter covariance matrix . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.5 Resolution matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8 residuals 105
8.1 Statistics of the residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2 Spatial distribution of the residuals . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3 Direct comparison to selected data . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9 comparison 113
9.1 Regularization parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
9.2 Performance of the L1-norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9.3 Performance of the Huber weights . . . . . . . . . . . . . . . . 120
9.4 Other published models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
V application to open questions 129
10 timing of the core dynamo 131
10.1 Magnetic signature of volcanoes . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
10.1.1 Apollinaris Patera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
10.1.2 Tyrrhena Patera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
10.1.3 Hadriaca Patera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
10.1.4 Syrtis Major . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
10.1.5 Arabia Terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.1.6 Malea Planum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10.2 Magnetic signatures of impact craters . . . . . . . . . . . . . . 142
10.2.1 Large basins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.2.2 Smaller craters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
11 magnetization and magnetic minerals 151
12 isolated magnetic anomalies - paleopoles 155
12.1 South Polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
12.2 Arcadia Planitia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
VI summary & outlook 159
VII appendix 165
a nomenclature on mars 166
VIII bibliography 169