Planets and Moons: Treatise on Geophysics

Cover......Page 1
Editor-in-Chief......Page 2
Volume Editors......Page 3
Preface......Page 4
Introduction......Page 7
Our Planetary System......Page 8
Planetary Missions......Page 11
Planet and Satellite Orbits and Rotation States......Page 15
Composition and Interior Structure of Planets......Page 16
Surfaces and Atmospheres......Page 19
Energy Balance and Evolution......Page 23
Magnetic Fields and Field Generation......Page 26
Origin of the Solar System......Page 29
Concluding Remarks......Page 30
References......Page 31
Relevant Websites......Page 32
10.02 Interior Structurecomma Compositioncomma and Mineralogy of the Terrestrial Planets......Page 33
Introduction......Page 34
Geodesy......Page 35
Rotation and Tides......Page 36
Gravity and Topography......Page 37
Electromagnetics......Page 38
Seismology......Page 39
Material Properties......Page 40
Two- and Three-Layer Structural Models......Page 41
Governing equations......Page 42
Equation of state......Page 43
Numerical solution......Page 45
Interior Structure......Page 46
Mineralogy......Page 47
Interior Structure......Page 48
Lunar Crust......Page 49
Lunar Seismology and Mineralogy......Page 50
General......Page 53
Interior Structure......Page 54
Magnetic Field......Page 55
Future Exploration......Page 56
Interior Structure......Page 57
Composition......Page 60
Mineralogy......Page 61
Venus......Page 63
Composition......Page 64
Dynamics......Page 65
Summary and Outlook......Page 66
References......Page 67
Introduction......Page 75
The Apollo PSE Data......Page 80
Seismic Velocity Structure: Crust and Mantle......Page 83
Very Deep Interior and Joint Seismic/Gravity Inversions......Page 88
Mineralogical and Thermal Interpretation of Lunar Seismic Models......Page 89
Internal Seismic Activity......Page 92
External Seismic Activity: Artifical and Natural Impacts......Page 97
Theoretical Background......Page 99
Mars Hum and Martian Atmospheric Sources......Page 104
Venus Atmospheric Seismology......Page 106
Giant Planets Seismology......Page 108
Interior Structure of Mars......Page 112
Martian Seismic Noise......Page 114
Body-Wave Detection......Page 116
Normal Mode Excitation and Tidal Observations......Page 117
Concluding Remarks......Page 118
References......Page 122
10.04 The Rotation of the Terrestrial Planets......Page 129
Introduction......Page 130
Precession......Page 131
Nutation, polar motion,
and length-of-day variations......Page 132
Kinematical relation between polar motion and nutation......Page 133
Basic equations......Page 135
Mass redistribution......Page 137
Periodic rotation variations......Page 138
Hamiltonian Equations and Long-Term Evolution......Page 139
Gravitational tides......Page 141
Thermal atmospheric tides......Page 142
Core-mantle friction......Page 143
Long-Term Spin Evolution......Page 144
Rigid nutations......Page 145
Nonrigid nutations......Page 146
Nutation and interior structure......Page 148
Rotation Speed Variations......Page 149
Seasonal polar motion......Page 152
Chandler wobble......Page 153
Long-Term Spin Evolution......Page 154
Wobble, LOD Variations,
and Nutation......Page 155
Spin-orbit resonance......Page 156
Precession about the Cassini state and nutation......Page 158
Free and forced libration......Page 160
Forced libration and interior structure......Page 161
Free libration and interior structure......Page 163
Summary......Page 164
References......Page 165
Introduction......Page 171
Mathematical Preliminaries......Page 172
Spherical Harmonics......Page 173
The Potential, Gravity,
and Geoid......Page 174
Topography......Page 177
Gravity......Page 179
Topography......Page 180
Gravity......Page 181
Spectral analysis......Page 183
Gravity......Page 184
Spectral analysis......Page 186
Topography......Page 187
Spectral analysis......Page 189
Methods for Calculating Gravity from Topography......Page 190
Crustal Thickness Modeling......Page 192
Spatial Domain......Page 193
Spectral Domain......Page 195
Localized Spectral Analysis......Page 198
Earth......Page 199
Venus......Page 201
Mars......Page 203
The Moon......Page 204
Future Developments and Concluding Remarks......Page 205
Acknowledgments......Page 206
References......Page 207
Introduction......Page 213
Impact Craters - Morphology......Page 215
Impact Crater Scaling Laws......Page 217
Impact velocity scaling......Page 218
Strength and gravity scaling......Page 219
Impact angle scaling......Page 221
Impact heating, melting,
vaporization......Page 222
Size-Frequency Distribution of Impact Craters......Page 223
Hartmann Production Function......Page 224
Neukum Production Function......Page 225
Impact Rate Estimates......Page 227
Impact Probability......Page 228
Principles of Surface Dating by Crater Counting......Page 231
Earth-Moon System......Page 234
Mercury......Page 237
Problem of Interpretation of Small Craters......Page 238
Secondary craters on Mars......Page 240
SFD for secondary craters......Page 241
References......Page 242
Relevant Websites......Page 248
Introduction......Page 249
The Offset Tilted Dipole......Page 251
Spherical Harmonic Models......Page 252
Observations......Page 254
Models......Page 255
Venus......Page 256
Observations......Page 257
Models......Page 260
Jupiter......Page 262
Observations......Page 263
Models......Page 264
Discussion......Page 268
Observations......Page 269
Models......Page 270
Discussion......Page 271
Models......Page 273
Neptune......Page 275
Moon......Page 278
Ganymede......Page 279
Discussion......Page 280
References......Page 281
Relevant Website......Page 286
Historical Introduction......Page 287
General Remarks on the Dynamo Theory of Planetary Magnetism......Page 288
Mathematical Formulation of the Problem of Spherical Dynamos......Page 289
Convection in Rotating Spherical Shells......Page 291
Convection-Driven Dynamos......Page 294
General Considerations......Page 298
Mercury......Page 300
Uranus and Neptune......Page 301
Concluding Remarks......Page 302
References......Page 303
Introduction......Page 305
Interior Structure and Phase Transitions......Page 306
Accretional heating......Page 307
Core formation......Page 308
Rheology......Page 309
Thermal Expansivity and Conductivity......Page 310
Planform of Convection......Page 311
Thermal Evolution Models Using Parametrized Convection......Page 312
Parametrizations Based on Constant-Viscosity Laws......Page 313
Stagnant Lid Parametrization Based on Temperature-Dependent Viscosity Laws......Page 314
Plate Tectonics, Lithosphere Delamination,
and Stagnant Lid Convection......Page 316
Thermal Evolution, Volcanic History,
and Magnetic Field History of Terrestrial Planets......Page 318
Primary and secondary crust formation......Page 319
Plume volcanism and partial melt zone......Page 320
Observations......Page 321
Magnetic Field Generation......Page 322
Chemical dynamo......Page 323
Mercury......Page 324
Venus......Page 328
Moon......Page 331
Mars......Page 335
Tidal Heating and the Evolution......Page 341
Thermal and Orbital Evolution......Page 343
Summary......Page 345
References......Page 347
Atmosphere-Surface Interplay on Solar System Bodies......Page 355
Physical and Chemical Signs of Surface Rock Alteration......Page 356
Atmospheric Compositions in the Context of Atmosphere-Surface Interactions......Page 359
Oxidation on Venus......Page 361
Oxidation on Mars......Page 362
Reactions with Sulfur Gases......Page 363
Reactions with CO2......Page 365
Reactions with Halogens......Page 366
Kinetic Aspects of Surface-Gas-Type Reactions......Page 367
Local Reactions Caused by Impacts and Volcanic Eruptions......Page 368
Atmosphere-Surface Interactions throughout History......Page 369
Summary and Unsolved Questions......Page 370
References......Page 371
10.11 Water on the Terrestrial Planets......Page 376
Stability of water and ice......Page 377
Adsorption......Page 379
Visual and infrared spectroscopic features of ice and bound water......Page 380
Gamma-ray and neutron spectroscopy......Page 381
Morphology......Page 382
Water on the Surface......Page 383
Morphology and formation......Page 384
Source of water and climate......Page 385
The orbiter view......Page 386
Morphology......Page 387
Morphometry/discharge......Page 389
Models involving oceans......Page 390
Assessment of geomorphic evidence......Page 391
Tests of ocean hypotheses......Page 392
Glacial landforms......Page 393
Permafrost and ground-ice landforms......Page 394
Lobate debris aprons, lineated valley fill,
and concentric crater fill......Page 395
Terrain softening......Page 396
Patterned ground......Page 397
Polar Caps......Page 398
Large Debris Flows......Page 399
Morphology......Page 400
Formation......Page 401
Water in Mantle and Crust......Page 402
Moon and Mercury......Page 403
Mars......Page 404
Mineralogy......Page 405
Hematite......Page 406
Sulfates......Page 407
Geophysical Consequences......Page 408
Evolution of Water and Climate......Page 410
Summary and Outlook......Page 412
References......Page 413
The Requirements for an Origin of Life and
'Habitability’......Page 426
The Origin of Life and the First Cells......Page 427
The Habitability Limits: Physical and Chemical Constraints on Life......Page 428
Building Cells......Page 430
Generating Energy......Page 431
The Growth of Microorganisms......Page 432
Microorganisms and Mineral Formation......Page 434
The Earliest Traces of Life......Page 436
Conclusions for Geology,
Life and Habitability beyond the Earth......Page 437
References......Page 438
Introduction......Page 443
Gravity Fields......Page 444
Hydrogen and helium......Page 446
Heavy elements......Page 447
Energy Balance and Atmospheric Temperature Profiles......Page 448
Atmospheric Dynamics: Winds and Weather......Page 449
Extrasolar Planets......Page 450
High-Pressure Physics and Equations of State......Page 451
Heat Transport......Page 453
The Contraction and Cooling Histories of Giant Planets......Page 454
Mass-Radius Relation......Page 455
Rotation and the Figures of Planets......Page 456
Jupiter and Saturn......Page 457
Uranus and Neptune......Page 459
Irradiated Giant Planets......Page 460
Implications for Planetary Formation Models......Page 463
Future Prospects......Page 464
References......Page 465
Introduction......Page 469
The Earth-Moon System......Page 471
Mars System......Page 475
Jupiter System......Page 477
Minimum Mass Sub-Nebula (MMSN)......Page 479
Starved Accretion Disk Model......Page 480
Saturn System......Page 486
Uranus System......Page 489
Neptune System......Page 491
Pluto System......Page 494
Irregular Satellites......Page 495
Acknowledgments......Page 496
Accretion Details......Page 497
Viscous Spreading......Page 499
Gas Drag......Page 500
Thermodynamics......Page 501
References......Page 507
Relevant Websites......Page 512
Introduction......Page 513
Spectroscopic Constraints on Composition......Page 514
Elemental Abundance from Density......Page 515
Sizecomma Shape,
and Mass......Page 517
Density and Composition......Page 518
Gravity......Page 519
Two- and Three-Layer Structural Models......Page 520
Oceans......Page 522
Thermal State......Page 524
Heat Transfer......Page 525
Effect of Volatiles......Page 526
Tidal Heating......Page 527
Heat Balance......Page 528
Interior Structure of Selected Icy Satellites......Page 529
Ganymede and Callisto......Page 530
Europa......Page 531
Titan......Page 534
Enceladus......Page 536
Rhea and Iapetus......Page 537
Triton......Page 538
References......Page 539
The Pluto System......Page 544
Kuiper Belt......Page 545
On KBO Nomenclature......Page 547
Collisions......Page 548
Albedos......Page 549
Rotational Properties and Light Curves......Page 550
Colors......Page 551
Surface Composition......Page 553
Atmospheres......Page 555
Pluto’s atmosphere......Page 556
Other KBOs......Page 558
Interior Models......Page 559
Origin......Page 560
Goals......Page 561
Future Ground-Based Observatories......Page 562
Space Missions to the KB and Centaurs......Page 563
References......Page 564
Relevant Websites......Page 567
Scientific Rationale and Present Status of Planetary Exploration Missions......Page 568
Leaving the Gravitational Influence of the Earth......Page 570
Flyby Missions......Page 573
Rendezvous Missions......Page 574
Rendezvous missions to comets and Earth-crossing asteroids......Page 575
Remote-Sensing and In Situ Missions to Venus and Mars......Page 576
Orbiter Missions Not Implementing Aerocapture......Page 578
Orbit Evolution around Planetary Bodies......Page 579
In Situ Missions to Atmosphereless Bodies......Page 581
Gravity-Assist Missions: Giant Planets, Mercury, Asteroid,
and Comet Rendezvous......Page 583
Advanced Propulsion Systems: Solar Sail,
Ion Propulsion......Page 589
Ion Propulsion......Page 590
The Specific Challenges of Sample Return Missions......Page 592
References......Page 595
10.18 Instrumentation for Planetary Exploration Missions......Page 597
Introduction......Page 599
Building on Past Missions......Page 600
Exploration of the Jovian system......Page 601
Preparation of landing on terrestrial planets......Page 602
Longer-Term Goals for Exploration......Page 603
Remote sensing......Page 604
Active detection......Page 605
Wide field imager......Page 606
Panoramic camera......Page 607
Spectrometer......Page 608
UV spectrometer......Page 609
Nephelometer......Page 610
Alpha particle X-ray spectrometer......Page 611
Neutron Spectrometer......Page 612
Laser Altimeter......Page 613
Synthetic aperture radar......Page 614
Radio propagation at occultation......Page 616
Neutral particle analyzer......Page 617
Quadrupole mass analyzer......Page 618
Wien filter......Page 619
Laser-induced breakdown spectroscopy......Page 620
Mössbauer Spectrometer......Page 621
Scanning Tunneling and Atomic-Force Microscope......Page 622
Plasma wave analyzer......Page 623
Electron drift instrument......Page 624
Vector helium magnetometer......Page 625
Accelerometer and Seismometer......Page 626
Pressure......Page 627
Surface Dating......Page 628
Instrument Suites for Exploration......Page 629
Surface and Subsurface......Page 630
Subsurface access......Page 631
Atmospherescomma Exospherescomma and Ionospheres......Page 632
Aerobots......Page 633
Magnetosphere......Page 634
Rings......Page 635
Asteroids and Comets......Page 636
Sample Return......Page 638
Operational aspects......Page 639
References......Page 640
Relevant Websites......Page 643