Analyse und Modellierung der Staubeigenschaften nahe des Saturnmondes Enceladus

Meier, Patrick

Eine der überraschendsten Entdeckungen der Cassini-Mission ist die kryovulkanische Aktivität des Saturnmondes Enceladus. Durch vier ausgeprägte Gräben in der Südpolar region des Mondes, den sogenannten „Tiger Stripes“ entströmen Enceladus’ Oberfläche sowohl Gas als auch Eispartikel im Größenbereich von Nano- bis Mikrometer. Diese sind eines der wichtigsten Indizien für einen unterirdischen Ozean, von dem die Aktivität gespeist wird. Das ausströmende Material bildet in der Umgebung von Enceladus’ eine Wolke, die als „Plume“ bezeichnet wird, die mit Saturns Magnetosphärenplasma in Wechselwirkung tritt. Insbesondere werden die Eispartikel durch das Aufsammeln von Plasmaelektronen und -ionen geladen, wodurch die Bewegung der Nanoteilchen durch die elektromagneti schen Felder nahe Enceladus bestimmt wird. Das Ziel dieser Arbeit ist die Analyse und Modellierung des Transportes sowie der Ladungs- und Größenverteilung der Eispartikel nahe Enceladus. Dafür werden sowohl analytische Modelle als auch eine Kombination von numerischen Simulationen für das Plasma und die Eisteilchen genutzt, wobei sich diese auf Letztere in dieser Arbeit konzentrieren. Des Weiteren werden die daraus folgenden Ergebnisse mit Messdaten der Cassini-Sonde von mehreren nahen Vorbeiflügen am Enceladus verglichen. In dieser Arbeit wird auf Grundlage von Daten für nm- sowie µm-Teilchen die erste Grö ßenverteilung für die Eispartikel hergeleitet, die den gesamten Bereich von Nano- bis Mikrometern abdeckt. Diese besitzt einen Peak bei ≈ 2 nm, sodass über 99% der von Enceladus’ produzierten Teilchen kleiner als 10 nm sind. Weiterhin zeigt sich, dass auf grund der Konfiguration des elektromagnetischen Feldes nahe Enceladus ein mehrfach gespaltener Staubschweif ausgebildet wird. Cassinis Instrumente liefern jedoch nur Daten über geladene Nanoeispartikel, sodass zu nächst Enceladus’ Gesamtproduktion an Eisteilchen offen ist. Um diese Lücke zu schlie ßen, wird ein stochastischen Ladungsmodell hergeleitet, welches eine Verknüpfung zwischen den messbaren Anteilen von negativ und positiv geladenen sowie ungeladenen Partikeln erlaubt. Beruhend auf dieser ersten analytischen Einschätzung wird mithilfe der Simulationen der Anteil an ungeladenen Eisteilchen in Enceladus’ Plume bestimmt, was letztendlich eine Abschätzung von Enceladus’ gesamter Produktionsrate zugänglich macht.

The cryovolcanic activity of Saturn’s moon Enceladus is one of the most surprising disco veries of the Cassini mission. Water vapor and icy dust particles with sizes from nm to µm are emanated from four rifts on Enceladus’ south polar region, called tiger stripes. The escaping material indicates a subsurface ocean in Enceladus and forms a plume at Ence ladus’ south pole, which interacts with Saturn’s magnetospheric plasma. In particular, the dust particles are charged by collecting electrons and ions, so the motion of nanograins is determined by the electromagnetic fields close to Enceladus. The goal of this work is analyzing and modeling the transport and the charge as well as the size distribution of dust grains close to Enceladus. Analytic models and a combination of numerical simulations for plasma and dust particles are used with the focus on the latter. Furthermore, these results are compared with data from the Cassini spacecraft for multiple close fly-bys at Enceladus. Based on data for nm as well as µm grains the first dust size distribution is derived, which covers the whole size range from nano- to micrometers. The distribution contains a peak at ≈ 2 nm, so more than 99% of the grains produced by Enceladus are smaller than 10 nm. Furthermore, a multiple splitted dust tail is formed close to Enceladus due to the configuration of electromagnetic fields. Only data for charged nanograins are provided by Cassini’s instruments, so the total dust production of Enceladus is still unclear. Therefore, we derive a stochastic charging model, which connects the fraction of negatively and positively charged dust particles with the fraction of uncharged ones. Based on a first estimation from this model the fraction of uncharged grains in Enceladus is determined allowing an estimation for Enceladus total dust production rate.

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Meier, Patrick: Analyse und Modellierung der Staubeigenschaften nahe des Saturnmondes Enceladus. 2015.

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