A search for signatures of Europa’s atmosphere and plumes in Galileo charged particle data

Huybrighs, Hans L.F.

Remote sensing observations indicate that Europa is surrounded by a tenuous atmosphere. Furthermore, recent observations and historic data from Galileo hint at the occurrence of water vapour eruptions originating from the interior that create 200 km high plumes. Due to the lack of adequate measurements large uncertainties exist in the properties of Europa’s atmosphere (e.g. loss rate and structure) and plumes (e.g. structure, source location, duration), of the latter one the existence is not even confirmed. Unexploited opportunities to constrain properties of the atmosphere or plumes remain in the in-situ data collected by the Galileo mission, the only mission that has surveyed Europa from close by. In this thesis, I investigate how to constrain the properties (density, scale height) of Europa’s tenuous atmosphere and plumes, using data from the Galileo in-situ particle detector instruments (PLS, EPD). First, I analyse and compare the flybys, with a focus on the E12 flyby as it demonstrates the strongest signs of interaction of the atmosphere and the magnetospheric environment. Next, I simulate the depletion of energetic protons and oxygen ions measured during the E12 flyby. A Monte Carlo particle tracing method is used to simulate the particle trajectories and determine where they are depleted: at the surface or in the atmosphere. The simulations show that the depletions of energetic ions observed in the range 80 to 540 keV can be explained by charge exchange with neutral atmospheric particles, but not by impact on the surface alone. This suggests that an atmosphere must have been present during the E12 flyby. The simulations best represent the sublimated component of the atmosphere and favour higher surface densities than the literature, but are not sensitive to the scale height. Furthermore, an additional depletion is visible very briefly in the energetic protons with energies from 540 to 1040 keV. This feature could be consistent with localized losses from a Europa plume, although such a solution is not unique.

Beobachtungen mittels Satelliten-Fernerkundung deuten darauf hin, dass Europa von einer dünnen Atmosphäre umgeben ist. Darüber hinaus zeigen jüngste Beobachtungen sowie historische Daten von der Galileo Satellitenmission, dass Wasserdampferuptionen auftreten, die im Inneren von Europa entstehen und 200 km hohe Dampffahnen erzeugen können. Aufgrund unzureichender Messungen gibt es allerdings nicht nur große Unsicherheiten in den Eigenschaften der Atmosphäre Europas (z.B. Verlustrate und Struktur), sondern auch der Dampffahnen (z.B. Struktur, Herkunft, Lage, Dauer), deren Existenz nicht einmal bestätigt ist. In den von der Galileo Mission gesammelten ’in-situ’ Daten befinden sich ungenutzte Möglichkeiten um die Eigenschaften der Atmosphäre oder der Dampffahnen zu erkunden. Dies war die einzigen Mission, die Europa aus nächster Nähe erkundet hat. In dieser Arbeit untersuche ich, wie man die Eigenschaften (Dichte, Skalenhöhe) der dünnen Atmosphäre und der Dampffahnen von Europa mithilfe von Daten aus den Galileo in-situ-Teilchendetektorinstrumenten (PLS, EPD) erforschen kann. Zuerst analysiere und vergleiche ich die Vorbeiflüge, wobei ich mich auf den E12-Vorbeiflug konzentriere, da dieser die stärkste Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Magnetosphäre aufzeigte. Als Nächstes simuliere ich den Abbau von energetischen Protonen und Sauerstoffionen, die während des E12-Vorbeifluges gemessen wurden. Ein Monte-Carlo Verfahren zur Teilchenverfolgung wird angewendet, um die Flugbahnen der Teilchen zu simulieren und um festzustellen, wo diese abgebaut werden - entweder an der Oberfläche oder in der Atmosphäre. Die Simulationen zeigen, dass der Abbau von energetischen Teilchen, die im Bereich von 80 bis 540 keV beobachtete werden, durch Ladungsaustausch mit neutralen Teilchen in der Atmosphäre erklärt werden können, und nicht durch den Aufprall auf die Oberfläche allein. Dies deutet darauf hin, dass während des E12-Vorbeifluges eine Atmosphäre vorhanden sein musste. Die Simulationen stellen vor allem die sublimierte Komponente der Atmosphäre dar und begünstigen höhere Oberflächendichten als die in der Literatur vorkommenden, und sind zudem unempfindlich gegenüber der Skalenhöhe. Darüber hinaus ist ein sehr kurz beobachtbarer zusätzlicher Abbau von energetischen Protonen mit Energien von 540 bis 1040 keV sichtbar. Diese Eigenschaft könnte mit örtlich begrenzten Verlusten aus einer Dampffahne übereinstimmen, obwohl diese Lösung nicht eindeutig ist.

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Huybrighs, Hans: A search for signatures of Europa’s atmosphere and plumes in Galileo charged particle data. 2019.

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