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Constraints on Io's and Europa's atmospheres and interiors from modeling of the satellites' aurora

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Beweis durch Modellierung der Galileischen Mondatmosphären: Galileo beobachtete auf Europa Wasserdampffontänen

Durch die Modellierung der Interaktionen zwischen den Plasmaströmen Jupiters und der Atmosphäre seiner Monde – Io und Europa – konnte AuroraMHD die Interpretation bestehender Daten erweitern. Dabei wurden auch Belege dafür gefunden, dass Galileo auf Europa Wasserdampffontänen beobachtet hat.

Weltraum

Die Galileischen Monde Io und Europa befinden sich in der gewaltigen Magnetosphäre Jupiters. Dabei handelt es sich um ein waberndes magnetisiertes Plasma aus elektrisch leitendem, ionisiertem Gas. Das Gas interagiert mit den Atmosphären der Monde, wobei Polarlichter entstehen, wie Beobachtungen mithilfe des Hubble-Weltraumteleskops zeigten. Die Veränderungen der Helligkeit und Morphologie dieser Polarlichter korrelieren mit Veränderungen der Plasmaumgebung der Monde. Beispielsweise oszillieren helle Flecken nahe dem Äquator von Io entsprechend Veränderungen des magnetosphärischen Feldes des Jupiters. Europas Polarlichter erscheinen im Äquatorgebiet blass, in den nördlichen und südlichen Polargebieten jedoch heller. Ios Plasmainteraktion koppelt Io durch einen unsichtbaren elektrischen Strom geladener Teilchen an Jupiter, wobei auf der Süd- und Nordhalbkugel des Jupiters „Fußabdrücke“ von Polarlichtern hinterlassen werden. Die Helligkeit dieser Spuren hängt von den lokalen Interaktionen Ios mit dem magnetosphärischen Plasma ab. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützte Projekt AuroraMHD hat ein Computermodell entwickelt, um die Interaktion zwischen den Monden und dem sich bewegenden magnetisierten Plasma zu untersuchen. „Ein Vergleich unserer Ergebnisse mit Messungen des echten Plasmas hat unser Wissen über das Innere und die Atmosphären dieser Monde vertieft. Wir haben möglicherweise auch Wasserdampffontänen auf Europa nachgewiesen, die von Galileo beobachtet wurden“, so Forschungsstipendiatin Aljona Blöcker von der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm.

Die Modellierung von Plasmainteraktionen

AuroraMHD modellierte verschiedene physikalische Phänomene der Mond- und Plasmainteraktionen wie zum Beispiel Kollisionen von Teilchen in den Atmosphären der Monde und Plasmateilchen aus der Magnetosphäre des Jupiters. Da die Phänomene zeitlichen Schwankungen unterliegen, wurden die Simulationen mit verschiedenen Konfigurationen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrum der Europäischen Weltraumorganisation mit Messungen der NASA-Raumsonde Galileo verglichen. Daten über die elektromagnetischen Felder in der Plasmaumgebung Europas aus jeder Simulation wurden in weitere Simulationen der Flüsse energetischer Protonen eingespeist. Wassermoleküle können die elektromagnetische Umgebung der Atmosphäre verändern und sich so auf die Flugbahn energetischer Teilchen auswirken. Weil man davon ausgeht, dass sich unter der Kruste Europas ein Ozean aus Wasser befindet, wurden Protonenbewegungen innerhalb verschiedener Konfigurationen der Atmosphäre Europas in Gegenwart einer Wasserdampffontäne simuliert. Die Ergebnisse wurden dann mit Messungen energetischer Teilchen verglichen, die von der NASA-Raumsonde Galileo stammen. „Wir haben mit großer Freude festgestellt, dass die Einbindung einer Wasserdampffontäne in unsere Simulation zu einem ähnlichen Protonenschwund geführt hat, wie er auch bei einem Vorbeiflug von Galileo gemessen wurde“, fügt Blöcker hinzu. „Mangels direkter Beobachtungen von Wasserdampffontänen sind solche Hinweise äußerst bedeutsam. Der Schwund energetischer Protonen wurde bislang nicht im Zusammenhang mit verschiedenen atmosphärischen Eigenschaften Europas untersucht.“ Das Team modellierte auch Plasmainteraktionen mit Io, um festzustellen, wie Veränderungen der Plasmaumgebung und der Atmosphäre Ios sich auf den Energiefluss, den Io abstrahlt, auswirken, der seinerseits die Polarlichtspuren des Mondes beeinflusst. „Wir brachten Veränderungen der Dichte der Atmosphären und des Plasmas sowie des magnetischen Felds mit den Veränderungen der Helligkeit von Ios Profil in Verbindung, die von der NASA-Raumsonde Juno beobachtet wurden“, erklärt Blöcker.

Ein Beitrag zu zukünftigen Missionen

Io ist der vulkanisch aktivste Himmelskörper unseres Sonnensystems – Lavaströme und Ausbrüche sind auf der Oberfläche des Mondes allgegenwärtig. Er hat eine dünne Schwefeldioxidatmosphäre und beherbergt womöglich einen Ozean aus Magma. Europa verfügt über eine schwache Sauerstoffatmosphäre und ist mit Eis bedeckt. Der Mond hat daher die glatteste Oberfläche unseres Sonnensystems. Da sich unter der vereisten Oberfläche ein Salzwasserozean verbirgt, wird angenommen, dass dort alle wichtigen Bedingungen für Lebensformen erfüllt sind. Die Ergebnisse von AuroraMHD werden zur Planung zukünftiger Beobachtungsmissionen mit Raumsonden beitragen, wie zur Sonde JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) der ESA und der Europa Clipper-Mission der NASA.

Schlüsselbegriffe

AuroraMHD, Plasma, Europa, Jupiter, Io, Wasserdampffontäne, Plume, Wasser, Galileo, Aurora, Atmosphäre, Mond, Proton

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