Doppelt-diffusive Konvektionsströme in der Eishülle und im unterirdischen Ozean des Jupitermondes EUROPA

• Antragstellerin: Teresa Wong, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427389293

Europa, ein Mond des Jupiters von mittlerer Größe, ist ein einzigartiger Eiskörper mit einer Vielzahl von Merkmalen, die auf eine junge Oberfläche und auf weitverbreitete Aktivitäten hinweisen. Magnetfelddaten, erfasst von der Galileo Mission, und die Bilder von eruptierenden Plumes, aufgenommen vom Hubble Space Telescope, lieferten überzeugenden Hinweise auf die Existenz eines Ozeans, verborgen unter einem Eishülle. Farbige Bandstrukturen und stark zerrissene Oberflächenbereiche sind angereichert an hydratischen Mineralen und weisen möglicherweise auf die Zusammensetzung des Ozeans hin. Derzeit existieren verschiedene Hypothesen über den Transport von Material durch hydrothermale Plumes von Ozeanboden zur Oberfläche und wirft Fragen hinsichtlich des Wärmetransports auf. Im Rahmen dieses Projekts planen wir, doppelt-diffusive Konvektion im Hinblick auf die Dynamik von Europa zu untersuchen. Doppeltdiffusive Konvektion beschreibt einen Mechanismus, bei dem die Dichte des Mediums, sowohl durch die Temperatur, wie auch durch eine chemische Konstituente (z.B. Salinität) beeinflusst wird. Die unterschiedlichen molekularen Diffusivitäten von Temperatur und Konstituente lassen interessante nichtlineare Effekte entstehen, dievon Bedeutung für die thermische Entwicklung sein können. Chemische Heterogenitäten beeinflussen die Stärke der Konvektion, die Form und die Transporteigenschaften von Plumes, das Entstehen von geschichteten Strömung oder sogenannten Fingerstrukturen im Ozean Europas, sowie den Transport von Wärme und Material aus dem Inneren, an die Oberfläche. Zunächst sollen konvektive Strömungen im Eishülle und im darunter befindlichen Ozean getrennt betrachtet werden, um die jeweilige Dynamik in Abhängigkeit von den Schlüsselparametern zu untersuchen. Im Anschluss wollen wir die gekoppelte Entwicklung betrachten, um die wechselseitige Beeinflussung von Ozean und Eishülle besser zu verstehen. Eine Reihe numerischer Modelle (Finite Volumen, Finite Elemente,Spektralverfahren) stehen zur Untersuchung des Eishülles (unendliche Prandtl Zahl) und des Ozean (niedrige Prandtl Zahl) zur Verfügung. Die Ergebnisse werden helfen, (1) die Dicke des Eishülles auf Europa besser abzuschätzen, (2) Aufschlüsse über typischeMischungsraten zu gewinnen, (3) den Wärmestrom durch den Ozean in den Eishülle besser zu bestimmen und (4) Hinweise auf die Bildungsprozesse der Oberflächensignaturen zu gewinnen. Der, in diesem Vorhaben entwickelte Ansatz, wird sich als nützlich erweisen zur Untersuchung weiterer Eiskörper, mit unterirdischen Ozean und die voraussichtliche Ziele zukünftiger Missionen sind. Insbesondre können Vorhersagen aus den hier anvisierten Arbeiten an Beobachtungen aus den anstehenden Missionen ESA JUICE und NASA Europa Clipper getestet werden. Dies wird unsere Kenntnisse über die physikalischen Prozesse auf Europa vervollständigen, die bedeutsam sind für die Entwicklung des Mondes, seine Oberflächenbeschaffenheit und seine Habitabilität.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen