Geological implications of a physical libration on Enceladus

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Eleonora Schreiber
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1 Geological implications of a physical libration on Enceladus Hurford et al Icarus Jose Delgado

000 km 2 (9% Oberfläche) (4) Eruptionen: Quelle E-Ring (Saturn) [Porco et al.

2 Ausgangspunkt geologisch aktive südpolare Region (SPT): Imaging Science Subsystem (ISS) (1) Grenze: ~ 65 südlicher Breite (2) Alter: < 200 Mio. J (3) Gebiet: km 2 (9% Oberfläche) (4) Eruptionen: Quelle E-Ring (Saturn) [Porco et al. (2006), 1399] Wärmebilanz: (SPT) Thermische Messungen: 3-7 GW => Radiogene Erwärmung: 0,32 GW [radiogenic heating] => Gezeitenerwärmung: 0,12 GW [tidal heating] Einleitung (1)

3 Gezeitenerwärmung: zu konservative Schätzung Neuere Beiträge: [Hurford et al. 2007] [Nimmo et al. 2007] - umfassende Gezeitendeformationen - Gezeitenspannung: Scherbewegungen [tidal shearing] Spaltöffnungen (Cracks) - Erwartetes globales Wärmebudget: > 8 GW - Allerdings: Fokussierung auf South Polar Terrain (SPT) unwahrscheinlich Vorhergesagtes Ausmaß an tidal heating unzureichend um Plume-Aktivität im SPT zu erklären. => weiterer Mechanismus notwendig. Aussichtsreicher Kandidat: Physische Libration Einleitung (2)

4 Nicht-sphärische Gestalt: D.: 512 x 494 x 489 km => Satellit taumelt um sein eigenes Gravitationszentrum (beim Umlauf um Saturn) => physische Libration => tägliche Oszillation des tidal bulge auf Enceladus => massive Beeinflussung der täglichen, auf die Oberfläche wirkenden Gezeitenspannungen. (tidal stresses) Libration und Gezeiten (1)

5 Exzentrizität der Bahn von Enceladus: e = 0,0047 [Porco et al. 2006] => tägliche Veränderungen im Abstand zu Saturn: - durchschnittlicher Abstand: km - Umlaufzeit: 32,8 h => Beeinträchtigung der Höhe der Haupttide (main tide): Oszillation mit einer Amplitude von Am 9eh 4 2 av MR 3 a h 2 M R Love number Masse [Saturn] Radius [Enceladus] Dichte [Enceladus] Libration und Gezeiten (2)

6 Exzentrizität der Bahn von Enceladus verursacht im Zuge eines Umlaufs auch eine Oszillation des tidal bulge in der Länge => optische Libration [Newton, 1686] Libration optische Libration physische Libration physische Libration kann nun in-phase bzw. out-of-phase mit der optischen Libration sein. Libration und Gezeiten (3)

7 Cassinis Beobachtungslimit für die Summe aus optischer und physischer Libration auf Enceladus: Effekte der Libration L 1, 5 Nach Ansicht der Autoren: physische Libration zu gering um von Cassini direkt beobachtet zu werden, jedoch: a) im Falle der Existenz => Auswirkungen auf Gezeitenspannungen enorm. => Möglichkeit einer indirekten Detektierung. b) Phänomene, bei denen Gezeitenspannungen eine zentrale Rolle spielen können zum Teil erklärt werden: - Eruptionen (tiger stripes) - Shear heating - Spaltenbildung

8 Grabenstrukturen (im SPT): evidente Quelle der Eruptionen (plumes) => tiger stripes (höhere Temperaturen als Umgebung) phys. Keine phys. Libr. physische Libr. out-of-phase in-phase Libration Gezeitenspannungen führen zu einem alternierenden Öffnen und Schließen der tiger stripes. physische Libration: beeinflussen => Spannung auf stripes => Zeitpunkt der Eruptionen Spannung Verdichtung Öffnung (V=>S) Effekte (1a) - Eruptionen

9 Je nach Szenario unterschiedliches Timing der Eruptionen Effekte (1b) - Eruptionen

10 Tidal shear heating: komplementärer Prozess zu den Eruptionen periodische Scherbewegungen entlang der Gräben (rifts) verursachen zusätzlich eine Erwärmung. Erhöhen ev. die Wahrscheinlichkeit einer Eruption Abweichungen: zwischen tidal shear heating- Modell [Nimmo et al. 2007] und empirische Daten. (zu vereinfacht) Berücksichtigung der physischen Libration: Vorhersage höherer Niveaus an shear heating => entspricht eher den Beobachtungen Cassinis. Effekte (2) Tidal shear heating

11 Beeinflussung der Spaltenbildung: - einige Segmente eines tiger stripe weisen Ähnlichkeiten mit durch Gezeitenspannungen verursachte Spalten auf Europa auf (wenngleich morphologische Unterschiede bestehen) - die optische Libration von Enceladus allein reicht nicht aus um die derzeit beobachtbare Form und Lage dieser Grabensegmente zu erklären - da es sich um einen stratigraphisch jungen (aktiven) tiger stripe handelt, könnte der Spalt auch an der jetzigen Position entstanden sein. => indirekte Rückschlüsse auf die gesamte Libration von Enceladus und bei Kenntnis der optischen Libration => physischen Libration Effekte (3) Spaltbildung durch Gezeitenkräfte

12 Die größte Auswirkung auf die Gezeitenerwärmung ergibt sich bei einer physischen Libration von: L=1.5 (Cassinis Beobachtungslimit) => Anstieg der prognistizierten Gezeitenerwärmung um den Faktor 4.9 Berücksichtigung der Arbeit v. [Hurford et al. 2007] [Nimmo et al. 2007]: Erwartetes globales Wärmebudget von mind. 8 GW Erweiterung um den Faktor 4.9 (max. Wert der physischen Libration). Enceladus könnte bis zu 40 GW dissipieren. die am SPT erfassten 3-7 GW nur ein Bruchteil der dem System zugeführten Wärme. Effekte auf die dissipierte Wärme (SPT)

13 [1] Spencer, J.R. et al Cassini encounters Enceladus: Background and the discovery of a south polar hot spot. Science 311, [2] Porco, C.C. et al Cassini observes the active South Pole of Enceladus. Science 311, [3] Hurford T.A. et al Geological Implications of a physical libration on Enceladus. Icarus 203, [4] Thomas, P.C. et al Shapes of the saturnian icy satellites and their significance. Icarus 190, [5] Hurford, T.A., Helfenstein, P., Hoppa, G.V., Greenberg, R., Bills, B., Eruptions arising from tidally controlled periodic openings of rifts on Enceladus. Nature 447, [6] Nimmo, F., Spencer, J.R., Pappalardo, R.T., Mullen, M.E., Shear heating as the origin of the plumes and heat flux on Enceladus. Nature 447, [7] Thomas, P.C., Burns, J.A., Helfenstein, P., Squyres, S., Veverka, J., Porco, C., Turtle, E.P., McEwen, A., Denk, T., Giese, B., Roatsch, T., Johnson, T.V., Jacobson, R.A., Shapes of the saturnian icy satellites and their significance. Icarus 190, Quellen

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