Plasma Environments of Saturn’s Moons Enceladus and RheaThe : Modeling of Cassini Magnetic Field Data

Kriegel, Hendrik, Alexander

doi:10.24355/dbbs.084-201404241013-0

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The Plasma Environments of Saturn’s Moons Enceladus and Rhea : Modeling of Cassini Magnetic Field Data

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German

One of the most fascinating discoveries of the Cassini mission was the plume of water vapor and dust below the small moon Enceladus. The interaction between this plume and Saturn's magnetospheric plasma by means of charge exchange and pick-up of newly born ions leads to a large-scale perturbation of Saturn's magnetic field, the Alfven wing. In this thesis, analytical models as well as simulations with the hybrid code A.I.K.E.F. (Adaptive Ion-Kinetic Electron-Fluid) are applied to study the processes that generate these field perturbations. The results are compared with Cassini Magnetometer (MAG) data obtained during the 20 Enceladus flybys, which took place between 2005 and 2013. It is shown that electron absorption by dust leads to a reversal of the Hall current, which is referred to as the ''Anti-Hall effect''. The resulting twist of the magnetic field has been observed during all Enceladus flybys so far. In a second study, the plasma simulations are combined with simulations of the 3D profile of the plume. Thereby, the effect of the distorted electromagnetic fields on the charged dust grains is considered. It is demonstrated that the magnetic field signatures indicate the pick-up of nanograins. In addition, magnetic field observations from the polar R2 and R3 flybys of Saturn's largest icy moon Rhea are analyzed. Observations of exospheric neutral gas suggest Rhea to be embedded in a tenuous gas envelope. However, the interaction of this gas with the magnetospheric plasma does not cause any measurable magnetic field draping pattern detected above the poles of the moon. Instead, it is shown that the finite length of Rhea's wake leads to a diamagnetic current that generates a weak Alfven wing pattern which has been detected by the Cassini spacecraft.

Eine der spektakulärsten Entdeckungen der Cassini-Mission war die Beobachtung einer Wolke (Plume) aus Wasserdampf und Staub unterhalb von des kleinen Mondes Enceladus. Die Wechselwirkung dieses Plumes mit Saturns magnetosphärischem Plasma durch Ladungsaustausch und Pick-up neu erzeugter Ionen führt zu einer großskaligen Störung von Saturns Magnetfeld, dem Alfven-Flügel. In dieser Arbeit werden analytische Modelle und Simulationen mit dem Hybrid-Code A.I.K.E.F. (Adaptive Ion-Kinetic Electron-Fluid) verwendet, um die Prozesse zu analysieren, die diese Magnetfeldstörungen generieren. Die Ergebnisse werden mit Cassini Magnetometer (MAG) Daten verglichen, die während der 20 Enceladus-Vorbeiflüge zwischen 2005 und 2013 aufgenommen wurden. Es wird gezeigt, dass die Absorption von Elektronen durch den Staub zu einer Umkehr des Hall-Stroms führt, was wir als Anti-Hall Effekt bezeichnen. Die daraus resultierende Verdrehung der Magnetfeldlinien wurde während aller Enceladus-Vorbeiflüge gemessen. In einer zweiten Studie werden die Plasmasimulationen mit Simulationen der 3D-Struktur des Plumes kombiniert. Dadurch wird der Einfluss der gestörten elektromagnetischen Felder auf die geladenen Staubteilchen berücksichtigt. Es wird dargelegt, dass die Magnetfeldsignaturen auf den Pick-up von Nanoteilchen hinweisen. Des Weiteren werden Magnetfeldmessungen von den polaren R2 und R3 Vorbeiflügen an Saturns zweitgrößtem Mond Rhea analysiert. Beobachtungen von exosphärischem Neutralgas zeigen, dass Rhea von einer dünnen Neutralgashülle umgeben ist. Die Wechselwirkung des Plasmas mit dem Neutralgas verursacht jedoch keinen nennenswerten Beitrag zu den über Rheas Polen gemessenen Magnetfeldstörungen. Stattdessen wird gezeigt, dass die endliche Länge von Rheas Plasma-Wake zu einem diamagnetischen Strom führt. Dieser Strom erzeugt wiederum einen schwachen Alfven-Flügel, dessen Magnetfeldsignatur von Cassini detektiert wurde.