Effekte der Libration

Geological implications of a physical
libration on Enceladus
Hurford et al. 2009. Icarus 203. 541-552.
Jose Delgado
Ausgangspunkt
• geologisch aktive südpolare Region (SPT):
Imaging Science Subsystem (ISS)
(1) Grenze: ~ 65° südlicher Breite
(2) Alter: < 200 Mio. J
(3) Gebiet: 70.000 km2 (9% Oberfläche)
(4) Eruptionen: Quelle E-Ring (Saturn)
• Wärmebilanz: (SPT)
Thermische Messungen:
=> Radiogene Erwärmung:
[radiogenic heating]
=> Gezeitenerwärmung:
[tidal heating]
Einleitung (1)
3-7 GW
0,32 GW
0,12 GW
[Porco et al. (2006), 1399]
• 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)
• 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)
• Exzentrizität der Bahn von Enceladus:
e = 0,0047 [Porco et al. 2006]
• => tägliche Veränderungen im Abstand zu Saturn:
- durchschnittlicher Abstand:
237.378 km
- Umlaufzeit:
32,8 h
• => Beeinträchtigung der Höhe der Haupttide (main tide):
Oszillation mit einer Amplitude von
9eh2 MR
Am 
3
4ava
Libration und Gezeiten (2)
h2 … „Love number“
M … Masse [Saturn]
R … Radius [Enceladus]
 … Dichte [Enceladus]
• 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)
• Cassinis Beobachtungslimit für die Summe aus optischer und physischer
Libration auf Enceladus:
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
Effekte der Libration
• Grabenstrukturen (im SPT):
evidente Quelle der Eruptionen
(plumes)
=> tiger stripes
(höhere Temperaturen
als Umgebung)
phys.
Keine
Libr.
physische
„out-of-phase“
Libration
phys.
Libr.
„in-phase“
• Gezeitenspannungen führen zu
einem alternierenden Öffnen
und Schließen der tiger stripes.
• physische Libration:
beeinflussen
=> Spannung auf stripes
=> Zeitpunkt der Eruptionen
Effekte (1a) - Eruptionen
Spannung
Verdichtung
Öffnung
(V=>S)
Je nach Szenario unterschiedliches Timing der Eruptionen
Effekte (1b) - Eruptionen
• 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 heatingModell [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
• 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
• 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)
[1] Spencer, J.R. et al. 2006. Cassini encounters Enceladus: Background and the discovery of a south polar
hot spot. Science 311, 1401–1405.
[2] Porco, C.C. et al. 2006. Cassini observes the active South Pole of Enceladus. Science 311, 1393–1401.
[3] Hurford T.A. et al. 2009. Geological Implications of a physical libration on Enceladus. Icarus 203, 541552.
[4] Thomas, P.C. et al. 2007. Shapes of the saturnian icy satellites and their significance. Icarus 190, 573–
584.
[5] Hurford, T.A., Helfenstein, P., Hoppa, G.V., Greenberg, R., Bills, B., 2007. Eruptions arising from tidally
controlled periodic openings of rifts on Enceladus. Nature 447, 292–294.
[6] Nimmo, F., Spencer, J.R., Pappalardo, R.T., Mullen, M.E., 2007. Shear heating as the origin of the plumes
and heat flux on Enceladus. Nature 447, 289–291.
[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., 2007. Shapes of the saturnian icy satellites and
their significance. Icarus 190, 573–584.
Quellen