Hydrosphere structure of icy satellites

• Název práce v češtině: Struktura hydrosféry ledových měsíců
• Název v anglickém jazyce: Hydrosphere structure of icy satellites
• Klíčová slova: ledové měsíce|led|termodynamické vlastnosti|struktura
• Klíčová slova anglicky: icy satellites|ice|thermodynamic properties|structure
• Akademický rok vypsání: 2022/2023
• Typ práce: bakalářská práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra geofyziky (32-KG)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Marie Běhounková, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 04.01.2023
• Datum zadání: 01.03.2023
• Datum potvrzení stud. oddělením: 14.03.2023
• Datum a čas obhajoby: 05.09.2023 09:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 20.07.2023
• Datum odevzdání tištěné podoby: 20.07.2023
• Datum proběhlé obhajoby: 05.09.2023
• Oponenti: RNDr. Klára Kalousová, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Jednou z hlavních motivací průzkumu vzdálených světů je určení jejich habitability a možná existence života mimo Zemi. Ve sluneční soustavě patří mezi kandidáty s největším habitabilním potenciálem ledové měsíce obřích planet. Jejich průzkumu se proto věnuje značná pozornost. V současné době jsou plánované dvě mise do systému Jupitera ESA/JUICE (zaměřená zejména na průzkum Ganymedu a Callisto, Grasset a kol. 2013) a NASA/Europa Clipper (zaměřená na průzkum Europy, Howell a Pappalardo, 2020). Národní akademie věd Spojených států amerických označila průzkum měsíců Uranu a Saturnova měsíce Enceladus za dvě největší priority v příštím desetiletí.

Některé ledové měsíce jsou velmi pravděpodobně diferenciovány a tvořeny vrstvou hydrosféry nad silikátovým pláštěm a železitým jádrem. Pro velké měsíce se očekává i přítomnost vodního oceánu možná díky vnitřním zdrojům energie (radioaktivní a slapové zahřívání). Právě přítomnost vody, zejména pokud je v přímém kontaktu se silikátovým jádrem (tj. se zdrojem minerálů a živin), bývá považována za podmínku nezbytnou pro existenci života. V případě velkých ledových měsíců (Ganymedes, Titan) však může být, vlivem vysokých tlaků a v závislosti na teplotě, stabilní vysokotlaká fáze ledu bránící přímému kontaktu vody a silikátového jádra.

Bakalářská práce se zaměří na studium hydrosféry a stability vysokotlakých vrstev ledu. Student využije publikované metody určující termodynamické vlastnosti ledu a jeho fázový diagram pro dané teploty, tlaky a koncentrace solí v oceánu (Vance a Brown, 2013; Vance a kol., 2014; SeaFreeze: Journaux a kol., 2020). Dále připraví kód, který umožní iterativní výpočet jednoduchého teplotního a hustotního modelu hydrosféry měsíce při znalosti celkové hmotnosti a polárního momentu setrvačnosti (Vance a kol., 2014). Ve vnější ledové slupce (led Ih) bude předpokládán přenos tepla kondukcí a adiabatický teplotní profil v oceánu (Vance a Brown, 2013). Pro vybrané měsíce bude určena stabilní struktura hydrosféry v závislosti na koncentraci solí, teplotě oceánu a zdrojům energie.

Seznam odborné literatury

Bierson, C., Nimmo, F. (2022) A note on the possibility of subsurface oceans on the Uranian satellites, Icarus, 373, 114776.

Castillo-Rogez, J.C., Matson, D.L., Sotin, C., Johnson, T.V., Lunine, J.I., Thomas, P.C. (2007). Iapetus' geophysics: Rotation rate, shape, and equatorial ridge. Icarus 190, 179-202.

Choukroun, M. a O. Grasset (2010). Thermodynamic data and modeling of the water and ammonia-water phase diagrams up to 2.2 GPA for planetary geophysics. J. Chem. Phys. 133, 144502.

dePater, I. a Lissauer, J.J. (2015). Planetary sciences. Updated Second Edition. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-09161-0.

Grasset, O., Dougherty, M. K., Coustenis, A., Bunce, E. J., Erd, C., Titov, D., Blanc, M., Coates, A., Drossart, P., Fletcher, L. N., Hussmann, H., Jaumann, R., Krupp, N., Lebreton, J.-P., Prieto-Ballesteros, O., Tortora, P., Tosi, F., Van Hoolst, T. (2013). JUpiter ICy moons Explorer (JUICE): An ESA mission to orbit Ganymede and to characterise the Jupiter system. Planetary and Space Science, 78, 1-21.

Howell, S. M., a Pappalardo, R. T. (2020). NASA’s Europa Clipper - a mission to a potentially habitable ocean world. Nature Communications, 11(1), 1-4. DOI: 10.1038/s41467-020-15160-9

Howell, S.M. (2021). The Likely Thickness of Europa's Icy Shell, Planet. Sci. J. 2, 129.

Hussmann, H., Sotin, C. a Lunine, J.I. (2007). Interiors and Evolution of Icy Satellites. Treatise on Geophysics, ed. G. Schubert, pages 509-539.

Hussmann, H., Choblet, G., Lainey, V., Matson, D.L, Sotin, C, Tobie, G., van Hoolst, T. (2010). Implications of rotation, orbital states, energy sources, and heat transport for internal processes in icy satellites. Space Science Rev. 153, pages 317-348.

Journaux, B., Brown, J. M., Pakhomova, A., Collings, I. E., Petitgirard, S., Espinoza, P., et al. (2020). Holistic approach for studying planetary hydrospheres: Gibbs representation of ices thermodynamics, elasticity, and the water phase diagram to 2,300 MPa. Journal of Geophysical Research: Planets, 125, e2019JE006176.

Journaux, B., Kalousova, K., Sotin, C., Tobie, G., Vance, S., Saur, J., Bollengier, O., Noack, L., Ruckriemen-Bez, T., Van Hoolst, T., Soderlund, K. M. a Brown, J. M. (2020). Large ocean worlds with high-pressure ices, Space Sci. Rev., 216(7).

NASEM - National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (2022). Origins, Worlds, and Life: A Decadal Strategy for Planetary Science and Astrobiology 2023-2032. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/26522

Vance, S., Bouffard, M., Choukroun, M., Sotin, C. (2004). Ganymede’s internal structure including thermodynamics of magnesium sulfate oceans in contact with ice. Planetary and Space Science 96, 62-70.

Vance, S. a Brown, J.M. (2013). Thermodynamic properties of aquenous MgSO4 to 800 MPa at temperatures from -20 to 100 °C and concentrations to 2.5mol kg-1 from sound speed with application to icy world oceans. Geochimica et Cosmochimica Acta 100, 176-189.