Motional electromagnetic induction in the subsurface ocean in Europa

• Thesis title in Czech: Elektromagnetická indukce poháněná prouděním podpovrchového oceánu v Europě
• Thesis title in English: Motional electromagnetic induction in the subsurface ocean in Europa
• Key words: elektromagnetická indukce|Europa|podpovrchový oceán
• English key words: electromagnetic induction|Europa|subsurface ocean
• Academic year of topic announcement: 2021/2022
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Geophysics (32-KG)
• Supervisor: doc. RNDr. Jakub Velímský, Ph.D.
• Author: Bc. Ondřej Kureš - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 21.04.2022
• Date of assignment: 21.04.2022
• Confirmed by Study dept. on: 29.04.2022
• Date and time of defence: 13.09.2023 09:00
• Date of electronic submission: 20.07.2023
• Date of submission of printed version: 24.07.2023
• Date of proceeded defence: 13.09.2023
• Opponents: doc. RNDr. Ondřej Souček, Ph.D.
• Advisors: doc. RNDr. Marie Běhounková, Ph.D.

Guidelines

Student zformuluje a naprogramuje řešič přímé úlohy elektromagnetické indukce v 1-D sféricky symetrickém prostředí s implementací indukce vyvolané obecně 3-D prouděním vody v oceánské kulové vrstvě sevřené mezi ledovými vrstvami. Bude využita parametrizace pomocí sférických harmonických funkcí (Varshalovich et al., 1989). Kód bude otestován proti známému semi-analytickému řešení. Poté student kód použije pro modelování pohybem indukovaného magnetického pole v podpovrchovém oceánu Europy, s využitím známých vodivostních profilů (Vance et al. 2021), modelů magnetického pole Jupitera ve stoupající složitosti (od homogenního pole až po Connerney et al. 2022) a různých struktur oceánského proudění, od jednoduchých analytických výrazů, po složitější modely poskytnuté konzultantem (Kvorka & Čadek, 2022).

References

Connerney, J. E. P., Timmins, S., Oliversen, R. J., et al. A new model of Jupiter’s magnetic field at the completion of Juno’s prime mission. Journal of Geophysical Research: Planets, 127(2):e2021JE007055, 2022. doi: https://doi.org/10.1029/2021JE007055.
Soderlund, K. M. Ocean dynamics of outer Solar System satellites. Geophys. Res. Lett., 46:8700–8710, 2019. doi: 10.1029/2018GL081880.
Soderlund, K. M., Schmidt, B. E., Wicht, J., and Blankenship, D. D. Ocean-driven heating of Europa’s icy shell at low latitudes. Nat. Geosci., 7:16–19, 2014. doi: 10.1038/NGEO2021.
Kvorka, J. and Čadek, O. A numerical model of convective heat transfer in Titan’s subsurface ocean. Icarus, page, in press, 2022. doi: 10.1016/j.icarus.2021.114853.
Vance, S. D., Styczinski, M. J., Bills, B. G., et al. Magnetic induction responses of Jupiter’s ocean moons including effects from adiabatic convection. Journal of Geophysical Research: Planets, 126(2):e2020JE006418, 2021. doi: https://doi.org/10.1029/2020JE006418.
Varshalovich, D.A., Moskalev, A.N. & Khersonskii, V.K., 1989. Quantum Theory of Angular Momentum, World Scientific, Singapore.
Velı́mský, J., Schnepf, N. R., Nair, M. C., and Thomas, N. P. Can seafloor voltage cables be used to study large-scale circulation? An investigation in the Pacific Ocean. Ocean Science, 17(1):383–392, 2021. doi: 10.5194/os-17-383-2021.
Zimmer, C., Khurana, K. K., and Kivelson, M. G. Subsurface oceans on Europa and Callisto: Constraints from Galileo magnetometer observations. Icarus, 147:329–347, 2000. doi: 10.1006/icar.2000.6456.

Preliminary scope of work

Proudění elektricky vodivé slané vody v přítomnosti magnetického pole vytváří pohybově indukované elektromagnetické signály, které obsahují informace o proudění oceánů a elektrické vodivosti. Tento proces probíhá mimo jiné v podpovrchovém oceánu Jupiterova ledového měsíce Europy, kde dochází ke vzájemnému působení vody, proudící v prostoru mezi dvěma ledovými slupkami, a Jupiterova magnetického pole. Úkolem studenta bude modelovat toto indukované magnetické pole k odhadu jeho měřitelnosti budoucími vesmírnými sondami JUICE a Europa Clipper.

Preliminary scope of work in English

Circulation of the electrically conductive seawater in presence of the ambient magnetic field generates motionally induced electromagnetic signals that convey the information about water flow and electrical conductivity in the ocean interior. This process occurs, among other places, also in the subsurface ocean of the Jovian icy satellite Europa, where the water flow sandwiched between external and internal ice shells interacts with the magnetic field of Jupiter. The student will model this type of induced magnetic field to provide its estimates, and to study its detectability by future space probes JUICE and Europa Clipper.