Simulation of Europa's water plume and structures related to energetic activities on solar system bodies from satellite images

This PhD thesis focuses on the analysis of different high energetic processes that affect the surface of planets, satellites and minor bodies as well as modify their surrounding environment. Specifically, this work concerns three main topics: (i) the simulation and analysis of one of the most geological energetic process, i.e. impact cratering; (ii) the investigation of the fragmentation processes that could have generated boulders on comet Churyumov-Gerasimenko 67P; (iii) the analysis of a possible transient plume originating from cryovolcanic events on Europa, the Jovian icy satellite, combined with an accurate characterisation of its exospheric background. The first topic addresses the investigation of the impact formation process through numerical modelling. Shocks code represent the most feasible method for studying impact craters, as they can simulate a large span of conditions beyond the reach of experiments (e.g., velocity, size). The iSALE hydrocode was used to simulate two different impact structures located on Mercury and Mars. On Mercury, the simulation allows to determine the genesis of a particular landform, i.e. a steep-sided cone with associated pyroclastic deposits, which was revealed by images acquired by MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging (MESSENGER) spacecraft. On Mars, the simulation of the Firsoff crater in Arabia Terra permits a better understanding the subsequent geologic processes that led to crater post modification, defining which rheological structure is more likely in that region. In both cases, we conclude that the numerical modelling of impact process is a powerful tool to improve the comprehension of the Solar System. The second topic of the thesis has been developed after the Rosetta mission got inserted around the comet Churyumov-Gerasimenko 67P. We investigated the surface of comet Churyumov-Gerasimenko 67P focusing on the possible energetic events that lead to the formation of boulders; i.e. blocks that are ubiquitous on the surface of the comet. Different energetic formation processes were invoked to explain the presence of boulders, such as sublimation, fragmentation, outbursts and gravitational falls. Using images acquired by OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System) and CIVA (Comet Infrared and Visible Analyser) cameras on board the spacecraft and the lander respectively, a quantitative analysis of different-size boulders has been performed in order to understand if the same energetic formation processes occur equally on different scales on the comet (m, cm and mm). Specifically, by means of different resolution images, we obtained several size-frequency distribution for: (i) boulders larger than 7 m, (ii) boulders larger than 1 m from higher resolution images used to analyse the Abydos site, the location where Philae is supposed to be, and (iii) pebbles (mm-scale structures) visible on CIVA images. The third topic is the icy satellite Europa in view of the future ESA/JUICE mission and because of our involvement in JANUS (Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator) visible camera. The presence of a subsurface ocean is a primary topic on Europa, in addition the recent discovery of a transient plume at the south pole by HST observations has raised many questions regarding the interaction between the subsurface/surface and the outer environment of Europa in terms of active processes affecting the icy surface. In this context, a possible plume deposit originating from cryovolcanic events was simulated to understand its detectability by JANUS camera during the Europa flyby phase of the JUICE mission. In addition, since the study of transient plumes has as a mandatory prerequisite an accurate characterisation of the exospheric background, a detailed study of the loss rates of Europa's tenuous atmosphere was performed. In particular, loss rates for electron impact dissociation and ionization processes, for charge-exchange (considering plasma torus, pick up and ionosphere ions) and for photo processes (for both cases of quite and active Sun) were calculated.

Il lavoro di tesi è focalizzato sull'analisi di processi fortemente energetici che agiscono e caratterizzano le superfici dei corpi del Sistema Solare (pianeti, satelliti e corpi minori), influenzandone anche l'ambiente circostante. Gli argomenti principali sviluppati in questo lavoro sono i seguenti: (i) simulazione e analisi della fisica dell'impatto su superfici planetarie, (ii) lo studio dei processi di frammentazione responsabili dell'origine dei molteplici massi presenti sulla superficie della cometa Churyumov-Gerasimenko 67P, e (iii) la caratterizzazione di fenomeni transienti che si manifestano sul satellite gioviano Europa, in particolare l'analisi di possibili "plumes'' generati da fenomeni criovulcanici e lo studio accurato dell'ambiente esosferico. Il primo tema affrontato è l'analisi del processo di craterizzazione da impatto tramite simulazioni numeriche, in quanto gli shock code rappresentano il miglior mezzo per esplorare condizioni non raggiungibili in laboratorio e capire quali siano le variabili maggiormente responsabili agenti della formazione del cratere. In questa tesi l'hydrocode iSALE è stato utilizzato per simulare due strutture di impatto presenti su due pianeti del Sistema Solare, Mercurio e Marte. Nel primo caso, la simulazione e analisi del cratere ha permesso di ottenere maggiori informazioni riguardo l'origine di una struttura conica circondata da materiale piroclastico, identificata dalle immagini acquisite dalla sonda MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging). Nel caso Marziano, invece, la simulazione numerica del cratere Firsoff, localizzato in Arabia Terra, ha permesso di capire quali siano i processi post-impatto che hanno determinato l'attuale morfologia del cratere e quale sia la struttura reologica caratterizzante quella regione. Dai risultati provenienti da entrambe le applicazioni emerge che la simulazione numerica dei crateri di impatto sia un importante e potente strumento per migliorare la conoscenza del Sistema Solare. Il secondo argomento è stato sviluppato dopo l'inserimento in orbita di Rosetta attorno alla cometa 67P. Diversi processi energetici, come la sublimazione, frammentazione, outburts e crolli gravitazionali, sono stati considerati al fine di spiegare la genesi dei massi cometari, che si trovano ovunque sulla superficie. Per uno studio dettagliato dell'argomento sono state utilizzate le immagini acquisite dagli strumenti OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System) e CIVA (Comet Infrared and Visible Analyser), che sono le camere a bordo della sonda e del lander rispettivamente. I massi presenti sulle immagini sono stati analizzati quantitativamente, in termini di distribuzione in dimensioni, per comprendere quali siano i processi energetici che li generano e, in particolare, per determinare se tali processi avvengano ugualmente sulla cometa indipendentemente dalla scala spaziale considerata (m, cm, mm). A tale scopo, sono state ottenute le varie distribuzioni per i seguenti massi: (i) massi con un diametro maggiore di 7 m, (ii) massi con un diametro maggiore di 1 m (dall'analisi del sito Abydos, che è il luogo dove si suppone sia Philae) e (iii) grani (strutture su scala del mm-cm) presenti sulle immagini di CIVA. Nell'ambito della missione futura ESA/JUICE e del nostro forte coinvolgimento nella camera JANUS (Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator), l'ultimo tema affrontato è incentrato sul satellite ghiacciato Europa. La presenza di un oceano subsuperficiale all'interno di Europa è un argomento di primaria importanza e, in aggiunta, la recente osservazione del plume al polo sud tramite le osservazioni di HST, ha alimentato le domande riguardanti l'interazione tra la subsuperficie, la superficie e l'ambiente circostante. In questo contesto, il primo obiettivo è stato quello di generare una simulazione che rappresentasse un possibile deposito di un plume generato da fenomeni criovulcanici, in modo da definire in quali condizioni l'evento sarebbe osservabile da JANUS durante i flybys di Europa. Inoltre, dato che lo studio dei ``plume'' necessita di un'accurata caratterizzazione dell'esosfera, è stato realizzato un dettagliato calcolo dei tassi di perdita dell'esosfera di Europa in relazione ai processi di ionizzazione e dissociazione per impatto di elettroni, di scambio di carica e di fotoionizzazione.