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

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.