Chemisch-physikalische Zusammensetzung der Ganymedoberfläche: Zusammenhänge mit geologischen Strukturen und deren Gestaltungsprozessen

Abstract

Die Untersuchung der Oberflächenzusammensetzung von Ganymed basiert auf Daten des abbildenden Spektrometers NIMS an Bord der Raumsonde Galileo, das die Ganymedoberfläche im Spektralbereich des Nahen Infrarot detektiert. Die Verarbeitung der vorliegenden Spektraldaten einschließlich der quantitativen Analyse der spektralen Signaturen in den Reflexionsspektren von Ganymed wie deren Charakterisierung in Abhängigkeit der geologischen Oberflächenstrukturen bildet den zentralen Teil der Arbeit. Die Ergebnisse zeigen, dass Veränderungen der Reflexionseigenschaften der Ganymedoberfläche auf den wechselnden Anteil von Wassereis und Gesteinsmaterial und dem Gehalt an CO2 zurückzuführen sind. Die simultane Analyse der Absorptionen von Wassereis erlaubt es ferner, erstmals Veränderungen des relativen Anteils und der Partikelgröße von Wassereis getrennt voneinander zu erfassen. Es wurden Veränderungen festgestellt, die sowohl eng mit der Geologie in Zusammenhang stehen und aber auch die Wechselwirkung zwischen Ganymed und dem interplanetaren Raum widerspiegeln. So ist die Konzentration von Gesteinsmaterial in den geologisch ältesten Regionen Ganymeds das Resultat des Bombardements mit (mikro-) meteoritischem Material. Dagegen repräsentiert in geologisch jungen Einschlagskratern konzentriertes feinkristallines Wassereis relativ frisches aus dem Untergrund freigelegtes Material. Die Wechselwirkung mit dem interplanetaren Raum zeigt sich hauptsächlich in den Veränderungen der Partikelgröße von Wassereis. Relativ große Partikel (> 500µm) wurden nahe dem Äquator (~30°N bis ~30°S) gemessen und als Folge der hier dominierenden Sublimationsprozesse interpretiert. Ganymeds selbsterzeugtes Magnetfeld schützt hier die Oberfläche weitestgehend vor einfallender Strahlung aus dem interplanetaren Raum. Dagegen wird diese als Ursache für abnehmende Partikelgröße von Wassereis (<10µm) in Richtung der polaren Regionen angesehen. Entgegen bisheriger Annahmen zeigen die Ergebnisse der Arbeit, dass kein Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein von Gesteinsmaterial und dem Gehalt an CO2 besteht. Dagegen konnten erstmals höhere Konzentrationen von CO2 in morphologisch frischen Einschlagskratern als direktes Resultat des Einschlagsprozesses identifiziert werden. Mit zunehmendem Alter der Einschlagskrater erfolgt die zunehmende Angleichung an die unmittelbare Umgebung in Bezug auf den relativen Anteil und die Partikelgröße von Wassereis aber auch im Gehalt an CO2. Entgegen der Abgabe von CO2 an eine Atmosphäre, wie im Falle des Nachbarmonds Callisto, verbleibt das CO2 auf Grund des Gleichgewichts zwischen der thermisch bedingten Kristallisation und der erneuten Amorphisierung von Wassereis durch einfallende (Mikro-) Meteoriten und Partikel aus Jupiters Magnetosphäre im Oberflächenmaterial von Ganymed.

The analysis of the surface composition of Jupiter s moon Ganymede bases on data of the imaging spectrometer NIMS onboard the Galileo spacecraft that detected Ganymede s surface in the Near Infrared. The central part of this work includes the processing of the spectral data, the quantitative analysis of the spectral signatures in the reflectance spectra of Ganymede, and the characterization of their spatial variations depending on geological surface features. The results show, that variations of the reflectance properties of Ganymede s surface attribute to varying amounts of water ice, rocky material and the contents of gaseous CO2. Additionally, the simultaneous analysis of the water ice absorptions made it possible to separate changes of the amount and the particle size of water ice. Spectral variations were found to be partly related to the geology, that is the age and the geological evolution, but also to reflect the interaction between Ganymede and the interplanetary space. Thus, the concentration of rocky material in geological oldest regions of Ganymede is effected by the bombardment with (micro-) meteoritic material. Almost pure and fine crystalline water ice in the vicinity of young impact craters represents fresh excavated material of Ganymede s ice crust. The interaction between Ganymede s surface and the interplanetary space influences mainly variations of the particle size of water ice. Large particles (> 500 µm) were measured close to the equator (~30°N to ~30°S) and are assumed to be caused by sublimation processes, which dominate this region. Ganymede s own magnetic field protects the equatorial region mostly from high energetic incoming radiation. However this radiation is supposed to be responsible for the decreasing of the particle size (< 10 µm) toward the polar regions. Contrary to previous assumptions, the results of this work show no relationship between the existence of rocky material and the content of CO2. This work allowed for the first time the identification of higher concentrations of CO2 in young morphologically fresh impact craters as a direct result of the impact process. With increasing age the impact craters are characterized by an adjustment between the impact craters and their surrounding region with respect to the relative amount of water ice, the size of the water ice particles but also to the content of CO2. CO2 remains within the surface material of Ganymede caused by the equilibrium between the thermal crystallization and amorphization of water ice due to incoming (micro-) meteorites and radiation from Jupiter s magnetosphere. This is opposite to the neighbouring moon Callisto, where CO2 escapes into an atmosphere.