Geological Characterization of various surface features on Jupiter’s Moon Europa with high relevance for the Europa Clipper Mission

Abstract

The exploration of ocean worlds within our Solar System stands at the forefront of contemporary planetary investigation, offering profound insights into potential habitability beyond Earth. This thesis examines some of the geological characteristics of Europa, one of Jupiter's icy moons, with a particular focus on features of high astrobiological relevance. Using existing imaging and newly generated topographic data, the research provides fundamental insights into Europa's geological processes, preparing for the upcoming NASA’s Europa Clipper mission. Three key features - Ménec Fossae, Thrace Macula, and Libya Linea – all located in a transitional region of Europa's southern hemisphere, are comprehensively studied. My investigations on each of these features have been previously published - and in one case are in review - in international peer-reviewed publications, and constitute the core of this cumulative dissertation (Sections II, II, and IV, respectively). After an overview of the current state of research on ocean worlds, Europa, and its geology in Part I, in Part II Ménec Fossae's geological complexity is investigated, suggesting tectonic activity possibly linked to a shallow water pocket within Europa's ice shell. Detailed geomorphologic and topographic analyses reveal the presence of numerous geological features within Ménec Fossae, indicating a dynamic history shaped by tectonic forces. The conclusions drawn in Part II provide additional evidence for the widespread presence of shallow water pockets within Europa's ice shell. This understanding could facilitate the assessment of Europa's habitability by future space missions. Part III offers a novel perspective on the formation and evolution of Thrace Macula, a poorly understood chaos terrain. Through detailed analysis of topographic data and structural features, Part III proposes a new hypothesis suggesting that preexisting faults constrained its emplacement and distribution. Moreover, a sequence of geological events could be inferred: the formation of the neighboring band Agenor Linea occurred first, succeeded by that of Libya Linea and subsequently by the emplacement of Thrace Macula. Ultimately, strike-slip tectonic activity likely related to Libya Linea displaced a part of Thrace Macula. These findings suggest how forthcoming space missions could sample subsurface material from Thrace, which has only recently been emplaced on the surface along faults subsequent to its formation, offering access to the freshest - and most astrobiologically relevant - material in this area. Part IV focuses on the detailed characterization of Libya Linea, a prominent dilational band. By examining its elevation characteristics and structural features, Part IV identifies different stages of deformation, shedding new light on its geological history. Furthermore, small features possibly related to cryovolcanism or diapirism are identified within the vicinity of Libya Linea, adding additional complexity to its geological context. Part IV contributes significantly to the broader comprehension of Europa's geological history, particularly shedding light on the evolutionary processes of its bands. Through rigorous geomorphological-structural and topographic analyses, this thesis contributes to our understanding of Europa's geological dynamics and the astrobiological significance of its surface features. The insights gained from the study of Ménec Fossae, Thrace Macula, and Libya Linea provide a valuable foundation for future missions, particularly Europa Clipper, which will utilize the findings to assess Europa's potential habitability. The research presented here establishes a fundamental groundwork for understanding Europa's geological evolution and advancing our quest to uncover the potential for life beyond Earth.

Die Erforschung der Ozeanwelten innerhalb unseres Sonnensystems steht an vorderster Front der heutigen planetologischen Forschung und bietet Einblicke in die potenzielle Bewohnbarkeit planetarer Körper jenseits der Erde. Die vorliegende Dissertation untersucht einige der geologischen Merkmale des Jupitermondes Europa, mit einem besonderen Fokus auf Merkmalen von hoher astrobiologischer Relevanz. Unter Verwendung vorhandener Bilddaten und neuer topographischer Untersuchungen liefert die Dissertation grundlegende Einblicke in die geologischen Prozesse auf Europa als Vorbereitung der bevorstehenden NASA Mission Europa Clipper vor. Drei Schlüsselgebiete - Ménec Fossae, Thrace Macula und Libya Linea - alle in einer Übergangsregion der südlichen Hemisphäre von Europa gelegen, werden umfassend untersucht. Die Ergebnisse dieser Studien wurden in international begutachteten Fachartikel veröffentlicht und bilden den Kern dieser kumulativen Dissertation (Kapitel II, III und IV). Nach einem Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zu Ozeanwelten, Europa und seiner Geologie im Teil I wird im Teil II die geologische Komplexität von Ménec Fossae dargelegt, wobei besonders auf mögliche tektonische Aktivitäten hingewiesen wird, die möglicherweise mit Wasserreservoir in geringer Tiefe unter der Eiskruste von Europa verbunden sind. Detaillierte geomorphologische und topographische Analysen zeigen zahlreicher geologischer Merkmale innerhalb von Ménec Fossae, die auf eine dynamische Entwicklung durch tektonische Kräfte hinweisen. Die Schlussfolgerungen in Teil II liefern zusätzliche Hinweise auf die weit verbreitete Existenz solcher Wassereinschlüsse in der Eiskruste von Europa, was habitable Umgebungen nahelegt, die Ziel zukünftiger Raummissionen sein könnte. Teil III bietet neue Erkenntnisse über die Entstehung und Entwicklung von Thrace Macula, einem bislang wenig verstandenen, chaotischen Gebiet aus verschachtelter Depression und Schollen. Anhand der detaillierten Analyse der topographischen Daten und struktureller Merkmale konnte eine neue Hypothese entwickelt werden, die ausgedehnte Störungen als bestimmendes Merkmal dieses von Senken und Schollen bestimmten Areals definiert. Darüber hinaus konnte die Abfolge geologischer Ereignisse, die der Bildung dieses chaotischen Gebiets zugrunde liegen abgeleitet werden: zuerst erfolgte die Bildung einer benachbarten als Bande definierten Störung namens Agenor Linea, gefolgt von der Libya Linea Störung und anschließend die Entstehung von der Thrace Macula einem sehr dunklen Gebiet. Letztendlich verdrängte eine wahrscheinlich mit Libya Linea verbundene, seitliche tektonische Aktivität einen Teil von Thrace Macula. Diese Ergebnisse legen nahe, wie zukünftige Raummissionen möglicherweise Untergrundmaterial beproben könnten, dass entlang der Verwerfungen an die Oberfläche gelangte, und damit Zugang zu frischem - und daher für die Astrobiologie relevantem - Material aus dem Untergrund bietet. Teil IV der Arbeit konzentriert sich auf die detaillierte Charakterisierung der Libya Linea Verwerfung, einem prominenten dilationalen Störungsband. Durch Untersuchung der Höhe und Struktur konnten verschiedene Deformationsstadien analysiert werden, was zu einer neuen Bewertung der geologischen Entwicklung entlang dieser Verwerfung führte. Darüber hinaus wurden kleine Merkmale möglicherweise im Zusammenhang mit Kryovulkanismus oder Diapirismus innerhalb der Umgebung von Libya Linea identifiziert, was das Areal als geologisch sehr komplex charakterisiert. Dieser Teil der Arbeit trägt wesentlich zum Verständnis der geologischen Geschichte des Mondes Europa bei und beleuchtet insbesondere die evolutionären Prozesse seiner tektonischen Entwicklung. Durch genaue topographische Analysen und multidisziplinäre Forschung trägt die vorliegende kumulative Dissertation erheblich zum Verständnis der geologischen Dynamik von Europa und der astrobiologischen Bedeutung verschiedener Oberflächenformen bei. Die Erkenntnisse aus der Untersuchung von Ménec Fossae, Thrace Macula und Libya Linea bieten wertvolle Grundlagen für zukünftige Missionen, insbesondere für Europa Clipper, die zur Bewertung der potenziellen Habitabilität von Europa sehr nützlich sind. Damit sind die Ergebnisse der Dissertation auch für die Suche nach potenziellem Leben jenseits der Erde von Bedeutung.