Multidimensional Scan of the Saturnian E-ring based on the Data Record of Cassini’s Cosmic Dust Analyzer

Abstract

The Cassini spacecraft orbited Saturn from 2004 to 2017. During this period, Cassini’s onboard dust instrument – the Cosmic Dust Analyzer (CDA) – recorded numerous in situ time of flight mass spectra, generated from μm to sub-μm sized dust particles. Most of these spectra originate from ice particles sampled in Saturn’s large, diffuse E-ring. This ring is mainly sustained by material ejected from the cryo-volcanic plumes at the south polar terrain of Saturn’s icy moon Enceladus. Previous analyses of CDA spectra revealed the existence of three different compositional main types of ice particles: salt- and organic-poor (Type 1), salt-poor but enriched in organics (Type 2) and salt-rich (Type 3). A new compositional type was discovered during the course of this work, called Type 5. Its CDA spectra indicate a very high salt concentration; far above the level found for Type 3 particles of about 1 % by mass. So this work represents the first, large-scale investigation of the spatial distribution of these four types to study the compositional structure of the E-ring. For this purpose, more than 10000 CDA spectra of ice grains were analyzed for their composition and particle size with respect to the spacecraft position and trajectory.

The results of this investigation not only revealed distinct spatial correlations and trends but are also in good agreement with previously published E-ring results, obtained during close Enceladus flybys. Moreover, they show that, although the absolute number density of all E-ring grains drops when moving radially outwards from Enceladus or vertically away from Saturn’s equatorial ring plane, the relative frequencies of the compositional types vary significantly. Type 1 particles generally represent the majority of all ice particles in the E-ring and become relatively more frequent at larger radial and vertical distances. Type 2 particles exhibit the opposite trend with the relative frequency declining at larger distances. Thus, it is proposed that Type 2 particles are converted into secondary Type 1 particles, through photochemical degradation of the embedded organic molecules. For Type 3 particles the radial and vertical trends differ. Radially, the relative frequency first rises to a maximum and then decreases, while vertically it remains almost constant, with only a minor indication of a North-South asymmetry. The newly discovered particle type (Type 5) is most frequently detected in a relatively narrow region of the E-ring, between the orbital distances of Dione and Rhea, confirming existing theories about the dynamical evolution of E-ring grains. This argues against a direct Enceladian source, instead favoring a formation within the E-ring itself. Hence, it is proposed that Type 5 represents secondary particles, formed from Type 3 grains via plasma sputtering of the more volatile water component.

To understand the impact, that particle composition has on the determination of the particle size, particularly the organic substances in the ice particles, laboratory experiments were undertaken using a Laser-Induced Liquid Beam Ion Desorption (LILBID) approach. By irradiating a μm-sized liquid water beam with a pulsed, infrared laser, LILBID simulates the impact ionization process of ice grains in space. The experiments revealed a distinct difference in ion yields between salt-rich and organic-rich compositions. While the latter increases the ion yields just slightly, compared to pure water, the addition of salts increases them significantly. Considering these results, it is inferred that Type 2 particles are, on average, the largest particles. The average sizes of the other three types overlap within the errors, depending on the particular radial distance to Saturn. The overall shape of the radial size distribution seems to be intimately related to the particles’ salinities. The average sizes of the salt-poor particle types (Type 1 and 2) decrease linearly in the inner E-ring up to 10 RSaturn (Saturn radius RSaturn = 60268 km) from Saturn, then remain more or less constant. In comparison, salt-rich particles (Type 3 and 5) exhibit a similar initial decrease but reach their minima sooner, at around 8 RSaturn. These minima are followed by a distinct increase in the populations’ average grain sizes in the outer E-ring. Although it is currently unclear why the average grain sizes of salty ice grains increase again in the outer E-ring, the two different distribution shapes – those of the salt-poor types on one side and the salt-rich types on the other – again indicate that two different transformation processes, responsible for the transformation of Type 2 to Type 1 and Type 3 to Type 5, are occurring, as also inferred from the compositional data.

Die Raumsonde Cassini umkreiste den Planeten Saturn von 2004 bis 2017. Während dieser Zeit zeichnete Cassinis Staubinstrument – der Cosmic Dust Analyzer (CDA) – zahlreiche Flugzeit-Massenspektren auf, die von μm bis sub-μm großen Staubteilchen erzeugt wurden. Die meisten dieser Spektren stammen von Eispartikeln aus Saturns großem, diffusen E-Ring. Dieser besteht hauptsächlich aus Material, welches von den Kryo-Vulkanen auf dem Gebiet des Südpols von Saturns Eismond Enceladus ausgeworfen werden. Erste Analysen von CDA Spektren belegen die Existenz von drei Haupttypen in der Zusammensetzung von Eispartikeln im E-Ring: Arm an Salzen und organischen Substanzen (Typ 1), arm an Salzen aber reich an organischen Substanzen (Typ 2) und reich an Salzen (Typ 3). Ein neuer Typ wurde im Zuge dieser Arbeit entdeckt, genannt Typ 5. Die CDA Spektren dieses Typs deuten auf eine sehr hohe Salzkonzentration hin, weit über dem Niveau von ungefähr 1 %-Masse, welches für den Typ 3 ermittelt wurde. Diese Arbeit repräsentiert nun die erste, großräumige Untersuchung der räumlichen Verteilung dieser vier Typen, um die Struktur der Zusammensetzung des E-Rings zu erforschen. Zu diesem Zweck wurden mehr als 10000 CDA Spektren von Eisteilchen auf deren Zusammensetzung und Teilchengröße analysiert und in Bezug zur Raumschiffposition und -trajektorie gesetzt.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung haben nicht nur ausgeprägte, räumliche Zusammenhänge und Trends offengelegt, sondern stimmen auch gut mit zuvor publizierten Ergebnissen bezüglich des E-Rings überein, deren Daten während naher Enceladus- Vorbeiflüge aufgezeichnet wurden. Zudem zeigen die Untersuchungsergebnisse, dass, obwohl die absolute Teilchenzahldichte aller E-Ring Teilchen deutlich abnimmt, wenn man sich von Enceladus radial nach außen oder vertikal von der äquatorialen Ringebene des Saturn wegbewegt, die relativen Häufigkeiten der Teilchentypen deutlich variieren. Grundsätzlich repräsentieren Typ 1 Teilchen die Mehrheit aller Eisteilchen im E-Ring, doch ihre relative Häufigkeit nimmt mit größeren radialen und vertikalen Abständen noch zu. Typ 2 Teilchen zeigen den entgegengesetzten Trend und deren relative Häufigkeit nimmt mit größeren Abständen ab. Als Erklärung wird ein photochemischer Abbau der organischen Substanzen in den Typ 2 Partikeln vorgeschlagen, durch den diese in sekundäre Typ 1 Teilchen umgewandelt werden. Für Typ 3 Teilchen unterscheiden sich die radialen und vertikalen Trends. Während in radialer Richtung die relative Häufigkeit zunächst zu einem lokalen Maximum ansteigt und dann wieder abnimmt, bleibt diese in vertikaler Richtung auf einem ungefähr konstanten Niveau, mit einer schwachen Andeutung einer Nord-Süd-Asymmetrie. Der neu entdeckte iv Teilchentyp (Typ 5) wird am häufigsten in einem relativ schmalen Bereich des E-Rings zwischen den Bahnen von Dione und Rhea detektiert, was bestehende Theorien zur dynamischen Entwicklung von E-Ring Teilchen bestätigt. Dies spricht gegen eine direkte Herkunft von Enceladus sondern für eine Bildung innerhalb des E-Rings selbst. Daher wird hier vorgeschlagen, dass der Typ 5 sekundäre Teilchen repräsentiert, welche sich aus Typ 3 Teilchen durch Plasma Sputtering der volatileren Wasser Komponente bildet.

Um den Einfluss zu verstehen, welcher die Teilchenzusammensetzung auf die Bestimmung der Teilchengrößen hat, im Besonderen die organischen Subtanzen in den Eisteilchen, wurden Laborexperimente mithilfe eines laserinduzierten Flüssigstrahl- Desorptions (LILBID) Mechanismus durchgeführt. Die Bestrahlung eines μm großen Wasserstrahls mit einem gepulsten Infrarotlaser simuliert dabei den Prozess der Einschlagsionisation von Eisteilchen im Weltall. Die Experimente ergaben einen deutlichen Unterschied der Ionenausbeuten zwischen Salz-reichen und Organik-reichen Zusammensetzungen. Während letztere die Ionenausbeute nur geringfügig ansteigen lassen, relativ zu purem Wasser, erhöht die Zugabe von Salzen die Ionenausbeute deutlich. Die Berücksichtigung dieser Ergebnisse egab, dass Typ 2 Teilchen im Mittel die größten Teilchen darstellen. Die durchschnittlichen Teilchengrößen der anderen Teilchentypen überlappen innerhalb der Fehlergrenzen, in Abhängigkeit von der betrachteten Entfernung zu Saturn. The Gesamtform der radialen Teilchengrößenverteilung scheint eng mit dem Salzgehalt der Teilchen in Verbindung zu stehen. Die durchschnittlichen Teilchengrößen der salzarmen Teilchen Typen (Typ 1 und 2) nehmen im inneren E-Ring bis 10 RSaturn (Saturnradius RSaturn = 60268 km) relativ zu Saturn linear ab und verbleiben dann ungefähr konstant. Zum Vergleich, salzreiche Teilchen (Typ 3 und 5) weisen eine ähnliche, anfängliche Abnahme auf, erreichen ihre Minima allerdings schon bei ungefähr 8 RSaturn. Auf diese Minima folgt allerdings ein deutlicher Anstieg der durchschnittlichen Teilchengrößen im äußeren E-Ring. Obwohl gegenwärtig unklar ist warum genau die durchschnittliche Teilchengröße salzreicher Teilchen im äußeren E-Ring wieder zunimmt, deuten die beiden beobachteten Formen der Größenverteilungen – jene der salzarmen Typen auf der einen Seite und die der salzreichen auf der anderen – erneut darauf hin, dass zwei unterschiedliche Transformationsprozesse, verantwortlich für die Umwandlung von Typ 2 zu Typ 1 und Typ 3 zu Typ 5, vonstatten gehen, wie auch schon anhand der Daten der Teilchenzusammensetzungen gefolgert.