Comparative study of the diachronic evolution of the geological and volcanological environments of the earth with the saturnian satellites Titan and Enceladus

Abstract

This thesis presents on the study of the environment of Titan and Enceladus, Saturn’ssatellites observed by the Cassini-Huygens mission. Various aspects of the geology ofTitan are presented focusing on the characteristics of the surface geological features andprocesses,the internal structure and the correlation with the atmosphere. Themorphotectonic features are presented on the basis of terrestrial models. Moreover,Titan areas probably correlated with the interior are tested against a geophysical modelof tidal distortion and found to conform with localisation and internal dynamics. Wethen study the surface albedo and composition of specific Titan areas (Hotei Regio, TuiRegio, Sotra Patera) –determined by the PCA method- based on data fromCassini/VIMS (0.4–5 μm) on which a radiative transfer code is applied with the mostupdated spectroscopic parameters. Monitoring of these areas showed surface albedochanges in the course of 1-3.5 yrs, implying dynamic exogenic-endogenic processes thataffect the surface and compatible with cryovolcanism in the case of Sotra Patera.Processes that form the surface of Enceladus are also discussed. In addition, theanalogies with the Earth's surface and possible internal processes on the icy satellites arebeing explored. The astrobiological implications of this work are discussed within theframework of the quest for habitable environments in our outer Solar system. Thesestudies are related to the preparation of future space missions to the systems of Jupiterand Saturn and payload capability. Finally, public awareness and perspectives of thisresearch are discussed.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά τη μελέτη των περιβαλλόντων του Τιτάνα και τουΕγκέλαδου, δορυφόρων του Κρόνου, μέσω της ανάλυσης δεδομένων που ανακτήθηκαν απότη διαστημική αποστολή Cassini-Huygens. Αρχικά παρουσιάζεται η επισκόπηση τηςγεωλογίας του Τιτάνα, με επίκεντρο τις γεωλογικές δομές και διεργασίες και το συσχετισμόμεταξύ της ατμόσφαιρας, της επιφάνειας και του εσωτερικού του δορυφόρου. Οιμορφοτεκτονικές δομές κατατάσσονται σε συγκεκριμένες κατηγορίες βάσει γήινων μοντέλωνσχηματισμού. Επιφανειακές περιοχές του Τιτάνα, οι οποίες θεωρούνται συνδεδεμένες με τοεσωτερικό, συγκρίθηκαν με γεωφυσικά μοντέλα παλιρροιακής στρέβλωσης καιδιαπιστώθηκε ότι συμπίπτουν σε σχέση με τη θέση, την επιφάνεια και την εσωτερικήενεργότητα. Ένα δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζει την ενδελεχήανάλυση συγκεκριμένων περιοχών του Τιτάνα –όπως αυτές καθορίζονται μέσω μιαςστατιστικής μεθόδου– με επίκεντρο την επιφανειακή ανακλαστικότητα που παρουσιάζουνκαι τη χημική σύνθεση από την επεξεργασία δεδομένων του φασματογράφου Cassini/VIMS(εγγύς υπέρυθρη περιοχή του φάσματος από 0,4 έως 5 micron). Η εφαρμογή ενόςεκσυγχρονισμένου και state-of-the-art κώδικα μεταφοράς ακτινοβολίας, επέδειξε τηφασματική συμπεριφορά και το εύρος της φωτεινότητας αυτών των περιοχών. Η έρευνατριών σημαντικών περιοχών, που έχουν προταθεί ως υποψήφιες κρυοηφαιστειακές (HoteiRegio, Tui Regio και Sotra Patera), παρουσίασε ενδείξεις χρονικής μεταβολής τηςεπιφανειακής ανακλαστικότητας για δύο από αυτές σε μια χρονική περίοδο από 1-3,5 χρόνια,υποδεικνύοντας δυναμικές εξωγενείς - ενδογενείς διεργασίες, οι οποίες επηρεάζουν τηνεπιφάνεια και είναι συμβατές με φαινόμενα κρυοηφαιστεότητας στην περίπτωση της SotraPatera. Επίσης, οι διαδικασίες που σχηματίζουν την επιφάνεια του Εγκέλαδου περιγράφονταιλεπτομερειακά στη διατριβή. Σε ένα τρίτο μέρος, γήινα ανάλογα επιφανειακών εμφανίσεωνκαθώς και διεργασιών παρουσιάζονται εκτεταμένα, επισημαίνοντας ενδιαφέρουσεςομοιότητες και διαφορές μεταξύ της πυριτικής Γης και των παγωμένων δορυφόρων. Οιαστροβιολογικές συσχετίσεις αυτής της εργασίας διεξάγονται στο πλαίσιο της αναζήτησηςπεριβαλλόντων κατοικησιμότητας στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα. Όλες οι προαναφερθείσεςμελέτες συνδέονται με την προετοιμασία των μελλοντικών διαστημικών αποστολών και τωνοργάνων τους στα συστήματα του Κρόνου και του Δία. Τέλος, συζητούνται οι δυνατότητεςεκλαΐκευσης της επιστήμης και οι προοπτικές που παρουσιάζει η συγκεκριμένη έρευνα.

Cette thèse porte sur l'étude de l'environnement de Titan et Encelade, satellites deSaturne, observés par la mission Cassini -Huygens. On présente différents aspects de lagéologie de Titan mettant l'accent sur les caractéristiques de la surface, les processusgéologiques, la structure interne et la corrélation et échanges avec l'atmosphère. Lescaractéristiques morphotectoniques sont présentées sur la base des modèles terrestres.Des zones de Titan probablement corrélées à l'intérieur sont étudiées avec un modèlegéophysique de distorsion des marées et jugées conformes en localisation et dynamiqueinterne. Ensuite on étudie l’albédo de surface et la composition des régions spécifiquessur Titan - déterminées par la méthode PCA - à partir des données de Cassini / VIMS(0,4 à 5 microns) sur lesquelles on applique un code de transfert radiatif mis à jour avecles paramètres spectroscopiques les plus récents. Le suivi temporel de ces zones amontré des changements de leur albédo de surface pendant 1 à 3,5 ans, ce qui impliquedes processus exogènes-endogènes dynamiques qui affectent la surface et qui estcompatible avec du cryovolcanisme. Les processus qui forment la surface d’Enceladesont également discutés. Les analogies avec la surface terrestre et les processus internespossibles sur les satellites de glace sont explorés. Les implications astrobiologiques dece travail sont discutées en ce qui concerne leur habitabilité. Ces études sont liées à lapréparation de futures missions spatiales vers les systèmes de Jupiter et de Saturne et lespossibilités de charge utile. Enfin, la sensibilisation du grand public et les perspectivesde cette recherche sont discutés.