German Title: Organische Verbindungen in Saturns E Ring und sein Zusammensetzungsprofil in der Umgebung von Rhea

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Abstract

The general topic of this dissertation is the analysis of impact ionization time-of-flight mass spectra of ice grains in Saturn’s E ring sampled in-situ by the Cosmic Dust Analyzer (CDA) onboard the Cassini-Huygens spacecraft. The source of these E ring ice grains is the subsurface ocean of Saturn’s cryo-volcanically active icy moon Enceladus. The Chemical Analyzer subsystem of CDA generated mass spectra of cations that form when the ice grains impinge onto the instrument’s target plate with high speed. The first aim of this work is a detailed compositional analysis of the organic material in the ice grains ejected from subsurface Enceladus’ into the E ring. Many of these ice grains carry diverse organic material that is characterized in this work. A laser-based analogue laboratory experiment is used to simulate the impact ionization CDA spectra of ice grains enriched in organic material. This experiment allowed to understand the varying cationic fragmentation patterns from organic material in a water ice matrix. Despite the relatively low mass resolution of the CDA, results of the analogue experiment allow to identify characteristic finger prints of certain classes of organic compounds in many CDA mass spectra. Three main categories are classified: (i) Amine-, (ii) Carbonyl-, and (iii) Aromatic-type mass spectra. Furthermore, some aromatic-type CDA spectra show features that correspond to breakup-products of larger complex aromatic species with masses above 200u. On the whole, the analysis of E ring ice grains in this work gives first insights into the largely varying and complex organic chemistry inside the ocean of Enceladus. The second aim of this thesis is to infer the compositional profile of ice particles in the E ring in the vicinity of Saturn’s moon Rhea, from a series of spectra recorded on Cassini’s Rhea flyby (R4) in 2013. No striking change in the frequency of different compositional types is observed along the spacecraft trajectory. However, a varying size distribution of different compositional populations of ice grains is observed and discussed. Sodium salts and organic compounds are more frequent in relatively large ice grains, whereas pure water ice particles become more abundant in smaller E ring grains. A generally higher number density of ice grains is observed in the close vicinity of Rhea, which might indicate either the presence of an ejecta cloud from Rhea’s surface or a general confinement of particles near the equatorial plane of the E ring.

Translation of abstract (German)

Das übergreifende Thema dieser Dissertation, ist die Analyse von Einschlagsionisations-Flugzeit-Massenspektren von Eispartikeln in Saturns E ring, die vom Cosmic Dust Analyzer (CDA) in situ an Bord der Raumsonde Cassini-Huygens aufgenommen wurden. Die Quelle dieser E ring Eispartikel ist der Ozean unterhalb der Eiskruste von Saturns cryo-vulkanisch aktivem Mond Enceladus. Das Chemical Analyzer Subsystem des CDA erzeugt Massenspektren von Kationen die beim Hochgeschwindigeitseinschlag dieser Eispartikel auf die Prall-Platte des Instrumentes entstehen.

Das erste Ziel dieser Arbeit ist eine detaillierte Analyse der Zusammensetzung von organischem Material in den Eispartikeln, die von Enceladus’ in den E Ring geschleudert werden. Viele dieser Eispartikel enthalten verschiedene organische Verbindungen, die in dieser Arbeit näher charakterisiert werden. Dabei wird ein Laser-basiertes Analogexperiment verwendet, um die Einschlagionisations-Massenspektren des CDA von organisch angereicherten Eispartikeln zu simulieren. Dieses Experiment stellte sich als entscheidend heraus, um die verschiedenen kationischen Fragmentationsmuster organischer Moleküle in einer Wassereismatrix zu verstehen. Trotz der relativ geringen Massenauflösung des CDA ermöglicht es das Analogexperiment, charakteristische „Fingerabdrücke“ bestimmter organischer Substanzklassen in vielen CDA Massenspektren zu identifizieren. Drei Hauptkategorien werden klassifiziert: (i) Amine, (ii) Carbonyle und (iii) Aromatisch. Des Weiteren zeigten einige der CDA Spektren des aromatischen Typs, Merkmale, die Bruchstücken weit größerer aromatischer Verbindungen, mit Massen jenseits von 200u, zugeordnet werden können. Zusammengenommen gibt die hier vorgenommene Analyse von E Ring Eisteilchen, erste Einblicke in eine äußerst variantenreiche und komplexe organische Chemie des Enceladusozeans.

Das zweite Ziel dieser Arbeit besteht darin, anhand einer Serie von Spektren, die bei Cassini’s Rhea-Vorbeiflug (R4) im Jahre 2013 aufgenommen wurde, das Zusammensetzungsprofil der Eispartikel des E Ringes in der Nähe des Saturnmondes Rhea zu ermitteln. Es werden keine auffälligen Änderungen in der Häufigkeit verschiedener Zusammensetzungstypen entlang der Trajektorie der Raumsonde festgestellt. Allerdings wird eine unterschiedliche Größenverteilungen der verschieden zusammengesetzten Eisteilchen-Populationen festgestellt und diskutiert. Salze und organische Komponenten sind häufiger in größeren Eispartikeln zu finden, während die Häufigkeit purer Wassereisteilchen in kleinen Eispartikeln zunimmt. Generell wird eine erhöhte Anzahldichte von Eisteilchen in der Nähe von Rhea gemessen, was entweder auf das Vorhandensein eine Ejekta Wolke von Rhea’s Oberfläche oder auf eine generelle Konzentration von Partikeln in der Nähe der äquatorialen Ringebene hinweist.