Motional electromagnetic induction in the subsurface ocean in Europa

Abstract

Europa is one of the Jovian icy moons with confirmed subsurface ocean. Circulation of the ocean in presence of the Jovian ambient magnetic field leads to generation of the ocean-induced magnetic field (OIMF). On Earth, the OIMF has potential to provide us with informations about water flow and electrical conductivity. However, the OIMF in Europa has been addressed only briefly in the available literature. This thesis is focused on numerical modelling of motionally driven process of the electromagnetic induction (EMI) in the subsurface ocean of Europa. Firstly, the EMI equation is introduced with its corresponding weak formulation. Its solutions are obtained by the means of finite element method (FEM) in combination with spherical harmonic functions. I discuss the structure of the linear problem and subroutines applied in the numerical solver. The code is successfully tested against a set of independent semi-analytical solutions. Three models of flow in the Europa's ocean are explored, using simple analytical expressions of ocean velocities and Jovian magnetic field. 1

Europa je jedním z ledových měsíců Jupitera s potvrzeným podpovrchovým oceánem. Cirkulace oceánu v přítomnosti ambietního magnetického pole Jupitera vede ke vzniku pohybově indukovaného magnetického pole. Tento jev na Zemi nám může poskytnout in- formace o proudění vody a elektrické vodivosti. Dostupná literatura věnující se pohybově indukovanému poli na Europě je sporá. Tato práce se zaměřuje na numerické mode- lování elektromagnetické indukce (EMI) poháněné prouděním v podpovrchovém oceánu Europy. V prvé řadě je představena rovnice EMI s její slabou formulací. Řešení rovnice je získáno pomocí metody konečných prvků v kombinaci se sférickými harmonickými funkcemi. Dále diskutuji strukturu lineárního problému a podprogramy využité v num- erickém řešiči. Kód je úspěšně otestován proti semi-analytickým řešením. Tři modely proudění oceánu v Europě jsou prozkoumány pomocí jednoduchých analytických výrazů pro oceánské rychlosti a magnetického pole Jupitera. 1