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Enceladus Water Plume Modeling Using DSMC

Mahieux, A. und Goldstein, D. B. und Varghese, P. L. und Trafton, L. M. und Portyankina, Ganna und Esposito, L. W. und Perry, M. E. und Waite, J. H. und Southworth, B. S. und Kempf, S. (2025) Enceladus Water Plume Modeling Using DSMC. Journal of Geophysical Research: Planets, 130 (9), e2025JE009008. Wiley. doi: 10.1029/2025JE009008. ISSN 2169-9097.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
1MB

Offizielle URL: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025JE009008

Kurzfassung

This study investigates the water plumes of Saturn's moon, Enceladus, using Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) modeling to analyze venting dynamics and plume structures. Building on prior research, we employ a parametrized DSMC approach to model water vapor and ice particle flows, leveraging Cassini spacecraft data from instruments such as the Ion and Neutral Mass Spectrometer and the Ultraviolet Imaging Spectrograph. The study explores whether vent conditions, such as mass flow rates, mixture temperatures, and particle sizes, can be inferred from observational data. We develop a computational framework to expand plume simulations beyond 10 km altitudes, incorporating gravitational and inertial forces in an Enceladus-fixed reference frame. A sensitivity analysis correlates vent parameters with observed data, identifying critical contributors such as vent orientation and location, mass flow rate, exit temperature, and ice grain characteristics. This approach reduces the dimensionality of fitting procedures, enabling robust parameter constraints and a more detailed understanding of plume dynamics. Key findings include constrained values for mass flow rates, ice grain radii assuming single-size particles, and exit temperatures (∼44–61 K), consistent with theoretical predictions. Additionally, variations in vent orientation and positional parameters were refined from the work of Porco et al. (2014, https://doi.org/10.1088/0004-6256/148/3/45). These results highlight the importance of collision dynamics in shaping plume structures. This work establishes a computationally efficient methodology for analyzing cryovolcanic plumes applicable to future missions exploring icy moons such as Enceladus or Europa. By prioritizing sensitive parameters, the study offers insights for optimizing observational strategies to maximize scientific yield.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/226173/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Enceladus Water Plume Modeling Using DSMC
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Mahieux, A.Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics, The University of Texas at Austin, Austin, TX, USA ; Belgian Institute for Space Aeronomy, Brussels, Belgium ; Aurora Technology service for the European Space Agency, Madrid, Spainhttps://orcid.org/0000-0001-5359-7179NICHT SPEZIFIZIERT
Goldstein, D. B.Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics, The University of Texas at Austin, Austin, TX, USAhttps://orcid.org/0009-0000-3742-1691NICHT SPEZIFIZIERT
Varghese, P. L.Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics, The University of Texas at Austin, Austin, TX, USAhttps://orcid.org/0000-0001-9796-0013NICHT SPEZIFIZIERT
Trafton, L. M.The University of Texas at Austin, McDonald Observatory, Austin, TX, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Portyankina, Gannaganna.portyankina (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1323-8195224130172
Esposito, L. W.Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado Boulder, Boulder, CO, USAhttps://orcid.org/0000-0003-3381-2016NICHT SPEZIFIZIERT
Perry, M. E.Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Laurel, MD, USAhttps://orcid.org/0000-0003-1600-6856NICHT SPEZIFIZIERT
Waite, J. H.Department of Physics and Astronomy, The University of Alabama, Tuscaloosa, AL, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Southworth, B. S.Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kempf, S.Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado Boulder, Boulder, CO, USAhttps://orcid.org/0000-0001-5236-3004NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:29 August 2025
Erschienen in:Journal of Geophysical Research: Planets
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:130
DOI:10.1029/2025JE009008
Seitenbereich:e2025JE009008
Verlag:Wiley
ISSN:2169-9097
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Enceladus, water vapor jets, plume, DSMC modeling
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erforschung des Weltraums
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EW - Erforschung des Weltraums
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Projekt JUICE - JANUS und GALA
Standort: Berlin-Adlershof
Institute & Einrichtungen:Institut für Weltraumforschung > Planetare Geodäsie und Geologie
Institut für Planetenforschung > Planetengeologie
Hinterlegt von: Portyankina, Ganna
Hinterlegt am:18 Aug 2026 09:48
Letzte Änderung:18 Aug 2026 09:48

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