Thermal convection in the subsurface ocean of an icy moon

Abstract

This thesis investigates thermal convection in the subsurface oceans of icy moons, focusing on Titan, Ganymede, and Europa. Using pseudospectral numerical simulations, it explores the dynamical flow regimes arising from the interplay between buoyant forcing and planetary rotation. While the behavior of systems dominated by the Coriolis force is well studied, particularly regarding flow speed and heat transfer efficiency, less attention has been paid to regimes where buoyancy and rotational effects are of comparable magnitude. Building on recent advances, this work categorizes observed flow patterns and introduces a set of empirical parameters that quantify the transitions between them. These parameters offer a systematic framework for classifying flow behaviors and predicting the magnetic signatures generated by ocean dynamics. The study further examines how these convective patterns affect heat transport across the ice-ocean interface and assesses their implications for surface topography of Titan and Ganymede.

Tato disertační práce se zabývá tepelnou konvekcí v podpovrchových oceánech ledových měsíců, se zaměřením na Titan, Ganymed a Europu. Pomocí pseudospektrálních numerických simulací zkoumá dynamické proudové režimy, které vznikají v důsledku interakce vztlakového buzení a planetární rotace. Zatímco chování systémů dominovaných Coriolisovou silou je dobře prozkoumáno, zejména z hlediska rychlosti proudění a účinnosti přenosu tepla, méně pozornosti bylo dosud věnováno režimům, v nichž jsou vztlakové a rotační efekty srovnatelného řádu. Na základě nedávného pokroku práce kategorizuje pozorované proudové struktury a zavádí soubor empirických parametrů, které kvantifikují přechody mezi jednotlivými režimy. Tyto parametry poskytují systematický rámec pro klasifikaci proudových charakteristik a predikci magnetických signatur generovaných oceánskou dynamikou. Studie dále zkoumá, jak různé konvektivní vzory ovlivňují přenos tepla na rozhraní mezi ledem a oceánem, a hodnotí jejich dopad na povrchovou topografii Titanu a Ganymedu.