Ио ( / ˈ aɪ . oʊ / ), или Юпитер I , является самым внутренним и вторым по величине из четырех галилеевых спутников планеты Юпитер . Немного больше земной луны , Ио является четвертым по величине спутником в Солнечной системе , имеет самую высокую плотность среди всех спутников , самую сильную поверхностную гравитацию среди всех спутников и самое низкое количество воды по атомному отношению среди всех известных астрономических объектов в Солнечной системе. Он был открыт в 1610 году Галилео Галилеем и был назван в честь мифологического персонажа Ио , жрицы Геры , которая стала одной из возлюбленных Зевса .
С более чем 400 действующими вулканами Ио является самым геологически активным объектом в Солнечной системе. [12] [13] [14] Эта экстремальная геологическая активность является результатом приливного нагрева от трения, возникающего внутри Ио, когда он затягивается между Юпитером и другими галилеевыми лунами — Европой , Ганимедом и Каллисто . Несколько вулканов производят шлейфы серы и диоксида серы , которые поднимаются на высоту до 500 км (300 миль) над поверхностью. Поверхность Ио также усеяна более чем 100 горами, которые были подняты обширным сжатием у основания силикатной коры Ио. Некоторые из этих пиков выше горы Эверест , самой высокой точки на поверхности Земли. [15] В отличие от большинства лун во внешней Солнечной системе, которые в основном состоят из водяного льда , Ио в основном состоит из силикатной породы, окружающей расплавленное железо или ядро из сульфида железа . Большая часть поверхности Ио представляет собой обширные равнины, покрытые ледяным слоем серы и диоксида серы .
Вулканизм Ио ответственен за многие из его уникальных особенностей. Его вулканические шлейфы и потоки лавы производят большие изменения поверхности и окрашивают поверхность в различные тонкие оттенки желтого, красного, белого, черного и зеленого, в основном из-за аллотропов и соединений серы. Многочисленные обширные потоки лавы, некоторые из которых более 500 км (300 миль) в длину, также отмечают поверхность. Материалы, произведенные этим вулканизмом, составляют тонкую, пятнистую атмосферу Ио, и они также сильно влияют на природу и уровни радиации обширной магнитосферы Юпитера . Вулканические выбросы Ио также производят большой, интенсивный плазменный тор вокруг Юпитера, создавая враждебную радиационную среду на луне и вокруг нее. [16]
Ио сыграл значительную роль в развитии астрономии в XVII и XVIII веках; открытый в январе 1610 года Галилео Галилеем вместе с другими галилеевыми спутниками , это открытие способствовало принятию модели Коперника Солнечной системы, разработке законов движения Кеплера и первому измерению скорости света . В 1979 году два космических аппарата Voyager показали, что Ио является геологически активным миром с многочисленными вулканическими образованиями, большими горами и молодой поверхностью без очевидных ударных кратеров. Космический аппарат Galileo выполнил несколько близких пролетов в 1990-х и начале 2000-х годов, получив данные о внутренней структуре и составе поверхности Ио. Эти космические аппараты также выявили связь между Ио и магнитосферой Юпитера и существование пояса высокоэнергетического излучения с центром на орбите Ио. Дальнейшие наблюдения были проведены аппаратами «Кассини-Гюйгенс» в 2000 году, «Новые горизонты» в 2007 году и «Юнона» с 2017 года, а также с помощью наземных телескопов и космического телескопа «Хаббл» .
Хотя Симону Мариусу не приписывают единственное открытие галилеевых спутников, его названия для лун были приняты. [17] В своей публикации 1614 года Mundus Iovialis anno M.DC.IX Detectus Ope Perspicilli Belgici он предложил несколько альтернативных названий для самых внутренних из больших лун Юпитера, включая «Меркурий Юпитера» и «Первая из планет Юпитера». [17] [18] Основываясь на предложении Иоганна Кеплера в октябре 1613 года, он также разработал схему наименования, согласно которой каждая луна была названа в честь возлюбленной греческого бога Зевса или его римского эквивалента, Юпитера . Он назвал самую внутреннюю большую луну Юпитера в честь греческой Ио : [19] [17]
Юпитер часто порицается поэтами за его нерегулярную любовь. Три девушки особенно упоминаются как те, за которыми Юпитер тайно ухаживал с успехом. Ио, дочь реки Инах, Каллисто из Ликаона, Европа из Агенора. Затем был Ганимед, прекрасный сын царя Троса, которого Юпитер, приняв форму орла, перенес на небеса на своей спине, как сказочно рассказывают поэты... Я думаю, поэтому, что я не ошибусь, если Первую назову я Ио, Вторую — Европой, Третью — из-за ее величия света, Ганимедом, Четвертую — Каллисто... [17]
Имена Мария не были широко приняты до тех пор, пока столетия спустя (середина 20-го века). [20] В большей части ранней астрономической литературы Ио обычно упоминался по его римскому цифровому обозначению (система, введенная Галилеем) как « Юпитер I » [21] или как «первый спутник Юпитера». [22] [23]
Обычное английское произношение имени — / ˈ aɪ oʊ / , [24] хотя иногда люди пытаются произнести его более «аутентично», / ˈ iː oʊ / . [25] Имя имеет две конкурирующие основы на латыни: Īō и (редко) Īōn . [26] Последняя является основой английской адъективной формы Ionian. [27] [28] [29]
Особенности на Ио названы в честь персонажей и мест из мифа об Ио, а также божеств огня, вулканов, Солнца и грома из различных мифов, а также персонажей и мест из « Ада » Данте : имена, соответствующие вулканической природе поверхности. [30] С тех пор как поверхность впервые была обнаружена вблизи Вояджером-1 , Международный астрономический союз одобрил 249 названий для вулканов, гор, плато и крупных альбедо особенностей Ио. Одобренные категории особенностей, используемые для Ио для различных типов вулканических особенностей, включают patera («блюдце»; вулканическая депрессия), fluctus («поток»; поток лавы), vallis («долина»; лавовый канал) и активный эруптивный центр (место, где активность шлейфа была первым признаком вулканической активности на определенном вулкане). Названные горы, плато, слоистая местность и щитовые вулканы включают термины mons , mensa («стол»), planum и tholus («ротонда») соответственно. [30] Названные, яркие альбедо регионы используют термин regio . Примерами названных объектов являются Prometheus , Pan Mensa, Tvashtar Paterae и Tsũi Goab Fluctus. [31]
Первое зарегистрированное наблюдение Ио было сделано Галилео Галилеем 7 января 1610 года с помощью 20-кратного рефракторного телескопа в Падуанском университете . Однако в этом наблюдении Галилей не смог разделить Ио и Европу из-за малой мощности своего телескопа, поэтому они были зарегистрированы как одна точка света. Ио и Европа были впервые замечены как отдельные тела во время наблюдений Галилеем системы Юпитера на следующий день, 8 января 1610 года (используется в качестве даты открытия Ио Международным астрономическим союзом ). [1] Открытие Ио и других галилеевых спутников Юпитера было опубликовано в Sidereus Nuncius Галилея в марте 1610 года. [32] В своем Mundus Jovialis , опубликованном в 1614 году, Симон Мариус утверждал, что открыл Ио и другие луны Юпитера в 1609 году, за неделю до открытия Галилея. Галилей усомнился в этом утверждении и отверг работу Мариуса как плагиат. Несмотря на это, первое зарегистрированное наблюдение Мариуса датируется 29 декабря 1609 года по юлианскому календарю , что соответствует 8 января 1610 года по григорианскому календарю , который использовал Галилей. [33] Учитывая, что Галилей опубликовал свою работу до Мариуса, Галилею приписывают открытие. [34]
В течение следующих двух с половиной столетий Ио оставался неразрешенной точкой света 5-й величины в телескопах астрономов. В течение 17-го века Ио и другие галилеевы спутники служили различным целям, включая ранние методы определения долготы , [35] подтверждение третьего закона Кеплера о движении планет и определение времени, необходимого для прохождения света между Юпитером и Землей. [32] Основываясь на эфемеридах , созданных астрономом Джованни Кассини и другими, Пьер-Симон Лаплас создал математическую теорию для объяснения резонансных орбит Ио, Европы и Ганимеда . [32] Позднее было обнаружено, что этот резонанс оказал глубокое влияние на геологию трех лун. [36]
Усовершенствованная технология телескопов в конце 19-го и 20-го веков позволила астрономам разрешить (то есть увидеть как отдельные объекты) крупномасштабные особенности поверхности на Ио. В 1890-х годах Эдвард Э. Барнард был первым, кто наблюдал изменения яркости Ио между его экваториальными и полярными областями, правильно определив, что это было связано с различиями в цвете и альбедо между двумя областями, а не с тем, что Ио имеет яйцевидную форму, как предполагал в то время астроном Уильям Пикеринг , или два отдельных объекта, как первоначально предполагал Барнард. [22] [23] [37] Более поздние телескопические наблюдения подтвердили отчетливые красновато-коричневые полярные области Ио и желто-белую экваториальную полосу. [38]
Телескопические наблюдения в середине 20-го века начали намекать на необычную природу Ио. Спектроскопические наблюдения предполагали, что поверхность Ио была лишена водяного льда (вещества, которое было обнаружено в изобилии на других галилеевых спутниках). [39] Те же наблюдения предполагали, что поверхность была заполнена испарениями, состоящими из солей натрия и серы . [40] Радиотелескопические наблюдения выявили влияние Ио на магнитосферу Юпитера , что было продемонстрировано декаметровыми всплесками длин волн , связанными с орбитальным периодом Ио. [41]
Первыми космическими аппаратами, пролетевшими мимо Ио, были зонды Pioneer 10 и 11 3 декабря 1973 и 2 декабря 1974 года соответственно. [42] Радиослежение предоставило улучшенную оценку массы Ио, которая, наряду с лучшей доступной информацией о его размере, предполагала, что он имел самую высокую плотность среди галилеевых спутников и состоял в основном из силикатных пород, а не из водяного льда. [43] Pioneer также выявил наличие тонкой атмосферы и интенсивных радиационных поясов вблизи орбиты Ио. Камера на борту Pioneer 11 сделала единственное хорошее изображение луны, полученное обоими космическими аппаратами, показав ее северную полярную область и ее желтый оттенок. [44] Крупные планы были выполнены во время встречи Pioneer 10 , но они были потеряны из-за высокой радиационной среды. [42]
Когда два зонда Voyager 1 и Voyager 2 пролетали мимо Ио в 1979 году, их более совершенные системы визуализации позволили получить гораздо более подробные изображения. Voyager 1 пролетел мимо Ио 5 марта 1979 года на расстоянии 20 600 км (12 800 миль). [45] Изображения, полученные во время сближения, показали странный, разноцветный ландшафт, лишенный ударных кратеров. [46] [47] Изображения с самым высоким разрешением показали относительно молодую поверхность, перемежающуюся ямами странной формы, горами выше Эвереста и особенностями, напоминающими потоки вулканической лавы. [46] [48]
Вскоре после встречи инженер по навигации Вояджера Линда А. Морабито заметила на одном из изображений шлейф, исходящий от поверхности. [49] Анализ других изображений Вояджера-1 показал девять таких шлейфов, разбросанных по поверхности, что доказывает, что Ио был вулканически активным. [50] Этот вывод был предсказан в статье, опубликованной незадолго до встречи Вояджера-1 Стэном Пилом , Патриком Кассеном и Р. Т. Рейнольдсом. Авторы подсчитали, что недра Ио должны испытывать значительный приливной нагрев, вызванный его орбитальным резонансом с Европой и Ганимедом (более подробное объяснение процесса см. в разделе «Приливной нагрев»). [51] Данные этого пролета показали, что на поверхности Ио преобладают инеи из серы и диоксида серы . Эти соединения также доминируют в его тонкой атмосфере и торе плазмы, центрированном на орбите Ио (также обнаруженном Вояджером ). [52] [53] [54]
Voyager 2 пролетел мимо Ио 9 июля 1979 года на расстоянии 1 130 000 км (700 000 миль). Хотя он не приблизился так близко, как Voyager 1 , сравнение изображений, полученных двумя космическими аппаратами, показало несколько изменений поверхности, которые произошли за четыре месяца между встречами. Кроме того, наблюдения Ио в виде полумесяца, когда Voyager 2 покидал систему Юпитера, показали, что семь из девяти шлейфов, наблюдавшихся в марте, были все еще активны в июле 1979 года, и только вулкан Пеле закрылся между пролетами. [55]
Космический аппарат Galileo прибыл к Юпитеру в 1995 году после шестилетнего путешествия с Земли, чтобы продолжить открытия двух зондов Voyager и наземные наблюдения, сделанные в промежуточные годы. Расположение Ио в одном из самых интенсивных радиационных поясов Юпитера исключало длительный близкий пролет, но Galileo действительно прошел близко незадолго до выхода на орбиту для своей двухлетней основной миссии по изучению системы Юпитера. Хотя во время близкого пролета 7 декабря 1995 года не было сделано никаких изображений, встреча дала важные результаты, такие как открытие большого железного ядра, похожего на то, которое обнаружено на каменистых планетах внутренней Солнечной системы. [56]
Несмотря на отсутствие изображений крупным планом и механические проблемы, которые значительно ограничивали объем возвращаемых данных, во время основной миссии Galileo было сделано несколько важных открытий. Galileo наблюдал последствия крупного извержения в Pillan Patera и подтвердил, что вулканические извержения состоят из силикатных магм с богатыми магнием основными и ультраосновными составами. [57] Дистанционные изображения Ио были получены почти для каждой орбиты во время основной миссии , выявив большое количество активных вулканов (как тепловое излучение от остывающей магмы на поверхности, так и вулканические шлейфы), многочисленные горы с широко варьирующейся морфологией и несколько изменений поверхности, которые имели место как между эпохами Voyager и Galileo , так и между орбитами Galileo . [58]
Миссия Galileo была продлена дважды, в 1997 и 2000 годах. Во время этих расширенных миссий зонд пролетал мимо Ио три раза в конце 1999 и начале 2000 года, и три раза в конце 2001 и начале 2002 года. Наблюдения во время этих встреч выявили геологические процессы, происходящие в вулканах и горах Ио, исключили наличие магнитного поля и продемонстрировали степень вулканической активности. [58]
В декабре 2000 года космический аппарат Кассини имел дальнюю и короткую встречу с системой Юпитера по пути к Сатурну , что позволило провести совместные наблюдения с Галилео . Эти наблюдения выявили новый шлейф в Тваштар Патерах и дали представление о полярных сияниях Ио . [59]
Космический аппарат New Horizons , направлявшийся к Плутону и поясу Койпера , пролетел мимо системы Юпитера и Ио 28 февраля 2007 года. Во время встречи были получены многочисленные дальние наблюдения Ио. Они включали изображения большого шлейфа в Тваштаре, что дало первые подробные наблюдения самого большого класса ионического вулканического шлейфа со времен наблюдений шлейфа Пеле в 1979 году. [60] New Horizons также сделал снимки вулкана около Гирру Патеры на ранних стадиях извержения и нескольких вулканических извержений, которые произошли со времен Галилея . [60]
Космический аппарат Juno был запущен в 2011 году и вышел на орбиту вокруг Юпитера 5 июля 2016 года. Миссия Juno в первую очередь направлена на улучшение наших знаний о внутренней части Юпитера, магнитном поле, полярных сияниях и полярной атмосфере. [ 61] 54-дневная орбита Juno сильно наклонена и сильно эксцентрична, чтобы лучше охарактеризовать полярные регионы Юпитера и ограничить его воздействие жестких внутренних радиационных поясов планеты, что ограничивает близкие встречи со спутниками Юпитера. Самый близкий подход к Ио во время первоначальной, основной миссии произошел в феврале 2020 года на расстоянии 195 000 километров. [62] Расширенная миссия Juno, начатая в июне 2021 года, позволила провести более близкие встречи с галилеевыми спутниками Юпитера из-за прецессии орбиты Juno . [63] После серии все более близких сближений с Ио в 2022 и 2023 годах, Juno выполнила пару близких пролетов 30 декабря 2023 года [64] и 3 февраля 2024 года [65] оба на высоте 1500 километров. Основной целью этих сближений было улучшение нашего понимания гравитационного поля Ио с помощью доплеровского слежения и получение изображения поверхности Ио для поиска изменений на поверхности с тех пор, как Ио последний раз видели вблизи в 2007 году. [66]
Во время нескольких орбит Juno наблюдал за Ио с расстояния, используя JunoCAM, широкоугольную камеру видимого света, для поиска вулканических шлейфов и JIRAM, спектрометр и тепловизор ближнего инфракрасного диапазона, для мониторинга теплового излучения вулканов Ио. [67] [62] Спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона JIRAM до сих пор позволила составить грубое картирование инея диоксида серы на поверхности Ио, а также картографировать второстепенные компоненты поверхности, слабо поглощающие солнечный свет на 2,1 и 2,65 мкм. [68]
Планируется две предстоящие миссии для системы Юпитера. Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) — это запланированная миссия Европейского космического агентства к системе Юпитера, которая должна закончиться на орбите Ганимеда. [69] JUICE был запущен в апреле 2023 года, прибытие к Юпитеру запланировано на июль 2031 года. [70] [71] JUICE не будет пролетать мимо Ио, но он будет использовать свои инструменты, такие как узкоугольная камера, для наблюдения за вулканической активностью Ио и измерения состава его поверхности во время двухлетней фазы тура по Юпитеру перед выходом на орбиту Ганимеда. Europa Clipper — это запланированная миссия НАСА к системе Юпитера, сосредоточенная на спутнике Юпитера Европе. Как и JUICE, Europa Clipper не будет выполнять никаких пролетов мимо Ио, но вероятен мониторинг отдаленных вулканов. Europa Clipper будет запущен в октябре 2024 года, а его прибытие на Юпитер запланировано на 2030 год. [72] [73]
Io Volcano Observer (IVO) был предложением NASA для недорогой миссии класса Discovery, выбранной для исследования фазы A вместе с тремя другими миссиями в 2020 году. IVO будет запущен в январе 2029 года и выполнит десять пролетов Ио, находясь на орбите вокруг Юпитера, начиная с начала 2030-х годов. [74] [75] Однако в пользу этих миссий были выбраны миссии к Венере DAVINCI+ и VERITAS . [76]
Ио вращается вокруг Юпитера на расстоянии 421 700 км (262 000 миль) от центра Юпитера и 350 000 км (217 000 миль) от его облаков. Это самый внутренний из галилеевых спутников Юпитера, его орбита лежит между орбитами Фивы и Европы . Включая внутренние спутники Юпитера, Ио является пятой луной от Юпитера. Ио требуется около 42,5 часов (1,77 дня), чтобы завершить один оборот вокруг Юпитера (достаточно быстро, чтобы его движение можно было наблюдать в течение одной ночи наблюдений). Ио находится в резонансе среднего движения 2:1 с Европой и в резонансе среднего движения 4:1 с Ганимедом , совершая два оборота вокруг Юпитера за каждый оборот, совершенный Европой, и четыре оборота за каждый оборот, совершенный Ганимедом. Этот резонанс помогает поддерживать орбитальный эксцентриситет Ио (0,0041), который, в свою очередь, обеспечивает основной источник тепла для его геологической активности. [51] Без этого принудительного эксцентриситета орбита Ио стала бы круговой из-за приливного рассеивания , что привело бы к менее геологически активному миру. [51]
Подобно другим галилеевым спутникам и Луне , Ио вращается синхронно со своим орбитальным периодом, сохраняя одну сторону почти направленной к Юпитеру. Эта синхронность дает определение для системы долгот Ио. Нулевой меридиан Ио пересекает экватор в субъюпитерианской точке. Сторона Ио, которая всегда обращена к Юпитеру, известна как субъюпитерианское полушарие, тогда как сторона, которая всегда обращена в сторону, известна как антиюпитерианское полушарие. Сторона Ио, которая всегда обращена в направлении, в котором Ио движется по своей орбите, известна как ведущее полушарие, тогда как сторона, которая всегда обращена в противоположном направлении, известна как ведомое полушарие. [77]
С поверхности Ио Юпитер будет описывать дугу в 19,5°, из-за чего его видимый диаметр будет в 39 раз больше видимого диаметра Луны Земли. [ необходима цитата ]
Ио играет важную роль в формировании магнитного поля Юпитера , выступая в качестве электрического генератора, который может вырабатывать 400 000 вольт на себе и создавать электрический ток силой 3 миллиона ампер, высвобождая ионы, которые придают Юпитеру магнитное поле, увеличенное более чем в два раза по сравнению с тем, которое оно имело бы в противном случае. [79] Магнитосфера Юпитера выметает газы и пыль из тонкой атмосферы Ио со скоростью 1 тонну в секунду. [80] Этот материал в основном состоит из ионизированной и атомарной серы, кислорода и хлора; атомарного натрия и калия; молекулярного диоксида серы и серы; и пыли хлорида натрия . [80] [81] Эти материалы возникают в результате вулканической активности Ио, при этом материал, который ускользает в магнитное поле Юпитера и в межпланетное пространство, поступает непосредственно из атмосферы Ио. Эти материалы, в зависимости от их ионизированного состояния и состава, попадают в различные нейтральные (неионизированные) облака и радиационные пояса в магнитосфере Юпитера и, в некоторых случаях, в конечном итоге выбрасываются из системы Юпитера. [82]
Вокруг Ио (на расстоянии до шести радиусов Ио от его поверхности) находится облако нейтральных атомов серы, кислорода, натрия и калия. Эти частицы возникают в верхней атмосфере Ио и возбуждаются столкновениями с ионами в плазменном торе (обсуждается ниже) и другими процессами, заполняя сферу Хилла Ио , которая является областью, где гравитация Ио доминирует над гравитацией Юпитера. Часть этого материала избегает гравитационного притяжения Ио и выходит на орбиту вокруг Юпитера. За 20-часовой период эти частицы распространяются от Ио, образуя нейтральное облако в форме банана, которое может достигать шести радиусов Юпитера от Ио, либо внутри орбиты Ио и впереди нее, либо снаружи орбиты Ио и позади нее. [80] Процесс столкновения, который возбуждает эти частицы, также иногда снабжает ионы натрия в плазменном торе электроном, удаляя эти новые «быстрые» нейтралы из тора. Эти частицы сохраняют свою скорость (70 км/с по сравнению с орбитальной скоростью 17 км/с на Ио) и, таким образом, выбрасываются в струях, уходящих от Ио. [83]
Орбита Ио находится в поясе интенсивного излучения, известном как плазменный тор Ио. Плазма в этом кольце в форме бублика из ионизированной серы, кислорода, натрия и хлора возникает, когда нейтральные атомы в «облаке», окружающем Ио, ионизируются и увлекаются магнитосферой Юпитера. [80] В отличие от частиц в нейтральном облаке, эти частицы вращаются вместе с магнитосферой Юпитера, вращаясь вокруг Юпитера со скоростью 74 км/с. Как и остальная часть магнитного поля Юпитера, плазменный тор наклонен относительно экватора Юпитера (и плоскости орбиты Ио), так что Ио иногда находится ниже, а иногда выше ядра плазменного тора. Как отмечалось выше, более высокие скорости и уровни энергии этих ионов частично ответственны за удаление нейтральных атомов и молекул из атмосферы Ио и более протяженных нейтральных облаков. Тор состоит из трех частей: внешнего, «теплого» тора, который находится сразу за орбитой Ио; вертикально вытянутая область, известная как «лента», состоящая из нейтральной исходной области и охлаждающейся плазмы, расположенная примерно на расстоянии Ио от Юпитера; и внутренний, «холодный» тор, состоящий из частиц, которые медленно движутся по спирали к Юпитеру. [80] После пребывания в среднем 40 дней в торе, частицы в «теплом» торе вырываются и частично ответственны за необычно большую магнитосферу Юпитера , их внешнее давление раздувает ее изнутри. [84] Частицы с Ио, обнаруженные как изменения в магнитосферной плазме, были обнаружены далеко в длинном магнитосферном хвосте New Horizons . Чтобы изучить аналогичные изменения в плазменном торе, исследователи измерили ультрафиолетовый свет, который он излучает. Хотя такие изменения не были окончательно связаны с изменениями вулканической активности Ио (конечный источник материала в плазменном торе), эта связь была установлена в нейтральном натриевом облаке. [85]
Во время встречи с Юпитером в 1992 году космический аппарат Ulysses обнаружил поток частиц размером с пыль, выбрасываемых из системы Юпитера. [86] Пыль в этих дискретных потоках удаляется от Юпитера со скоростью свыше нескольких сотен километров в секунду, имеет средний размер частиц 10 мкм и состоит в основном из хлорида натрия. [81] [87] Измерения пыли Галилеем показали, что эти пылевые потоки возникли на Ио, но как именно они образуются, будь то вулканическая активность Ио или материал, удаленный с поверхности, неизвестно. [88]
Магнитное поле Юпитера , которое пересекает Ио, связывает атмосферу Ио и нейтральное облако с полярной верхней атмосферой Юпитера, генерируя электрический ток, известный как поток трубки Ио . [80] Этот ток создает полярное сияние в полярных регионах Юпитера, известное как след Ио, а также полярные сияния в атмосфере Ио. Частицы от этого полярного взаимодействия затемняют полярные регионы Юпитера на видимых длинах волн. Расположение Ио и его полярного следа по отношению к Земле и Юпитеру оказывает сильное влияние на радиоизлучение Юпитера с нашей точки наблюдения: когда Ио виден, радиосигналы от Юпитера значительно усиливаются. [41] [80] Миссия Juno , в настоящее время находящаяся на орбите вокруг Юпитера, должна помочь пролить свет на эти процессы. Линии магнитного поля Юпитера, которые проходят мимо ионосферы Ио, также индуцируют электрический ток, который, в свою очередь, создает индуцированное магнитное поле внутри Ио. Предполагается, что индуцированное магнитное поле Ио генерируется в частично расплавленном силикатном магматическом океане на глубине 50 километров под поверхностью Ио. [89] Аналогичные индуцированные поля были обнаружены Галилеем на других галилеевых спутниках , возможно, они генерируются в жидких водных океанах внутри этих лун. [90]
Ио немного больше земной Луны . Имеет средний радиус 1821,3 км (1131,7 миль) (примерно на 5% больше лунного) и массу 8,9319 × 1022 кг (примерно на 21% больше, чем у Луны). Это небольшой эллипсоид по форме, с его длинной осью, направленной к Юпитеру. Среди галилеевых спутников , как по массе, так и по объему, Ио занимает место после Ганимеда и Каллисто , но впереди Европы . [91]
Состоящие в основном из силикатных пород и железа , Ио и Европа по своему составу ближе к планетам земной группы, чем к другим спутникам внешней Солнечной системы, которые в основном состоят из смеси водяного льда и силикатов. Плотность Ио составляет3,5275 г/см3 , самая высокая плотность среди всех обычных лун в Солнечной системе ; значительно выше, чем у других галилеевых спутников (в частности, Ганимеда и Каллисто, плотность которых составляет около1,9 г/см 3 ) и немного выше (~5,5%), чем у Луны3,344 г/см 3 и Европы 2,989 г/см 3 . [7] Модели, основанные на измерениях Voyager и Galileo массы, радиуса и квадрупольных гравитационных коэффициентов Ио (численные значения, связанные с тем, как масса распределена внутри объекта), предполагают, что его внутренняя часть дифференцирована между богатой силикатами корой и мантией и богатым железом или сульфидом железа ядром . [56] Металлическое ядро Ио составляет приблизительно 20% его массы . [92] В зависимости от количества серы в ядре, ядро имеет радиус от 350 до 650 км (220–400 миль), если оно состоит почти полностью из железа, или от 550 до 900 км (340–560 миль) для ядра, состоящего из смеси железа и серы. Магнитометр Galileo не смог обнаружить внутреннее, собственное магнитное поле на Ио, что предполагает, что ядро не является конвективным . [93]
Моделирование внутреннего состава Ио предполагает, что мантия состоит по крайней мере на 75% из богатого магнием минерала форстерита и имеет основной состав, аналогичный составу метеоритов L-хондрита и LL-хондрита , с более высоким содержанием железа (по сравнению с кремнием ), чем на Луне или Земле, но ниже, чем на Марсе. [94] [95] Для поддержки теплового потока, наблюдаемого на Ио, 10–20% мантии Ио может быть расплавлено, хотя регионы, где наблюдается высокотемпературный вулканизм, могут иметь более высокие фракции расплава. [96] Однако повторный анализ данных магнитометра Галилео в 2009 году показал наличие индуцированного магнитного поля на Ио, требующего наличия океана магмы на глубине 50 км (31 миля) под поверхностью. [89] Дальнейший анализ, опубликованный в 2011 году, предоставил прямые доказательства наличия такого океана. [97] Этот слой оценивается в 50 км толщиной и составляет около 10% мантии Ио. По оценкам, температура в магматическом океане достигает 1200 °C. Неизвестно, соответствует ли процент частичного плавления мантии Ио в 10–20% требованию значительного количества расплавленных силикатов в этом возможном магматическом океане. [98] Литосфера Ио, состоящая из базальта и серы, отложенных обширным вулканизмом Ио, имеет толщину не менее 12 км (7,5 миль) и, вероятно, менее 40 км ( 25 миль). [92] [99]
В отличие от Земли и Луны, основным источником внутреннего тепла Ио является приливное рассеяние, а не распад радиоактивных изотопов , результат орбитального резонанса Ио с Европой и Ганимедом. [51] Такое нагревание зависит от расстояния Ио от Юпитера, его орбитального эксцентриситета, состава его недр и его физического состояния. [96] Его резонанс Лапласа с Европой и Ганимедом поддерживает эксцентриситет Ио и не позволяет приливному рассеянию внутри Ио закруглять его орбиту. Резонансная орбита также помогает поддерживать расстояние Ио от Юпитера; в противном случае приливы, возникающие на Юпитере, заставили бы Ио медленно выходить по спирали наружу от его родительской планеты. [100] Приливные силы, испытываемые Ио, примерно в 20 000 раз сильнее приливных сил, которые испытывает Земля из-за Луны, а вертикальные различия в ее приливной выпуклости между моментами, когда Ио находится в перицентре и апоцентре на своей орбите, могут достигать 100 м (330 футов). [101] Трение или приливное рассеивание, возникающее внутри Ио из-за этого переменного приливного притяжения, которое без резонансной орбиты вместо этого пошло бы на закругление орбиты Ио, создает значительный приливной нагрев внутри Ио, расплавляя значительное количество мантии и ядра Ио. Количество произведенной энергии в 200 раз больше, чем то, которое производится исключительно за счет радиоактивного распада . [12] Это тепло выделяется в форме вулканической активности, создавая его наблюдаемый высокий тепловой поток (общий общий: от 0,6 до 1,6×10 14 Вт ). [96] Модели его орбиты предполагают, что количество приливного нагрева внутри Ио меняется со временем; однако, текущее количество приливного рассеивания согласуется с наблюдаемым тепловым потоком. [96] [102] Модели приливного нагрева и конвекции не обнаружили последовательных профилей планетарной вязкости, которые одновременно соответствовали бы приливному рассеиванию энергии и мантийной конвекции тепла к поверхности. [102] [103]
Хотя существует общее согласие, что источником тепла, проявляющегося во многих вулканах Ио, является приливной нагрев от притяжения Юпитера и его спутника Европы , вулканы не находятся в положениях, предсказанных приливным нагревом. Они смещены на 30–60 градусов к востоку. [104] Исследование, опубликованное Тайлером и др. (2015), предполагает, что это восточное смещение может быть вызвано океаном расплавленной породы под поверхностью. Движение этой магмы будет генерировать дополнительное тепло за счет трения из-за ее вязкости . Авторы исследования полагают, что этот подповерхностный океан представляет собой смесь расплавленной и твердой породы. [105]
Другие луны в Солнечной системе также нагреваются приливами, и они также могут генерировать дополнительное тепло посредством трения подповерхностной магмы или водных океанов. Эта способность генерировать тепло в подповерхностном океане увеличивает вероятность жизни на таких телах, как Европа и Энцелад . [106] [107]
Основываясь на своем опыте работы с древними поверхностями Луны, Марса и Меркурия, ученые ожидали увидеть многочисленные ударные кратеры на первых снимках Ио, полученных Voyager 1. Плотность ударных кратеров на поверхности Ио могла бы дать подсказки о возрасте Ио. Однако они были удивлены, обнаружив, что поверхность почти полностью лишена ударных кратеров, а вместо этого покрыта гладкими равнинами, усеянными высокими горами, ямами различных форм и размеров и потоками вулканической лавы. [46] По сравнению с большинством миров, наблюдавшихся до этого момента, поверхность Ио была покрыта различными красочными материалами (из-за чего Ио сравнивали с гнилым апельсином или пиццей ) из различных сернистых соединений. [108] [109] Отсутствие ударных кратеров указывало на то, что поверхность Ио геологически молода, как и земная поверхность; вулканические материалы непрерывно засыпают кратеры по мере их образования. Этот результат был наглядно подтвержден, поскольку «Вояджер-1» обнаружил по меньшей мере девять действующих вулканов . [50]
Красочный вид Ио является результатом материалов, отложенных в результате его обширного вулканизма, включая силикаты (такие как ортопироксен ), серу и диоксид серы . [110] Иней из диоксида серы повсеместно встречается на поверхности Ио, образуя большие области, покрытые белыми или серыми материалами. Сера также наблюдается во многих местах по всему Ио, образуя желтые или желто-зеленые области. Сера, отложенная в средних широтах и полярных регионах, часто повреждается радиацией, разрушая обычно стабильную циклическую 8-цепочечную серу . Это радиационное повреждение приводит к появлению красно-коричневых полярных областей Ио. [22]
Эксплозивный вулканизм , часто принимающий форму зонтикообразных плюмов, окрашивает поверхность сернистыми и силикатными материалами. Отложения плюма на Ио часто окрашены в красный или белый цвет в зависимости от количества серы и диоксида серы в плюме. Как правило, плюмы, образованные в вулканических жерлах из дегазирующей лавы, содержат большее количество S 2 , создавая красные «веерные» отложения или, в крайних случаях, большие (часто достигающие более 450 км или 280 миль от центрального жерла) красные кольца. [111] Яркий пример красно-кольцевого плюмового отложения находится в Пеле. Эти красные отложения состоят в основном из серы (обычно 3- и 4-цепочечной молекулярной серы), диоксида серы и, возможно, сульфурилхлорида . [110] Шлейфы, образованные на окраинах потоков силикатной лавы (путем взаимодействия лавы и ранее существовавших отложений серы и диоксида серы), производят белые или серые отложения. [112]
Составное картирование и высокая плотность Ио предполагают, что на Ио содержится мало или совсем нет воды , хотя были предварительно идентифицированы небольшие карманы водяного льда или гидратированных минералов , особенно на северо-западном склоне горы Гиш-Бар. [113] На Ио содержится наименьшее количество воды среди всех известных тел в Солнечной системе. [114] Этот недостаток воды, вероятно, объясняется тем, что Юпитер был достаточно горячим на раннем этапе эволюции Солнечной системы, чтобы вытеснять летучие вещества, такие как вода, в окрестностях Ио, но недостаточно горячим, чтобы делать это дальше. [115]
Приливное нагревание, вызванное вынужденным орбитальным эксцентриситетом Ио, сделало его самым вулканически активным миром в Солнечной системе с сотнями вулканических центров и обширными потоками лавы . [14] Во время крупного извержения могут образовываться потоки лавы длиной в десятки или даже сотни километров, состоящие в основном из базальтовых силикатных лав с мафическим или ультрамафическим (богатым магнием) составом. В качестве побочного продукта этой активности сера, сернистый газ и силикатный пирокластический материал (например, пепел) выбрасываются на расстояние до 200 км (120 миль) в космос, создавая большие зонтикообразные шлейфы, окрашивающие окружающую местность в красный, черный и белый цвета и предоставляя материал для неоднородной атмосферы Ио и обширной магнитосферы Юпитера. [116] [82]
Поверхность Ио усеяна вулканическими впадинами, известными как патерами , которые обычно имеют плоские полы, ограниченные крутыми стенами. [118] Эти образования напоминают земные кальдеры , но неизвестно, образовались ли они в результате обрушения опустевшей лавовой камеры, как их земные собратья. Одна из гипотез предполагает, что эти образования образуются в результате эксгумации вулканических силлов , а лежащий выше материал либо выбрасывается, либо интегрируется в силлы. [119] Примеры патер на разных стадиях эксгумации были нанесены на карту с использованием изображений Галилео региона Чаак-Камакстли . [120] В отличие от подобных образований на Земле и Марсе, эти впадины обычно не лежат на вершинах щитовых вулканов и обычно больше, со средним диаметром 41 км (25 миль), крупнейшим из которых является Локи Патера с диаметром 202 км (126 миль). [118] Локи также неизменно является самым сильным вулканом на Ио, внося в среднем 25% глобального теплового потока Ио. [121] Каким бы ни был механизм формирования, морфология и распределение многих патер предполагают, что эти особенности структурно контролируются, и по крайней мере половина из них ограничена разломами или горами. [118] Эти особенности часто являются местом вулканических извержений, либо из-за потоков лавы, распространяющихся по дну патер, как при извержении в Гиш-Бар-Патера в 2001 году, либо в форме лавового озера . [13] [122] Лавовые озера на Ио имеют либо непрерывно опрокидывающуюся лавовую корку, как, например, в Пеле, либо эпизодически опрокидывающуюся корку, как, например, в Локи. [123] [124]
Потоки лавы представляют собой еще одну крупную вулканическую местность на Ио. Магма извергается на поверхность из отверстий на дне патер или на равнинах из трещин, создавая раздутые, сложные потоки лавы, похожие на те, что видны на Килауэа на Гавайях. Снимки с космического корабля Галилео показали, что многие из крупных потоков лавы на Ио, как и на Прометее и Амирани , образуются путем наращивания небольших прорывов потоков лавы поверх более старых потоков. [125] На Ио также наблюдались более крупные выбросы лавы. Например, передний край потока Прометея переместился на 75–95 км (47–59 миль) между Voyager в 1979 году и первыми наблюдениями Galileo в 1996 году. Крупное извержение в 1997 году произвело более 3500 км 2 (1400 кв. миль) свежей лавы и затопило дно соседней патеры Пиллана. [57]
Анализ изображений Voyager привел ученых к мысли, что эти потоки в основном состоят из различных соединений расплавленной серы. Однако последующие инфракрасные исследования с Земли и измерения с космического аппарата Galileo указывают на то, что эти потоки состоят из базальтовой лавы с составом от основного до ультраосновного. [126] Эта гипотеза основана на измерениях температуры «горячих точек» Ио, или мест термического излучения, которые предполагают температуру не менее 1300 К, а в некоторых местах и до 1600 К. [127] Первоначальные оценки, предполагающие температуру извержения, приближающуюся к 2000 К [57], с тех пор оказались завышенными, поскольку для моделирования температур использовались неправильные тепловые модели. [127] [126]
Открытие плюмов на вулканах Пеле и Локи было первым признаком того, что Ио геологически активен. [49] Как правило, эти плюмы образуются, когда летучие вещества, такие как сера и диоксид серы, выбрасываются в небо из вулканов Ио со скоростью, достигающей 1 км/с (0,62 мили/с), создавая зонтикообразные облака газа и пыли. Дополнительный материал, который может быть найден в этих вулканических плюмах, включает натрий, калий и хлор . [128] [129] Эти плюмы, по-видимому, образуются одним из двух способов. [130] Самые большие плюмы Ио, такие как те, что выбрасывает Пеле , создаются, когда растворенная сера и диоксид серы высвобождаются из извергающейся магмы в вулканических жерлах или лавовых озерах, часто увлекая за собой силикатный пирокластический материал. [131] Эти плюмы образуют красные (из короткоцепочечной серы) и черные (из силикатной пирокластики) отложения на поверхности. Струи, образованные таким образом, являются одними из крупнейших, наблюдаемых на Ио, образуя красные кольца диаметром более 1000 км (620 миль). Примерами этого типа струй являются Пеле, Тваштар и Дажьбог . Другой тип струй образуется, когда надвигающиеся потоки лавы испаряют лежащий под ними иней диоксида серы, отправляя серу в небо. Этот тип струй часто образует яркие круглые отложения, состоящие из диоксида серы. Эти струи часто имеют высоту менее 100 км (62 мили) и являются одними из самых долгоживущих струй на Ио. Примерами являются Прометей , Амирани и Масуби . Извергаемые сернистые соединения концентрируются в верхней коре из-за снижения растворимости серы на больших глубинах в литосфере Ио и могут быть определяющим фактором для стиля извержения горячей точки. [131] [132] [133]
На Ио насчитывается от 100 до 150 гор. Средняя высота этих структур составляет 6 км (3,7 мили), а максимальная — 17,5 ± 1,5 км (10,9 ± 0,9 мили) в горах Южный Боосауле . [15] Горы часто выглядят как большие (средняя высота горы составляет 157 км или 98 миль), изолированные структуры без каких-либо очевидных глобальных тектонических закономерностей, в отличие от случая на Земле. [15] Для поддержания потрясающего рельефа, наблюдаемого в этих горах, требуются составы, состоящие в основном из силикатных пород, а не из серы. [134]
Несмотря на обширный вулканизм, который придает Ио его отличительный вид, почти все его горы являются тектоническими структурами и не созданы вулканами. Вместо этого большинство Ионических гор образуются в результате сжимающих напряжений в основании литосферы, которые поднимают и часто наклоняют куски коры Ио через сбросовые сбросы . [135] Сжимающие напряжения, приводящие к образованию гор, являются результатом проседания из-за непрерывного захоронения вулканических материалов. [135] Глобальное распределение гор, по-видимому, противоположно распределению вулканических структур; горы доминируют в областях с меньшим количеством вулканов и наоборот. [136] Это предполагает наличие крупномасштабных областей в литосфере Ио, где доминируют сжатие (поддерживающие горообразование) и растяжение (поддерживающие образование патеры). [137] Локально, однако, горы и патеры часто примыкают друг к другу, что предполагает, что магма часто использует разломы, образованные во время горообразования, чтобы достичь поверхности. [118]
Горы на Ио (как правило, структуры, возвышающиеся над окружающими равнинами) имеют разнообразную морфологию. Наиболее распространены плато . [15] Эти структуры напоминают большие плосковершинные столовые горы с неровной поверхностью. Другие горы кажутся наклонными блоками земной коры с пологим склоном от ранее плоской поверхности и крутым склоном, состоящим из ранее подповерхностных материалов, поднятых сжимающими напряжениями. Оба типа гор часто имеют крутые уступы вдоль одного или нескольких краев. Только несколько гор на Ио, по-видимому, имеют вулканическое происхождение. Эти горы напоминают небольшие щитовые вулканы с крутыми склонами (6–7°) около небольшой центральной кальдеры и пологими склонами вдоль их краев. [138] Эти вулканические горы часто меньше, чем средняя гора на Ио, в среднем всего 1–2 км (0,6–1,2 мили) в высоту и 40–60 км (25–37 миль) в ширину. Другие щитовые вулканы с гораздо более пологими склонами выведены из морфологии нескольких вулканов Ио, где тонкие потоки расходятся из центральной патеры, как, например, в Ра Патере . [138]
Почти все горы, по-видимому, находятся на той или иной стадии деградации. Крупные оползневые отложения обычны у подножия Ионических гор, что говорит о том, что массовая потеря является первичной формой деградации. Фестончатые края обычны среди столовых гор и плато Ио, в результате истощения двуокиси серы из коры Ио, что создает зоны слабости вдоль горных окраин. [139]
У Ио чрезвычайно тонкая атмосфера, состоящая в основном из диоксида серы ( SO
2), с второстепенными компонентами, включая оксид серы ( SO ), хлорид натрия ( NaCl ), а также атомарную серу и кислород . [140] Атмосфера имеет значительные колебания плотности и температуры в зависимости от времени суток, широты, вулканической активности и обилия поверхностного инея. Максимальное атмосферное давление на Ио колеблется от 3,3 × 10−5 до 3 × 10−4 паскалей ( Па) или от 0,3 до 3 нбар , пространственно наблюдаемое на антиюпитерском полушарии Ио и вдоль экватора, и временно в начале дня, когда температура поверхностного инея достигает пика. [140] [141] [142] Также были замечены локализованные пики в вулканических шлейфах с давлением от 5 × 10−4 до 40 × 10−4 Па (от 5 до 40 нбар). [53] Атмосферное давление Ио самое низкое на ночной стороне Ио, где давление падает до 0,1 × 10−7–1 × 10−7 Па (0,0001–0,001 нбар). [140] [141] Температура атмосферы Ио колеблется от температуры поверхности на низких высотах, где диоксид серы находится в равновесии давления паров с инеем на поверхности, до 1800 К на больших высотах, где более низкая плотность атмосферы допускает нагрев от плазмы в плазменном торе Ио и от джоулева нагрева от трубки потока Ио. [140] [141] Низкое давление ограничивает влияние атмосферы на поверхность, за исключением временного перераспределения диоксида серы из областей, богатых инеем, в области с меньшим его содержанием, а также расширения размеров колец отложений шлейфа, когда материал шлейфа возвращается в более плотную дневную атмосферу. [140] [141]
Газ в атмосфере Ио вытесняется магнитосферой Юпитера , улетучиваясь либо в нейтральное облако, окружающее Ио, либо в плазменный тор Ио, кольцо ионизированных частиц, которое разделяет орбиту Ио, но вращается совместно с магнитосферой Юпитера. [84] Примерно одна тонна материала удаляется из атмосферы каждую секунду в ходе этого процесса, поэтому ее необходимо постоянно пополнять. [80] Самый драматичный источник SO
2вулканические шлейфы, которые выбрасывают 10В среднем в атмосферу Ио попадает 4 кг диоксида серы в секунду, хотя большая часть этого количества конденсируется обратно на поверхности. [143] Большая часть диоксида серы в атмосфере Ио поддерживается за счет сублимации SO
2заморожена на поверхности. [144] Дневная атмосфера в основном ограничена 40° от экватора, где поверхность самая теплая и находятся самые активные вулканические шлейфы. [145] Атмосфера, управляемая сублимацией, также согласуется с наблюдениями, что атмосфера Ио самая плотная над полушарием анти-Юпитера, где SO
2Мороз наиболее обилен и плотен, когда Ио находится ближе к Солнцу. [140] [144] [146] Однако требуется некоторое участие вулканических шлейфов, поскольку самые высокие наблюдаемые плотности наблюдались вблизи вулканических жерл. [140] Поскольку плотность диоксида серы в атмосфере напрямую связана с температурой поверхности, атмосфера Ио частично разрушается ночью или когда Ио находится в тени Юпитера (с падением плотности столба примерно на 80% [147] ). Коллапс во время затмения несколько ограничивается образованием диффузионного слоя монооксида серы в самой нижней части атмосферы, но атмосферное давление ночной атмосферы Ио на два-четыре порядка меньше, чем на пике сразу после полудня. [141] [148] Незначительные составляющие атмосферы Ио, такие как NaCl , SO , O и S , происходят либо из: прямого вулканического газовыделения; фотодиссоциация , или химическое разрушение, вызванное солнечным ультрафиолетовым излучением, из SO
2; или распыление поверхностных отложений заряженными частицами из магнитосферы Юпитера. [144]
Различные исследователи предполагали, что атмосфера Ио замерзает на поверхности , когда она попадает в тень Юпитера. Доказательством этого является «постзатменное осветление», когда луна иногда кажется немного ярче, как будто покрытая инеем сразу после затмения. Примерно через 15 минут яркость возвращается к норме, предположительно потому, что иней исчез в результате сублимации . [149] [150] [151] [152] Помимо наблюдения через наземные телескопы, постзатменное осветление было обнаружено в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн с помощью инструмента на борту космического аппарата Кассини . [153] Дальнейшее подтверждение этой идеи пришло в 2013 году, когда обсерватория Джемини использовалась для непосредственного измерения коллапса атмосферы SO 2 Ио во время и ее реформирования после затмения с Юпитером. [154] [155]
Изображения Ио с высоким разрешением, полученные во время затмения Ио, показывают свечение, похожее на полярное сияние . [129] Как и на Земле, это происходит из-за излучения частиц, попадающих в атмосферу, хотя в этом случае заряженные частицы исходят из магнитного поля Юпитера, а не из солнечного ветра . Полярные сияния обычно возникают вблизи магнитных полюсов планет, но на Ио они наиболее яркие вблизи его экватора. У Ио отсутствует собственное магнитное поле; поэтому электроны, движущиеся вдоль магнитного поля Юпитера вблизи Ио, напрямую воздействуют на атмосферу Ио. Больше электронов сталкиваются с его атмосферой, создавая самые яркие полярные сияния, где силовые линии касаются Ио (т. е. вблизи экватора), потому что столб газа, через который они проходят, там самый длинный. Полярные сияния, связанные с этими точками касания на Ио, как наблюдается, качаются в зависимости от изменяющейся ориентации наклонного магнитного диполя Юпитера . [156] Также наблюдались более слабые полярные сияния от атомов кислорода вдоль лимба Ио (красное свечение на изображении справа) и атомов натрия на ночной стороне Ио (зеленое свечение на том же изображении). [129]
{{cite news}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
