Подземный океан магмы объясняет вулканическую активность на Ио
Время на прочтение
Самый ближний из четырёх галилеевых спутников Юпитера — Ио — кардинально отличается от других спутников Юпитера, а также от всех спутников других планет Солнечной системы, от астероидов и комет.
Здесь нет привычных гор, долин и кратеров. Это вообще единственное известное астрономам каменистое небесное тело, на котором нет ни одного кратера. Никакой воды в жидкой или твёрдой форме. Неистовый бурлящий мир переживает постоянные бурные извержения вулканов. Иногда по нескольку штук одновременно. Всего на Ио сейчас более 400 действующих вулканов. Поверхность спутника полностью видоизменяется каждые пару тысяч лет.
Раскалённый спутник постоянно корёжит гравитация огромной планеты. Мы на Земле привыкли, что гравитация нашей Луны поднимает воду Мирового океана, что вызывает прилив. Так вот, на Ио «прилив» в 8000 раз сильнее, а гравитация Юпитера и другого спутника Европы поднимает не воду, а твёрдую кору спутника на сотню метров каждый день.
Корабли «Вояджер» (1979 г.), «Галилео» (1990-2000-е), «Кассини-Гюйгенс» (2000 г.) и «Новые горизонты» (2007 г.) показали страшную картину: пылающие жерла вулканов, фонтаны лавы высотой до 400 км, разрывы коры с бурлящими потоками магмы, всё вокруг покрыто замороженной серой, которая окрашивает поверхность в оттенки жёлтого, белого, красного, чёрного и зелёного цветов.
Извержение вулкана Тваштар на Ио
Учёные изучают необычную вулканическую активность на Ио и пытаются точно установить её причины. Согласно общепринятой теории, активность обусловлена периодическим нагревом недр спутника в результате трения, которое происходит при движении коры из-за приливных гравитационных воздействий Юпитера.
Сила притяжения Юпитера настолько велика, что кора рвётся на части. Она также двигается относительно мантии. В результате трения порода между корой и мантией раскаляется до жидкой магмы. Каменная порода в жидкой форме увеличивается в объёме, отсюда и постоянные извержения.
Раньше учёные предполагали, что магма образуется только в изолированных карманах между твёрдыми корой и мантией. Но последние наблюдения заставили пересмотреть классическую модель. Если бы всё было в соответствии с моделью, но мы наблюдали бы вулканы в определённых районах поверхности, в соответствии с местоположением Ио относительно Юпитера и Европы. Оказалось, что вулканы извергаются не там, где предсказывает модель, а в других местах. Чаще всего — на 30-60ͦ восточнее предсказанных координат.
Наблюдения заставили учёных пересмотреть модель, сообщается на сайте НАСА 10 сентября 2015 года. Новая модель предусматривает, что под корой Ио находится частично или полностью расплавленный жидкий слой. То есть постоянный подземный океан магмы.
«Трудно объяснить закономерность в таком большом количестве извержений, которые все смещены в одном направлении, используя только классическую модель с нагреванием из-за трения твёрдых пород от приливных гравитационных воздействий», — говорит Уэйд Хеннинг (Wade Henning), один из авторов научной работы, опубликованной в июньском номере Astrophysical Journal Supplement Series.
Закономерность объясняется только комбинацией нагрева от твёрдых и жидких тел. « Жидкий компонент в такой гибридной модели лучше всего объясняет повышенную вулканическую активность в экваториальной области и сдвиг извержений в восточную сторону, а происходящее одновременно нагревание твёрдых пород от приливных гравитационных воздействий может объяснить извержения на высоких широтах», — добавил Хеннинг.
На иллюстрации показан результат расчёта по модели нагрева поверхности Ио от нагревания в глубине мантии (вверху) и от нагревания в верхнем слое мантии, астеносфере (внизу). Сценарий нагревания в глубине мантии предусматривает повышение температуры ближе к полюсам, а сценарий нагревания в астеносфере — вблизи экватора.
Получается, нагревание от гравитации Юпитера настолько велико, что жидкая магма может постоянно присутствовать под всей поверхностью Ио. Если так и есть, то это невероятная находка, по мнению специалистов. Ведь в таком случае можно предположить существование подземных океанов жидкой воды на покрытых льдом Европе и Энцеладе!
Если слабое гравитационное воздействие Юпитера может нагревать мантию этих спутников и поддерживать температуру подземных океанов воды, то там даже может существовать жизнь, считает Этан Зигель (Ethan Siegel), профессор Lewis & Clark College и колумнист НАСА.
Открытие Ио связывают с именем итальянского ученого Галилео Галилея. Именно он в 1610 году, вооружившись самодельным телескопом с 20-кратным увеличением, разглядел четыре спутника Юпитера. Правда, Европу и Ио он принял за одну точку и только на второй день после открытия понял, что это два разных небесных тела.
Ио называют «Адской топкой», «Космическим адом», «Вулканической преисподней», «Кипящим котлом». Эти названия характеризуют спутник не с самой лучшей стороны.
Так как спутник находился ближе всего к Юпитеру, Галилей назвал его Юпитером I. В середине 1800-х годов немецкий астроном Иоганн Кеплер предложил переименовать сателлит в Ио, в честь одной из возлюбленных бога Юпитера. Это название прижилось не сразу, но сегодня оно считается официальным.
Масса и размер
Тень Ио на Юпитере
Чтобы получить наглядное представление о массе и размерах Ио, сравним спутник Юпитера с Землей.
Сравнение Ио и Земли:
Цыпкин Трофим Петрович
Из таблицы можно сделать вывод, что Ио в 3,5 раза меньше и в 67 раз легче нашей планеты. Как и Земля, сателлит имеет шарообразную форму, слегка приплюснутую с полюсов. Его полярный диаметр на 14,2 км меньше экваториального, в то время как у Земного шара разница между аналогичными показателями составляет 25 км. Получается, что Ио более сплюснутый с полюсов, чем Земля.
Ио в среднем удален от Юпитера на 426,7 тыс. км. Однако орбита спутника имеет форму эллипса, поэтому он то приближается к планете на 421 тыс. км, то отдаляется от нее на 432,4 тыс. км.
Спутник движется по орбите со скоростью 17,3 км/с. Один оборот вокруг Юпитера он совершает за 42,5 часа. В своем вечном движении сателлит всегда повернут к планете одной и той же стороной.
Сравнение Ио и других спутников
Ученые обнаружили у Юпитера 79 спутников. Самые крупные из них — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, открытые Галилеем.
Сравнение Ио и других галилеевых спутников Юпитера:
Как видим, Ио — третья по величине среди галилеевых лун Юпитера, третья по массе и первая по плотности. В отличие от других спутников Солнечной системы, которые образованы из водяного льда, Ио состоит из расплавленного железного или сернистого железного ядра, окруженного силикатными породами.
Ио состоит из коры, магмы, мантии и ядра. Кора небесного тела имеет глубину 30-50 км. Она преимущественно состоит из серы и базальта. Поверхность коры, соседствующая с вулканами, покрыта разноцветными озерами расплавленной лавы. На темной стороне спутника простираются обширные равнины из замороженного диоксида серы или обычной серы.
Цвет озер и равнин зависит от их химического состава.
Химические вещества, от которых зависит цвет поверхности Ио:
Под корой Ио плещутся моря желеобразной раскаленной магмы, которая является топливом для вулканов. Толщина этого слоя составляет 50 км.
Ниже расположена мантия, которая представляет собой океан расплавленной или частично расплавленной магмы. Мантия на 75% состоит из магния и железа.
В центре Ио находится твердое ядро, вес которого составляет 20% от массы небесного тела. Ученые предполагают, что если в ядре преобладает сера, то его радиус составляет 550-900 км, если железо — то 350-650 км.
У Ио есть тонкий и слабый слой атмосферы, наполненный вулканическими газами. В его состав входят:
Ежесекундно из недр планеты через вулканы выделяется примерно 100 кг двуокиси серы. Значительная часть этого вещества остается у поверхности небесного тела, остальная попадает в атмосферу.
Атмосферное давление на Ио низкое, причем на ночной стороне оно может быть в сотни раз ниже, чем на освещенной.
На сателлите наблюдается самый широкий разброс температур среди всех спутников Солнечной системы. В районах с вулканической активностью невероятно жарко. Здесь зарегистрирован температурный максимум в 1527 °С. Рядом с вулканами плещутся озера расплавленной магмы. Вдали от вулканов средняя температура составляет –163–183°С. Здесь лежат толстые снежные шапки.
Извержения вулканов на Ио в инфракрасном спектре.
На загадочном спутнике Юпитера существует около 400 вулканов. Извержения некоторых из них настолько мощные, что за ними можно наблюдать с Земли с помощью телескопа.
Иногда над корой небесного тела поднимаются гигантские фонтаны серы, скальной породы и твердых частиц. После таких выбросов на поверхности Ио появляются реки лавы длиной в сотни километров.
Мощная геологическая активность выделяет Ио из ряда других естественных лун Солнечной системы. Большинство тел такого размера являются устойчивыми, период их тектонической активности закончился миллионы лет назад, либо перешел в финальную стадию.
Ледяные шапки и снег из серы
Три стороны спутника Ио, которые сфотографировал аппарат «Галилео».
Ученые уверены, что когда Ио формировался на орбите Юпитера, на нем был лед. Однако из-за излучения главной планеты вода с поверхности спутника испарилась. Если присмотреться к фотографиям сателлита, то кое-где можно увидеть обширные снежные шапки. Но это необычный снег, это пласты замороженной серы.
Совершая оборот вокруг Юпитера, Ио на два часа полностью оказывается в его тени. Температура на поверхности спутника резко снижается и диоксид серы выпадает из атмосферы в виде снега. Газ, вырывающийся из вулканов, также замерзает и хлопьями оседает на почву.
Когда солнечные лучи снова касаются поверхности сателлита, снег тает и диоксид серы вновь принимает газообразную форму и устремляется в атмосферу. Таким образом, слабая, нестабильная атмосфера Ио находится в бесконечном ритме разрушения и возрождения.
Полярные сияния на Ио запечатленные NASA в 1998.
Как выяснили ученые, поверхность Ио покрыта вулканами, которые выбрасывают плазму в космос навстречу магнитосфере Юпитера. На границе соприкосновения плазмы и мощного поля Юпитера возникают полярные сияния и облака из кислорода, натрия, калия и серы. Самые яркие вспышки появляются вдоль экватора сателлита.
Возможно, это прозвучит странно, но Ио — самое зловонное место Солнечной системы. Здесь стоит жуткий запах тухлых яиц. Но откуда берется это адское амбре? Все дело в двуокиси серы, которую вулканы выбрасывают в атмосферу спутника.
Это химическое соединение и является источником неприятного запаха. Что на ваш взгляд лучше: зловонная атмосфера или вакуум? Хотя, какая разница, ведь человек не сможет дышать при любом раскладе.
До начала ХХ века люди исследовали Ио с помощью слабых самодельных телескопов, поэтому детальное изучить спутник Юпитера было невозможно. Появление в начале ХХ века мощных телескопов позволило продвинуться в исследованиях сателлита. Далее спутник стали изучать с помощью космических станций и зондов.
Изучение Ио с помощью космических станций и зондов:
Еще одна исследовательская программа была запланирована на 2021 году. Но по ряду причин она не была одобрена. Планируется, что в ближайшее время к Ганимеду отправится летательный аппарат Juice. С поверхности этого спутника Юпитера он внимательно изучит вулканы Ио.
Исследования спутников Юпитера продолжаются. В ближайшее время летательный аппарат Juice полетит в сторону Ганимеда и подробнее изучит природу вулканической активности на Ио.