Raziskovanje Osončja je kot lupljenje čebule. Z vsakim odstranjenim slojem najdemo nove skrivnosti, o katerih je treba razmišljati, vsaka bolj zmedena od prejšnje. In to je zagotovo tako, ko gre za Jupitrov sistem lun, zlasti njegove štiri največje - Io, Evropi , Ganimed in Callisto . Znan kot Galilejske lune , v čast njihovega ustanovitelja imajo te lune dovolj naravnih čudes, da so znanstveniki zaposleni stoletja.
Kot Jupitrova najbolj notranja luna je tudi četrta največja luna v Osončju, ima najvišjo gostoto od vseh znanih lun in je najbolj suh znani objekt v Osončju. Je tudi eno od le štirih znanih teles, ki doživlja aktivni vulkanizem, in – z več kot 400 aktivnimi vulkani – je geološko najbolj aktivno telo v Osončju.
Odkritje in poimenovanje:
Tako kot vse Galilejeve lune so ga odkrili Galileo Galilei januarja 1610 z uporabo a teleskop lastne zasnove . Takrat ni znal razlikovati med tem in Evropi zaradi majhne moči njegovega teleskopa, zato sta bila oba posneta kot ena sama svetlobna točka. Toda naslednji dan so ju prvič videli kot ločena telesa. Njegova opažanja so bila objavljena marca 1610 v njegovi razpravi Zvezdni sel ('Zvezdni sel«).
Leta 1614 je v svoji knjigi trdil nemški astronom Simon MariusMundus Jovialis('Svet Jupitra'), da so odkrili lune neodvisno in hkrati. Mislil je, da je Galileo prejel zasluge za odkritje tako, da je najprej objavil, da so bila to imena, ki jih je predlagal Marius (po naročilu Johannes Kepler ), ki so bili sčasoma sprejeti, čeprav šele v 20. stoletju. Pred tem je bil Io znan kotJupiter Ina podlagi Galilejevih poimenovanj.
Teleskop Galilea Galileija z njegovim ročno napisanim zapiskom, ki določa povečevalno moč leče, na razstavi na The Franklin Institute v Philadelphiji. Zasluge: AP Photo/Matt Rourke
Podobno kot drugi Galilejci je bil Io poimenovan po ljubimcu Zevsa (grški ekvivalent rimskemu Jupitru). Po mitu je bila svečenica boginje Here v Argosu in prednica Herakla (Herkula). Značilnosti na luni so poimenovane po likih in krajih iz mita, pa tudi po božanstvih ognja, vulkanov, sonca in grmenja iz različnih mitov, pa tudi po likih in krajih iz Dantejevih pekel (zaradi vulkanske narave).
Do danes je Mednarodna astronomska zveza odobrila 225 imen za svoje vulkane, gore, planote in velike značilnosti albeda. Primeri poimenovanih lastnosti so Prometej , Kruh Mensa , Tvashtar Paterae , in Tsui Goab valovi .
Velikost, masa in orbita:
S srednjim polmerom 1821,6 ± 0,5 km in maso 8,93 × 1022kg, je po velikosti enakovreden 0,286 Zemlje in 0,015-krat večji. Io kroži okoli Jupitra na povprečni razdalji (velika polos) 421.700 km (0,002819 AU). Ima manjšo ekscentričnost (0,0041), zaradi česar se njegova orbita giblje med 420.000 km (0.002807 AU) na periapsi in 423.400 km (0.002830 AU) in apoapso.
Kot najbolj notranji od Galilejevih satelitov je tudi peta luna iz Jupitra, z orbito, ki leži med majhno luno Tebe in galilejeva luna Evrope. Tako kot drugi Galilejevi sateliti in Luna se Io vrti sinhrono s svojo orbitalno dobo, pri čemer ima en obraz skoraj vedno obrnjen proti Jupitru.
Primerjava velikosti med Io (spodaj levo), Luno (zgoraj levo) in Zemljo. Zasluge: NASA/JPL/Univerza v Arizoni
Io potrebuje približno 42,5 ure, da opravi eno orbito okoli Jupitra in je v orbitalni resonanci 2:1 z Evropo in v resonanci 4:1 z Ganimedom. To pomeni, da zaključi dve orbiti Jupitra za vsako orbito Evrope in štiri orbite za vsako orbito Ganimeda. Ta resonanca pomaga ohranjati njegovo orbitalno ekscentričnost (0,0041), kar pa zagotavlja primarni vir ogrevanja za njegovo geološko aktivnost.
Ioova sestava in površinske lastnosti:
S srednjo gostoto 3,528 ± 0,006 g/cm3, Io ima najvišjo gostoto katere koli lune v Osončju in je bistveno gostejša od drugih Galilejevih lun. Sestavljen je predvsem iz silikatnih kamnin in železa, je po množični sestavi bližje zemeljskih planetov kot na druge satelite v zunanjem Osončju, ki so večinoma sestavljeni iz mešanice vodnega ledu in silikatov.
Modeli notranjosti Io kažejo, da se razlikuje med silikatno bogato skorjo in plaščem ter jedrom, bogatim z železom ali železovim sulfidom. To jedro predstavlja 20 % mase planeta in ima ocenjeni polmer 350–650 km (220–400 milj) – ob predpostavki, da je skoraj v celoti sestavljeno iz železa. Če pa je sestavljen iz mešanice železa in žvepla, ima verjetno polmer 550–900 km (340–560 mi). Zaradi odsotnosti zaznavnega magnetnega polja to jedro ni v konvekciji.
Podobni modeli kažejo, da je plašč sestavljen iz vsaj 75 % mineralov, bogatih z magnezijem, in ima višjo vsebnost železa (v primerjavi s silicijem) kot Luna ali Zemlja, vendar nižja od Marsa. Ocenjuje se, da je litosfera Ia, sestavljena iz bazalta in žvepla, odloženega z obsežnim vulkanizmom Ia, debela med 12 km in 40 km (7 mi – 25 milj).
Model možne notranje sestave Io z različnimi označenimi značilnostmi. Zasluge: Wikipedia Commons/Kelvinsong
Na podlagi magnetnih meritev in opazovanj toplotnega toka se domneva, da okoli 50 km pod površjem obstaja ocean magme, ki je sam po sebi debel približno 50 km in predstavlja 10 % plašča. Ocenjuje se, da temperatura v oceanu magme doseže 1473,15 K (1200 °C/2192 °F).
Za razliko od Zemlje in Lune Iov glavni vir notranje toplote izvira iz plimovanja, ki je rezultat Iove orbitalne resonance z Evropo in Ganimedom. Takšno segrevanje je odvisno od Iove oddaljenosti od Jupitra, njegove orbitalne ekscentričnosti, sestave notranjosti in fizičnega stanja.
Trenje ali disipacija plimovanja, ki nastane v notranjosti Io zaradi tega spreminjajočega se plimovanja, ustvarja znatno segrevanje plimovanja v notranjosti Io, kar topi znatno količino Iovega plašča in jedra. Ta toplota je odgovorna za vulkansko aktivnost Io in njen opaženi toplotni tok ter občasno povzroči izbruh lave do 500 km (300 mi) v vesolje (glej spodaj).
Presenetljivo je, da na površini Ia skoraj v celoti manjka udarnih kraterjev in je namesto tega prekrita z gladkimi ravnicami, posejanimi z visokimi gorami, jamami različnih oblik in velikosti ter tokovi vulkanske lave. Njegov barvit videz (kombinacija oranžne, rumene, zelene, bele/sive itd.) je skladen s tem, kar kaže, da je vulkanska aktivnost prekrila površino z žveplovimi in silikatnimi spojinami ter vodi do obnove površine.
Izboljšana barvna slika Galileo, ki prikazuje temno liso, ki je nastala zaradi velikega izbruha v Pillan Patera leta 1997. Zasluge: NASA/JPL
Zmrzal žveplovega dioksida je vedno prisoten po površini Io in tvori velike regije, prekrite z belimi ali sivimi materiali. Atomsko žveplo je vidno tudi na mnogih mestih po Io in tvori rumene do rumeno-zelene regije. Žveplo, odloženo v srednjih zemljepisnih širinah in polarnih območjih, je pogosto poškodovano zaradi sevanja, kar povzroči rdeče-rjave polarne regije Io.
Io vsebuje malo ali nič vode, čeprav so bili začasno ugotovljeni majhni žepki vodnega ledu ali hidriranih mineralov, predvsem na severozahodnem boku gore Gish Bar Mons . Pravzaprav ima Io najmanj vode od katerega koli znanega telesa v Osončju, kar je verjetno posledica tega, da je bil Jupiter dovolj vroč na začetku evolucije Osončja, da odganja hlapne snovi, kot je voda, s svoje površine.
Druga pomembna značilnost Ia so gore, ki štejejo med 100 in 150 in povprečno visoke 6 km (4 milje), pri čemer dosežejo največ 17,5 ± 1,5 km (10,9 ± 0,9 mi) Jug B nočno sonce gore . Za razliko od gora na Zemlji se Iove gore pogosto pojavljajo kot velike, izolirane strukture brez očitnih globalnih tektonskih vzorcev za njimi.
Kljub prisotnosti vulkanizma so skoraj vse gore Io nastale zaradi tektonske dejavnosti in ne vulkanov. Namesto tega se večina jonskih gora oblikuje kot posledica tlačnih napetosti na dnu litosfere, ki so posledica premikov navzdol od nenehnega zakopavanja vulkanskih materialov.
Lažni barvni mozaik površine Io. Velike gore se pojavljajo v temno sivi in črni barvi. Zasluge: USGS Astrogeology Science Center
Gore na Io imajo tudi različne oblike, sestavljene iz planot in nagnjenih blokov skorje, pri čemer je majhen preostanek vulkanskega izvora. Planote na Io spominjajo na velike mese z ravnimi vrhovi z razgibanimi površinami, medtem ko se nagnjeni bloki skorje pojavljajo s plitkim pobočjem na eni strani (kjer je bil prej raven teren) in ostrim pobočjem, kjer so tlačne napetosti potiskale podpovršinske materiale.
Nekaj gora, ki so povezane z vulkanizmom, spominjajo na majhne ščitne vulkane, s strmimi pobočji v bližini majhne osrednje kaldere in plitvimi pobočji vzdolž njihovih robov. Te vulkanske gore so pogosto manjše od povprečne gore na Io, v povprečju imajo le 1 do 2 km (0,6 do 1,2 milje) v višino in 40 do 60 km (25 do 37 milj) v širino.
aktivni vulkani:
Ogrevanje plimovanja, ki ga povzroča ekscentričnost Ioove orbite (ki je posledica njegove orbitalne resonance z Evropo in Ganimedom), ga je naredilo za enega najbolj vulkansko aktivnih svetov v Osončju, s stotinami vulkanov in obsežnimi tokovi lave. Ta dejavnost ni samo odgovorna za pošiljanje curkov lave do 500 km (300 milj) v vesolje, ampak je imela tudi velik vpliv na geologijo površine in atmosfero Ia.
Na primer, večji izbruhi lahko povzročijo tokove lave, dolge desetine ali celo stotine kilometrov, sestavljene večinoma iz bazaltnih silikatov, kompozitov, bogatih z železom in magnezijem. Hkrati lahko izbruhi pošljejo žveplo, žveplov dioksid in pepel do 200 km (120 milj) v vesolje, odlagajo material za Iovo atmosfero, Jupitrovo magnetosfero in vodijo do ogromnih usedlin rdeče, oranžne, zelene, črne in bele barve. materiala na površini.
Vulkanska dejavnost vodi tudi do številnih vulkanskih depresij, ki so vidne po površini, ki imajo na splošno ravna tla in strme stene. Te značilnosti spominjajo na kopenske kaldere, ki se pojavijo na Zemlji, ko se izpraznjene komore lave zrušijo, in jih vidimo tudi na Luni in Marsu. Vendar pa na Io te formacije praviloma ne ležijo na vrhuncu ščitnega vulkana, ampak so tudi na splošno večje – v povprečju 41 km (25 mi), pri čemer je največji ( Loki Patera ) v izmeri 202 km (126 km).
Atmosfera:
Io ima izjemno tanko atmosfero, sestavljeno iz žveplovega dioksida (SO²), z manjšimi sestavinami, kot so žveplov monoksid (SO), natrijev klorid (NaCl), žveplov monoksid (SO) ter atomsko žveplo (S) in kisik (O). Najvišji atmosferski tlak se giblje od 3,3 x 10-5do 3 x 10-4pascalov (0,3 do 3 nbar), vendar se močno razlikuje glede na čas dneva, zemljepisno širino, vulkansko aktivnost in površinsko številčnost zmrzali. Na nočni strani tlak pade na najnižjo vrednost: 0,1 × 10-7do 1 × 10-7Pa (0,0001 do 0,001 nbar).
Temperatura atmosfere Io se giblje glede na nadmorsko višino, pri čemer temperatura na površini in nizkih nadmorskih višinah v povprečju znaša 110 K (-163,15 °C/-261,7 °F) z najmanj 90 K (-183,15 °C/-297,7 °F)) in največ 130 K (-143,15 °C/225,7 °F). Na višjih nadmorskih višinah, kjer tanjša gostota atmosfere omogoča ogrevanje s plazmo, lahko temperature dosežejo tudi 1800 K (1526,85 °C/2780,3 °F).
Opazovanja Iove atmosfere kažejo, da je gostota atmosfere največja okoli vulkanskih odprtin, kar potrjuje, da je aktivni vulkanizem tisto, kar vodi do polnjenja ozračja. Najbolj dramatičen vir žveplovega dioksida (SO²) so vulkanski oblaki, ki črpajo 104kg (11,023 ton) žveplovega dioksida na sekundo v povprečju v atmosfero Io, čeprav se večina tega kondenzira nazaj na površje.
Slike Iove avroralne aktivnosti, ki jih je posnelo vesoljsko plovilo Galileo 16. oktobra 1998. Zasluge: NASA/JPL/University of Arizona (PIRL)
Druge sestavine atmosfere Io – NaCl, SO, S, O – izhajajo iz neposrednega vulkanskega odplinjevanja, fotodisociacije SO² (tj. kemične razgradnje, ki jo povzroči interakcija s sončnim sevanjem) ali razprševanja površinskih usedlin z nabitimi delci iz Jupitrove magnetosfere. .
Podobno kot Ganimed, Io jutranje izkušnje kot posledica interakcije nabitih delcev iz Jupitrove magnetosfere z njegovo atmosfero. V Iovem primeru so aurore najsvetlejše blizu njegovega ekvatorja. To je posledica Iovega pomanjkanja notranjega magnetnega polja, zaradi česar elektroni, ki potujejo iz Jupitra, neposredno vplivajo na njegovo atmosfero.
Prav tako več elektronov trči v atmosfero Io, kjer se poljske črte dotikajo nje (v bližini ekvatorja), kjer se nahajajo tudi najdaljši stebri atmosferskega plina. Opazili so tudi šibkejšo auroro iz atomov kisika vzdolž kraka Io in atomov natrija na nočni strani Io.
Interakcija z Jupitrovo magnetosfero:
Io igra pomembno vlogo pri oblikovanju Jovianskega magnetnega polja. Ko Jupiter pomete material iz atmosfere Io – s hitrostjo 1 tone (2000 funtov) na sekundo – velik del gre v orbito okoli Jupitra in tvori nevtralen oblak žveplovih, kisikovih, natrijevih in kalijevih atomov.
Ti delci izvirajo iz zgornje atmosfere Ia in jih vzbujajo trki z ioni v njegovi plazma torus – obroč v obliki krofa iz ioniziranega žvepla, kisika, natrija, klora in elektronov, ki obdaja planet Jupiter. Ta torus povzročajo nevtralni atomi v »oblaku«, ki se ionizirajo in jih prenaša Jovianova magnetosfera.
Magnetno polje Jupitra in tokovi, ki uveljavljajo sorotacijo, z prikazanim Iovim plazemskim torusom. Zasluge: Wikipedia Commons
Jupitrove črte magnetnega polja, ki jih Io prečka, povezujejo Iovo atmosfero in nevtralni oblak z Jupitrovo polarno zgornjo atmosfero, tako da ustvarijo električni tok, znan kot Io pretočna cev . Ta tok proizvaja avroralni sij v Jupitrovih polarnih območjih (ki je znan kot I odtis ) in tudi v ozračju Io, zlasti blizu ekvatorja (glej zgoraj).
Linije Joviana magnetnega polja, ki pridejo mimo Iove ionosfere, prav tako inducirajo električni tok, za katerega se domneva, da lahko ustvari kar 400.000 voltov čez sebe, kot tudi električni tok 3 milijone amperov.
Tok ustvarja tudi inducirano magnetno polje v notranjosti Io, ki naj bi nastalo v delno staljenem oceanu silikatne magme 50 kilometrov pod njegovo površino. Podobna inducirana polja so bila odkrita znotraj drugih Galilejevih lun; vendar v teh primerih nastanejo polja znotraj tekočih oceanov slane vode, za katere se domneva, da obstajajo v njihovi notranjosti.
Raziskovanje Io:
Prvo vesoljsko plovilo, ki je doseglo Io, sta bila dvojčka Pioneer 10inenajst sonde, ki so opravile oblet Lune 3. decembra 1973 oziroma 2. decembra 1974. Te misije so zagotovile dragocene podatke, ki so omogočili izboljšane ocene Iove mase, njegove sestave (silikatna kamnina in ne vodni led) in namigovali, da je imel najvišjo gostoto od štirih Galilejevih satelitov. ThePionirobrti so razkrili tudi prisotnost tanke atmosfere in intenzivnih sevalnih pasov v bližini njegove orbite.
Mozaik slike Voyagerja 1 južne polarne regije Ia, ki vključuje dva od desetih najvišjih vrhov Ia - Euboea Montes (zgoraj desno) in Haemus Mons (levo). Zasluge: NASA/JPL/USGS
Dvojne sonde Potovanje 1 in Potovanje 2 leta 1979 prešel Io in posnel podrobnejše slike lune. Te slike so bile prve, ki so razkrile Iovo večbarvno pokrajino in številne njene značilnosti. Ti vključujejo pomanjkanje kraterjev, številne jame, gore in značilnosti, ki spominjajo na tokove lave. Nadaljnja analiza njegovih slik je pokazala več perjanic, kar kaže, da je bil Io vulkansko aktiven.
Podatki izPotovatimisije so tudi pokazale, da na površini Ia prevladujejo žveplove in žveplove zmrzali. Te spojine prevladujejo tudi v njegovi tanki atmosferi in torusu plazme, ki je osredotočen na Iojevo orbito. Primerjave s slikami, ki jih je posnelPotovanje 2nakazal tudi spremembe na površini med marcem in julijem in da je sedem od devetih perjanic opazili medPotovanje 1so bili še vedno aktivni.
Naslednja misija na Io je bila Galileo vesoljska sonda, ki je na Jupiter prispela leta 1995 in je 7. decembra izvedla bližnji prelet. Srečanje je pripeljalo do odkritja njegovega velikega železnega jedra, podobnega drugim zemeljskim planetom Osončja.Galileoopazili tudi učinke velikega izbruha pri Pillan Patera , je potrdil sestavo vulkanskih izbruhov, razkril veliko število aktivnih vulkanov in več površinskih sprememb, ki so se zgodile medPotovatiinGalileomisije (in celo prejšnje orbite).
TheGalileomisija je bila dvakrat podaljšana – leta 1997 in še enkrat leta 2000 – v tem času je sonda pred letom 2002 letela mimo Ia skupno šestkrat. Opazovanja med temi srečanji so razkrila geološke procese, ki se dogajajo na vulkanih in gorah Ia, izključila prisotnost magnetno polje in pokazal obseg vulkanske aktivnosti.
Časovno zaporedje slik Io s čistim filtrom med mrkom 1. januarja 2001. Zasluge: NASA/JPL/USGS
Decembra 2000 je Cassini je imela vesoljska plovila oddaljeno in kratko srečanje s sistemom Jupiter na poti proti Saturnu, kar je omogočilo skupna opazovanja zGalileo. Ta opažanja so razkrila nov perjak pri Tvashtar Paterae in zagotovila vpogled v Iove aurore.
The Nova obzorja vesoljsko plovilo, medtem ko je na poti do Pluton in Cooperjev pas , ki je preletel Io 28. februarja 2007. Med srečanjem so bila opravljena številna oddaljena opazovanja Ia, ki so vključevala slike velikega perja na Tvashtarju, prva podrobna opazovanja največjega razreda jonskega vulkanskega perja, več novih perjanov in slike bližnjega vulkana Girru Patera to je bilo v zgodnjih fazah izbruha.
Trenutno sta načrtovani dve misiji za sistem Jupiter, ki vključuje NASA Juno sonda – ki se je izstrelila 5. avgusta 2011. V okviru svoje misije preučevanja izvora in razvoja Jupitra jeJunolahko spremlja Iojevo vulkansko aktivnost s pomočjo svojega bližnje infrardečega spektrometra (JIRAM).
ESA je načrtovana Jupiter Icy Moon Explorer Misija (JUICE) – ki je načrtovana za izstrelitev leta 2022 – ne bo letela mimo Ia, bo pa uporabljala svoje instrumente za spremljanje vulkanske aktivnosti Ia in merjenje njegove površinske sestave dve leti, preden se bo vstavila v Ganimedovo orbito.
Umetniški koncept JUICE, koncept ESA za orbitersko misijo Jupiter-lune. Zasluge: ESA
Io Opazovalec vulkanov (IVO) je bil eden od več predlogov, ki so bili narejeni kot del NASA Program Discovery trinajsta misija. Vendar ta misija ni bila izbrana med petih polfinalistov za obravnavo. Če bi bil izbran za misijo Discovery 13, bi se izstrelil leta 2021 in izvedel več preletov Io, medtem ko bi bil v orbiti okoli Jupitra, od leta 2026.
Io je verjetno ena najbolj fascinantnih in edinstvenih od vseh znanih lun. Poleg tega, da je četrta največja luna v Osončju, je tudi najgostejša od vseh znanih satelitov. Njena večbarvna površina je najbolj vulkansko aktivna v Osončju, vendar je tudi zelo mrzla in zmrzal. Višje v njegovi tanki atmosferi so razmere izjemno vroče zaradi prisotnosti naelektrene plazme, ki prav tako napaja Jupitrovo magnetosfero in ustvarja intenzivno količino električne energije.
Brez dvoma bodo prihodnje generacije raziskovalcev tja pošiljale svoje sonde, skušale odkleniti preostale skrivnosti Ia in morda celo iskale načine, kako izkoristiti njegovo inducirano magnetno polje. Vendar pa je s svojimi rednimi izbruhi, intenzivnim sevanjem in sovražno površino prava gotovost, da noben človek ne bokdajkolistopila tja.
Imamo veliko zanimivih člankov Io, Jupiter , in Galilejske lune tukaj na Universe Today. Ona je ena o svojem veliko aktivnih vulkanov , kako so ' na napačnem mestu «, prvi doslej geološki zemljevid , in njegovo vzdušje .
Za več informacij si oglejte NASA Raziskovanje sončnega sistema in Pogledi na Osončje .