| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Юпитер
| |||||
 Спутники |
|||||
Вулканизм Ио |
|
Гигант Юпитер
Планетарные характеристики Галилеевы спутники: Ио
Ио - спутник Юпитера, самый близкий к планете из четырёх галилеевых спутников. Диаметр Ио делает его четвёртым по величине спутником в Солнечной системе. Назван в честь мифологической Ио - жрицы Геры и возлюбленной Зевса. Ио сыграла значительную роль в развитии астрономии XVII-XVIII веков. Ее, вместе с другими галилеевыми спутниками, открыл Галилео Галилей в 1610 году. Это открытие способствовало принятию модели Солнечной системы Коперника, разработке законов движения планет Кеплера и первому измерению скорости света. Ио наблюдали только как яркую точку вплоть до конца XIX - начала XX века, когда стало возможным рассмотреть самые большие детали её поверхности - тёмно-красный полярный и светлый экваториальный районы. Названия галилеевым спутникам дал Симон Марий. В 1614 году вышла его публикация Mundus Iovialis anno M.DC.IX Detectus Ope Perspicilli Belgici, в которой он предложил названия для ближайших спутников Юпитера, включая «Меркурий Юпитерианский» или первую из «Юпитерианских планет». Он поддержал предложение Иоганна Кеплера, сделанное в 1613 году, - называть спутники этой планеты в честь возлюбленных Зевса или его римского эквивалента. Крупнейшую из внутренних лун - Ио - он назвал в честь Ио из греческой мифологии. Потом названия, предложенные Марием, были забыты и вышли из употребления вплоть до середины 20-го столетия. В более ранней литературе Ио именуется по планетной принадлежности с добавлением римской цифры, например, «Юпитер I», или просто «первая луна Юпитера». Детали рельефа Ио именуются в честь персонажей и местностей из мифа об Ио, в честь божеств огня, вулканов, Солнца и грозы из различных мифов, а также в честь персонажей и мест из Ада Данте, подходящих для поверхности вулканической природы. С тех пор как поверхность Ио была достаточно подробно изучена «Вояджером-1», названия получили 225 вулканов, гор, плато и областей с высоким альбедо. Наименованные детали рельефа относятся к таким типам: - патера (лат. patera) - вулканический кратер неправильной формы, - поток (fluctus) - лавовый поток, - долина (vallis) - лавовый канал, - эруптивный центр - местность, где заметны первые признаки извержения, - гора (mons), - столовая гора (mensa), - купол (tholus), - плато (planum), - область (regio). Диаметр спутника 3640 км (несколько больше Луны - 3474 км), средняя плотность - 3,5 г/см3, масса - 8,93*1022 кг (на 20% больше массы Луны). Ио совершает один оборот вокруг Юпитера за 1,77 земных суток, для спутника характерно синхронное вращение: Ио всегда повернута к Юпитеру одним и тем же полушарием. Большая полуось орбиты Ио составляет 422 тыс. км. С учетом огромного радиуса Юпитера Ио движется над верхней кромкой облаков планеты на высоте примерно 350 тыс. км, что несколько меньше расстояния от Земли до Луны (384 тыс. км).
Вулканизм Ио
Рельеф Ио в основном равнинный, но имеются отдельные высокие вершины. Например, у южного полюса спутника находится гора Хемус высотой 10 км и с основанием 150x80 км. Поверхность спутника имеет желто-оранжевый цвет, что объясняется большим количеством сернистых соединений в грунте. Предполагается, что толщина отложений серы, сернистого газа (в виде инея) и других материалов может достигать 20 км. Эти особенности связаны с мощной вулканической деятельностью Ио. Здесь обнаружено более 400 вулканов разных размеров, в том числе интенсивно извергающихся. По поверхности спутника растекаются потоки лавы, кроме того, мощные выбросы вулканических газов достигают высот 300...500 км. АМС «Галилео», находившаяся на орбите искусственного спутника Юпитера, прошла сквозь газовый султан вулкана Тор. В составе выброса были обнаружены микроскопические хлопья, состоящие из 15...20 молекул оксида серы SO2. Этот материал выбрасывается в открытый космос (атмосферы у Ио в земном понимании нет) со скоростью около 1 км/с. Крупнейшим из вулканов Ио является Пеле, названный в честь гавайской богини вулканов. Вулканические выбросы Пеле покрывают гигантскую территорию площадью более 1 млн кв. км. В центре комплекса Пеле расположены горные массивы. Несмотря на то, что на поверхности удаленной от Солнца и лишенной атмосферы Ио типичная температура -130°С...-140°С, обнаружены горячие области с температурами около 0°С, +100°С и даже более +300°С. Всего таких областей более 10, они занимают около 2% поверхности спутника. Вулканы Ио можно разделить на несколько типов. Первая группа вулканов отличается температурой +80...+130°С и скоростью выброса газовых продуктов около 500 м/с. Высота выбросов достигает 100 км (выпадающий материал - белесого цвета). Таких на Ио большинство. Вторая группа вулканов отличается очень высокой температурой кальдеры (котлообразные впадины с плоским дном, иногда заполненные жидкой лавой), высокой скоростью выброса (1 км/с) и высотой султанов до 300 км и более. Так, обнаружены лавовые озера с температурой более 1000°С). Их типичная особенность - темная кольцевая «окантовка» в нескольких сотнях километров от кальдер. Сюда относятся вулканы Пеле, Сурт и Атен. Общее количество вулканических кальдер – несколько десятков, большинство из них – с застывшей лавой.
Один из наиболее интересных объектов на Ио - так называемая патера Локи (названная в честь скандинавского бога огня). Патера Локи представляет собой круглое темное озеро из жидкой серы диаметром около 250 км. В центре находится некий светлый объект, который интерпретируется как плавающий «айсберг» из твердой серы. В 300 км к северу виден разлом длиной около 200 км с таким же темным дном, имеющий такой же «айсберг». С обеих сторон разлома в небо бьют на высоту до 250 км два белых газовых выброса. Один вулкан Локи превышает по мощности все вместе взятые вулканы на Земле.
Внимание исследователей привлекает и вулкан Прометей, который извергается непрерывно уже по крайней мере 20 лет. Активный лавовый поток протяженностью в 500 км изливается из жерла вулкана, названного по имени Амирани - грузинского аналога титана Прометея, подарившего людям огонь.
Активный вулканизм Ио стремительно меняет ландшафты спутника. За время, прошедшее между съемками спутника с аппаратов «Вояджер» и аппарата «Галилео», карта Ио разительно изменилась: появились новые вулканические объекты, изменилась форма лавовых потоков. Вулканизм также придаёт поверхности Ио уникальные особенности. Вулканический пепел и потоки лавы постоянно изменяют поверхность и окрашивают её в различные оттенки жёлтого, белого, красного, чёрного и зелёного (во многом благодаря аллотропам и соединениям серы). Потоки лавы на Ио достигают длины 500 километров. Вулканические выбросы создают тонкую неоднородную «атмосферу» Ио и потоки плазмы в магнитосфере Юпитера, в том числе огромный плазменный тор вокруг него.
На Ио не обнаружены метеоритные кратеры, что позволяет сделать выводы, что поверхность спутника очень молода - самым старым объектам не более 1 млн лет. Разогрев недр Ио
Причины мощной вулканической активности Ио состоят в следующем. Разогрев недр спутника вызывается мощными приливными воздействиями со стороны гигантской массы близко находящегося Юпитера, соседнего спутника - Европы, и отчасти Ганимеда. Такой разогрев зависит от расстояния между Ио и Юпитером, эксцентриситета её орбиты, состава и физических характеристик её недр. Рассмотрим это воздействие подробнее. Во-первых, Ио, как указано выше, всегда повернута одной и той же стороной к Юпитеру. С этой и с противоположной стороны на спутнике сформировались приливные выступы высотой в несколько километров, вытянувшие фигуру спутника вдоль линии, направленной к центру Юпитера. Орбита Ио немного отличается от окружности. Движение по слабо вытянутому эллипсу приводит, по второму закону Кеплера, к ускорению и замедлению движения на разных участках орбиты, в результате возникают либрации - своеобразные «покачивания» относительно среднего положения. Когда приливной выступ отклоняется от прямой, соединяющей центры масс Юпитера и Ио, в теле Ио возникает напряжение. Кора Ио деформируется, оценки показывают, что поверхность спутника может прогибаться на 100-500 м (в отличие от нескольких десятков сантиметров в теле Земли за счет лунных приливов).
Во-вторых, на состояние Ио оказывают влияние Европа и в определенной степени Ганимед. Периоды обращения Ио, Европы и Ганимеда находятся в резонансе: 1,77; 3,55 и 7,15 суток и относятся как 1:2:4 - один оборот Ганимеда равен двум оборотам Европы и четырем оборотам Ио. Как только Ио сближается с Европой, а затем с Ганимедом, гравитационное влияние Европы искажает орбиту Ио и поддерживает эксцентриситет. Орбитальный резонанс поддерживает и текущий радиус орбиты Ио (иначе приливы на Юпитере заставляли бы Ио медленно удаляться от него). В итоге Ио дважды за оборот вокруг Юпитера меняет параметры орбиты, смещаясь радиально вверх и вниз по отношению к Юпитеру почти на 10 км. Это влияние увеличивает отличие орбиты от окружности, а значит, усиливает вариации скорости движения Ио вокруг Юпитера и, как следствие, амплитуду либраций. Приливный разогрев даёт примерно в 200 раз больше тепла, чем радиоактивный распад. Модели орбиты Ио показывают, что мощность приливного разогрева недр Ио изменяется со временем, и текущий тепловой поток не репрезентативен для долгосрочной перспективы. Тор Ио
За счет результирующих мощных деформаций литосфера Ио изгибается под воздействием приливных сил и нагревается, подобно тому, как нагревается изгибаемая проволока. В недрах Ио выделяется огромная энергия (до 10й, или 100 трлн Вт), расплавляющая вещество спутника. Согласно некоторым моделям уже на глубине 20...30 км под поверхностью все недра спутника расплавлены. Мощность, рассеиваемая в приливных взаимодействиях, оценивается примерно в 2 Вт/м2, что в 30 раз превышает поток тепла, который выделяется через поверхность Земли. Источником энергии, которая выделяется в недрах спутников в результате приливных деформаций, служит вращение Юпитера. Выбросы в космос огромного количества вещества вулканами Ио приводят к образованию на ее орбите гигантского облака из водорода, паров серы, натрия и других элементов. Облако имеет форму бублика (тора), охватывающего орбиту Ио. Вулканы Ио непрерывно поставляют в тор огромное количество вещества – по некоторым оценкам, до 2...3 тонны вещества в секунду. Ио обладает собственной ионосферой - оболочкой из заряженных частиц. Двигаясь внутри магнитосферы Юпитера, ионосфера Ио осуществляет своеобразную сортировку частиц с разными электрическим зарядами, когда отрицательные заряды смещаются в одну сторону, положительные - в другую. Возникает разность потенциалов в 400 кВ. Когда Ио попадает в определенные положения на своей орбите, а точнее пересекает линии магнитного поля, возникает электрический разряд между Юпитером и Ио, причем сила тока (определяемого потоком заряженных частиц) достигает нескольких миллионов ампер. Ионосфера Юпитера перенаправляет поток частиц обратно к Ио, электрический контур замыкается. Этот грандиозный электрический генератор вызывает всплеск радиоизлучения в дециметровом диапазоне. Мощность этой энергосистемы Юпитер-Ио в 20 раз превышает суммарную мощность всех земных электростанций всех типов. Существует гипотеза, согласно которой электромагнитные силы могут вносить вклад в нагрев недр Ио: движение спутника в неоднородном магнитном поле Юпитера должно порождать электрические токи внутри Ио, нагревающие глубинные слои этого небесного тела. Ио играет важную роль в формировании магнитного поля Юпитера. Магнитосфера Юпитера вбирает в себя газы и пыль из тонкой атмосферы Ио со скоростью 1 тонна в секунду. Эта материя в основном состоит из ионизированной и нейтральной серы, кислорода и хлора; атомарного натрия и калия; молекулярного диоксида серы и серы; а также пыли хлорида натрия. Они выбрасываются вулканами Ио, попадают в её атмосферу, а далее - в магнитосферу Юпитера и, иногда, в межпланетное пространство. Вся эта материя, в зависимости от её состава и степени ионизации, оказывается в различных нейтральных облаках и радиационных поясах юпитерианской магнитосферы, а иногда и покидает пределы системы Юпитера. Ио окружает атомарное облако из серы, кислорода, натрия и калия. Оно тянется до расстояния от её поверхности, равного примерно шести её радиусам. Эти частицы приходят из верхних слоёв атмосферы спутника. Они возбуждаются из-за столкновений с частицами плазменного тора и других процессов в сфере Хилла Ио, где её сила тяжести преобладает над юпитерианской. Часть всей этой материи покидает атмосферу и выходит на орбиту вокруг Юпитера. В течение 20 часов эти частицы покидают сферу Хилла Ио и формируют бананообразное нейтральное облако, которое может распространятся на расстояние до 6 юпитерианских радиусов от Ио - или внутри орбиты Ио и перед спутником, или вне орбиты Ио и позади спутника. Столкновения, которые возбуждают частицы, также иногда снабжают электронами ионы натрия в плазменном торе, и образовавшиеся нейтральные атомы вылетают из тора. Однако эти частицы всё ещё сохраняют свою скорость в 70 км/с (тогда как орбитальная скорость Ио - 17 км/с) и формируют струи вещества позади Ио.
Тор Ио - это пончикообразное кольцо ионизированной серы, кислорода, натрия и хлора. Плазма в нём образуется из нейтральных атомов «облака», окружающего Ио, которые ионизируются и увлекаются магнитосферой Юпитера. В отличие от частиц нейтрального облака, эти частицы обращаются вокруг Юпитера совместно с его магнитосферой на скорости 74 км/с. Как и остальная часть магнитосферы Юпитера, плазменный тор наклонён к экватору Юпитера (и к орбитальной плоскости Ио). Это означает, что Ио находится то выше, то ниже ядра тора. Как было отмечено выше, более высокая скорость и энергия этих ионов частично ответственны за утечку нейтральных атомов и молекул из атмосферы Ио и протяжённого нейтрального облака. Тор состоит из трёх частей: внешнего «тёплого» тора, который располагается сразу за орбитой Ио; вертикально-широкого региона, известного как «лента» и состоящего из нейтральной области-источника, а также охлаждённой плазмы, расположенной в районе орбиты Ио; а также внутренней части, «холодного» тора, состоящего из частиц, которые медленно по спирали двигаются к Юпитеру. После примерно 40-дневного пребывания в «тёплом торе» частицы его покидают. Частично они ответственны за необычайно большую магнитосферу Юпитера. Частицы с Ио были обнаружены датчиками КА «Новые Горизонты» по вариациям магнитосферной плазмы очень далеко от спутника (в хвосте магнитосферы). Чтобы изучать подобные изменения внутри плазменного тора, исследователи измеряют его ультрафиолетовое излучение. Пока такие перемены не были окончательно увязаны с переменами в вулканической активности Ио (основного источника материи в плазменном торе), считается, что их причиной служит нейтральное облако натрия. Приближаясь к Юпитеру в 1992 году, КА «Улисс» зафиксировал поток пылевидных частиц, направленный из системы Юпитера. Пыль в этих потоках удаляется от Юпитера на скоростях в несколько сот километров в секунду, имеет размер около 10 μm и состоит в основном из хлорида натрия. Исследования пыли, проведённые «Галилео», выявили, что пылевые потоки происходят с поверхности Ио, но точный механизм их формирования неизвестен: они могут быть результатом вулканической активности или столкновений с поверхностью Ио. Линии магнитного поля Юпитера, которые пересекают Ио, соединяют атмосферу Ио и нейтральное облако с верхними слоями полярной атмосферы Юпитера электрическим током, известным как потоковая трубка Ио. Этот ток служит причиной полярных сияний в юпитерианской атмосфере, которые именуются «следом Ио», а также сияний в атмосфере Ио. Частицы, идущие по этой трубке, делают полярные области Юпитера тёмными в видимом свете. Местоположение Ио и её «следа» в атмосфере Юпитера относительно Земли и Юпитера сильно влияет на интенсивность наблюдаемого радиоизлучения Юпитера: она сильно увеличивается, когда Ио в зоне видимости. Линии юпитерианского магнитного поля, проходящие сквозь ионосферу Ио, генерируют электрические токи, которые создают магнитное поле в недрах Ио. Считается, что индуцированное магнитное поле Ио генерируется в частично расплавленной силикатной магме в 50 километрах под поверхностью спутника. Схожие индуцированные магнитные поля «Галилео» обнаружил и на остальных галилеевых спутниках, где они генерируются предположительно подповерхностными водными океанами. Материал:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|