Автор: Джефри Тейлор
Гавайский Институт Геофизики и Планетологии
Февраль 15, 2000
Луна Юпитера Ио самое вулканически активное тело Солнечной системы. Инструменты для наблюдений на аппарате Галилео и на телескопе на Гавайях обнаружили на удивление горячие потоки лавы на Ио, около 1200 oC и возможно 1300 oC, а в некоторых районах лава может быть горячее 1500 oC. Такая высокая температура предполагает, что потоки лавы, образованные из горных пород, получились в результате таяния мантии Ио.
Это подвигло меня и двух ученых из Аризонского Университета снова вернутся к старой гипотезе, которая подразумевает, что внутренние слои Ио - частично расплавленная смесь кристаллов и магмы. Эта идея, которая вышла из употребления, объясняет высокую температуру горячих пятен, гор, воронок, вулканических равнин на Ио. Если она справедлива, то Ио дает возможность исследовать процессы, которые, как верят ученые, были важными в ранний период истории Земли и Луны, и, возможно, в целом для планетарных объектов. Хотя это случится еще не скоро, но возможно будет доказано существование океана жидкой магмы под наружной коркой Ио при помощи оборудования на будущих космических аппаратах, отправленных к спутнику.
Суперактивные вулканы
В 1979 году, буквально за 2 месяца до того, как оба Вояджера пролетели рядом с Юпитером и их лунами, Стен Пеали, Пэт Кассен и Р.Т. Рейнольдс опубликовали статью в журнале "Science", предсказывающую вулканическую активность на Ио. Это смелое утверждение было сделано на основе анализа гравитационных сил Юпитера и его двух лун, Европы и Ганимеда, действующих на Ио. В результате этих сил, поверхность спутника поднимается и опускается примерно на 100 метров. Ученые доказали, что такая гибкость поверхности, создает высокую температуру внутри Ио, и возможно, делает внутренние слои расплавленными и, вероятно, является причиной распространения
вулканизма.
Должно быть Пеали, Кассен и Рейнольдс были в восторге, когда Вояджер сфотографировал множество вулканов на поверхности Ио. Наблюдения с "Вояджера 2" показали, что некоторые вулканы были все еще активны месяц спустя, а другие только начали извергаться. Без сомнений, Ио самое вулканически активное тело в Солнечной системе. Поверхность спутника постоянно покрыта свежей лавой. Обновление происходит настолько быстро, что на поверхности не обнаружено ни одного кратера, абсолютный контраст между другими скалистыми телами в Солнечной Системе.
Эффектное изображение, полученное с Галилео, показывающее беспорядочные извержения вулканов.
Изображение внизу показывает газообразные выбросы из вулканов Замама и Прометей. Выбросы высотой более 100 км в высоту. Прометей был активен в течение всего пролета Вояджера над Юпитером в 1979 году. Разрешение изображения составляет 10 км на 1 пиксель.
К тому же, лава на Ио извергается очень мощно. Внизу на изображении показана лава, поднимающаяся на 1,5 км вверх над длинным разломом на поверхности Ио. Горячая лава выглядит белой на верхней картинке, потому что лава была настолько горячей, что нарушила систему фотокамеры, и заставило электроны истекать в смежные части датчика.
На нижней фотографии показано, какая лава должна быть на самом деле. Самые горячие области показаны красным. Научная команда Галилео оценила температуру в области извержения в 1300 oC. На нижнем изображении также показано большой вулканический кратер, названный кальдера. Она имеет размер 290 на 100 км, больше любой кальдеры на Земле (самая большая кальдера на нашей планете имеет размер всего 8 на 5 км).
Твердый или расплавленный?
Пеали, Кассен и Рейнольдс были первыми, кто предположили, что Ио может быть в значительной степени расплавленный внутри. Вычисления показали, что гравитационный рывок так сильно наделяет энергией внутреннюю область Ио и заставляет ее оставаться расплавленной. Таким образом, они описали наличие океана магмы под тонкой вулканической коркой. Однако после нескольких исследований появились доводы против этой идеи. Первый аргумент такой, что океан магмы должен остыть очень быстро из-за стремительной внутренней конвекции и замерзнуть. Другой аргумент был такой, что горы на Ио (которых на спутнике очень много) разрушались бы до основания быстрее, чем образовались.
Из-за этих веских аргументов, большинство последних работ предполагают, что недры Ио полностью твердые. Но нельзя отвергать идею о частичной расплавленности Ио (возможно, до 40% расплава). Фактически, в 1985, М. Росс и Г. Шуберт предложили, что Ио имеет частично расплавленные внутренние слои.
Недавние наблюдения Ио вынудили ученых возродить идею жидкого океана внутри спутника. Самое поразительное наблюдение состоит в том, что большинство лавы очень горячее, около 1200 oC, а возможно даже больше 1300 oC. Самое простое объяснение такой большой температуры состоит в том, что лава богата железом и магнием, сильнее чем обычная лава, например, на Земле.
As planetary interiors melt, the amount of iron and magnesium in the melted portion increases as the amount of melting increases. A temperature as high as 1300 oC implies a high percentage of melting, up to 30% (depending on pressure).
Анализ природы света, отраженного от Ио может дать ключи к составу полезных ископаемых. Команда ученых Галилео предложила, чтобы цветные пятна на изображениях, полученные "Solid State Imager" указали на то, что лавы во всех действующих вулканах Ио похожи по составу и содержат существенные количества минерального пироксена в примеси с высоким количеством железа и магния. Кроме того, данные Галилео показывают, что распределение вулканов на Ио весьма однородно, указывая на глобальный источник магмы.
Мы предлагаем, что ниже его твердой корки (примерно 100 км толщиной) Ио состоит из липкого жидкого раствора расплавленной скалы и взвеси кристаллов. Это дает возможность избежать проблемы полностью расплавленного океана из магмы, который бы быстро охладился из-за конвекции жидкости.
Расплав не был бы полностью неподвижен, как бы то ни было. Конвекции было бы достаточно для того, чтобы недры (выше металлического ядра) были хорошо смешаны.
Наиболее расплавленные районы должны разрушить более низкую часть коры, частично расплавляя ее, тем самым, перемешивая слои мантии. Это предотвращает образование непостоянных горных формирований. Расплавленная мантия позволила бы перемещаться вверх и вниз большим блокам твердой коры, что предположил Пол Шенк из "Lunar and Planetary Institute".
Проверка идеи
Текущие наблюдения за Ио подтверждают гипотезу о расплавленном океане мантии, но они не доказывают наличие такого океана. К счастью, гипотезу можно проверить в будущем.
1. Определить является ли горячие богатые железом и магнием потоки лавы обычным делом на Ио. Если горячая магма редкость на, то наличие океана магмы необязательно. При помощи аппаратуры на Галилео можно было бы проанализировать минералы и состав поверхности Ио. Но, к сожалению, поверхность "загрязнена" выбросами газов серы, которые извергают большинство вулканов. Таким образом, минералогия лавы скрыта от нас. A very young, fresh, uncontaminated flow will be imaged soon, and this might provide more mineralogical information.
2. Более точная оценка плотности Ио позволит нам отличить полностью твердую мантия или частично расплавленную. Твердая мантия имеет плотность 3.330 гр/см3, в то время как частично расплавленная мантия имеет плотность 3.270 гр/см3. Однако, провести такие измерения очень сложно. Современные измеренные значения плотности мантии Ио лежат в пределах от 3.148 до 3.878 гр/см3. Хотя наиболее вероятное значение составляет 3.280 гр/см3, что ближе к расплавленному состоянию мантии.
3. Если бы Ио имел собственное магнитное поле, то это обстоятельство выступало бы в пользу полностью твердой природы магмы Ио, в то время как, его отсутствие говорит о расплавленном состоянии магмы. Магнитное поле генерируется внутри металлического ядра. Если на Ио есть океан магмы, то магма (над ядром) должна быть горячее, чем ядро. Тогда бы в ядре не было никаких движений вещества и , тогда, не было бы собственного магнитного поля. С другой стороны, если магма твердая, ядро было бы конвективным и порождало бы магнитное поле. Ранее попытки измерить собственное магнитное поле Ио не увенчались успехом из-за того, что космический аппарат находился в безопасном режиме работы, проходя мимо Ио.
Последние исследования показали, что на Ио нет собственного магнитного поля.
