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木卫一

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木卫一
伽利略号于1999年七月所拍摄到木卫一的真实色彩影像,可见表面满布活跃的火山。
发现
发现者伽利略·伽利莱
西门·马里乌斯
发现日期1610年1月8日[1]
编号
其它名称艾奥
轨道参数
近心点420,000 km (0.002 807 AU)
远心点423,400 km (0.002 830 AU)
二次轨道半径421,700 km (0.002 819 AU)
离心率0.0041
轨道周期1.769 137 786 d (152 853.504 7 s, 42 h)
平均轨道速度17.334 km/s
轨道倾角2.21° (对黄道
0.05°(对木星的赤道)
隶属天体木星
物理特征
大小3,660.0 × 3,637.4 × 3,630.6 km[2]
平均半径1,821.3 km (0.286地球)[2]
表面积41,910,000 km2 (0.082地球)
体积2.53×1010 km3 (0.023地球)
质量8.9319×1022 kg (0.015地球)
平均密度3.528 g/cm3
表面重力1.796 m/s2 (0.183 g)
2.558 km/s
自转周期同步
赤道自转速度271 km/h
反照率0.63 ± 0.02[3]
表面温度 最低 平均 最高
表面 130 K 200 K
视星等5.02 ()[4]
大气特征
表面气压微量
成分90% 二氧化硫

木卫一也称为“艾奥”或“伊俄”(发音为/ˈaɪ.oʊ/,[5] 或是希腊 Ἰώ),是木星的四颗伽利略卫星中最靠近木星的一颗卫星直径为3,642公里,是太阳系第四大卫星。名字来自众神之王宙斯的恋人之一:艾奥,祂是希拉的女祭司。

艾奥有400座的活火山,是太阳系中地质活动最活跃的天体[6][7]。极端的地质活动是因为艾奥内部受到木星的牵引,造成潮汐摩擦产生的潮汐热化所导致的结果。有些火山造成的硫磺二氧化硫可以攀升到500公里(310英里)的高度。艾奥表面也有超过100座的山峰,是在硅酸盐的地基上广泛的压缩和抬升,产生许多斑点,其中有些山峰比地球上的珠穆朗玛峰还要高[8]。不同于大多数外太阳系的卫星(它们都有厚实的冰层包覆着),艾奥有着铁或硫化铁的熔融核心和以硅酸盐为主的岩石层。艾奥表面大部分的平原都被硫磺和二氧化硫的霜覆盖着。

艾奥的火山活动建构了其许多表面的特征。其火山和熔岩流使广大的表面产生各种变化并且造成各种不同的颜色采绘,有红、黄、白、黑、和绿色,主要肇因于硫化物。为数众多的广阔熔岩流,有些长度达到500公里,也是表面的特征。这些火山活动的过程提升了视觉对比,让艾奥的表面好像是一个披萨。这些火山作用为艾奥稀薄的大气提供了补凑的材料,也为木星巨大的磁层供应了材料。

艾奥在17和18世纪的天文学中扮演了一个重要的角色,它在1610年与其他的伽利略卫星一起被伽利略发现。这个发现促成了太阳系的哥白尼模型被接受,约翰·开普勒发展出了行星运动定律,和奥勒·罗默首先测定光速。从地球来看,在19世纪后期和20世纪初,艾奥只是一个光点,直到我们有能力解释它表面大规模的特征,例如暗红色的极区和明亮的赤道地区。在1979年,两艘旅行者航天器揭露艾奥是一个地质活跃的世界,有许多火山活动的特征,大山和年轻的表面,没有明显的撞击坑伽利略号在1990年和2000年的早期多次执行接近和飞掠过艾奥的任务,得到了艾奥内部结构和表面组成的数据资料。这些航天器也揭露了卫星和木星的磁层之间的关系,和在艾奥围绕的轨道上存在着辐射传送带,即伊俄环。在2007年的前几个月,新视野号在前往冥王星的旅程中,于飞掠过艾奥时继续进行探测。

命名

木卫一与地球和月球的比较
木卫一与地球和月球的比较

当初西门·马里乌斯Simon Marius)并不期望自己也是伽利略卫星的独立发现者,所以西门·马里乌斯把这些卫星留名。他于1614年出版《西门·马里乌斯的木星世界》,他在书中将木星最内侧的大卫星以希腊神话艾奥来命名,她是众神之王宙斯(在罗马神话中称为朱比特)众多的恋人之一[9]西门·马里乌斯的命名早期并未受到各界的认同与采用,一直到20世纪中叶才逐渐普遍使用。在早期绝大多数的天文文献中,艾奥都被简单的以罗马数字标示为“Jupiter I[10](这是伽利略建议的命名系统),或是称为“木星的第一颗卫星”[11][12]。最常用的名称则是形容词型式的名称:爱奥尼亚。

艾奥上的地型特征和地点都使用与艾奥、火山太阳雷神等各种相关神话故事,其特征和地名都来自但丁地狱,名字都适当的对应地表火山的本质[13]。由于这些表面都是旅行者1号首度看见,国际天文联合会批准了225个对于艾奥的火山、山脉、高原、和高反照率地形的名字。这些核定使用艾奥的名称包括 patera:有沉积物的火山mons:山mensa:顶部平坦,周围陡峭的突出地planum:高原tholus:小山或丘(各种不同型态的山,以型态的特征如大小、形状、和高度等使用的项目),fluctus:熔岩流vallis:峡谷(熔岩渠道)regio:广阔的高反照地形,和active eruptive center:先被流束活动标示的特殊火山活动的地点[13]。这些特殊地形名称的例子有普罗米修斯火山、潘平顶山、特瓦史塔火山口和Tsui熔岩流[14]

观测的历史

艾奥卫星的发现者伽利略。
艾奥卫星的发现者伽利略

艾奥的第一份观测报告是伽利略在1610年1月7日提出的。艾奥和木星其它伽利略卫星的发现被发表在伽利略于的1610年3月出版的星界报告[15]。西门马里乌斯于1614出版的马里乌斯木星报中声称,他于1609年就发现了艾奥和木星的其它卫星,比伽利略早了一个星期。伽利略质疑这个声明,并且反驳马里乌斯剽窃、抄袭他的成就。因为伽利略在马里乌斯之前就发布了他的发现,而且相信马里乌斯也知道这件事。

在后来的两个半世纪,艾奥仍未被解析过,在天文学家的望远镜中仍然只是一个亮度5等的光点。在17世纪,艾奥和其他的伽利略卫星为各种各样的目的服务,像是协助船员们进行经度的测量[16],验证开普勒的行星运动第三定律,和测量光线在旅行在木星和地球之间的时间[15]。以卡西尼等人建立的星历表为基础,拉普拉斯创造了一种数学的理论来解释艾奥、欧罗巴、和盖尼米德的轨道共振[15]。这种共振在日后发现对这三颗卫星的地质有深远的影响。

望远镜技术的改进,使19世纪末20世纪初的天文学家有能力在解析(能看得见)出在艾奥上大区域的表面特点。在1890年代,巴纳德首先观察到艾奥的赤道和极区之间在光度上的变化,正确的测量出这两个地区的光度变化是来自颜色和反照率的不同,而不是因为艾奥呈现卵型,一如威廉·皮克林和他的同伴所主张的,而不是巴纳德最初所主张的是两个不同的天体[11][17][12]。之后的望远镜观测证实了艾奥很明确的在极区是红棕色的,而赤道带是黄白色的[18]

在20世纪中期的望远镜观测开始注意到艾奥异常的本质。分光镜的观测暗示艾奥的表面没有水冰(在其它的伽利略卫星上被发现含量丰富的物质)[19];同样的观测亦表面主要的成分是盐和硫磺[20]。电波望远镜的观测揭露了艾奥对木星的磁层有所影响,如被观察到的十米的波长爆发与艾奥的轨道周期有关[21]

先驱者号

通过艾奥附近的第一艘航天器是先驱者10号先驱者11号这一对孪生的航天器,分别在1973年12月3日和1974年12月2日[22]以无线电追踪提供了艾奥质量的改善估计值、与艾奥尺寸的最佳值。认为艾奥是四颗伽利略卫星中密度最高的,主要是由硅酸盐的岩石组成,而不是水冰组成的[23]。先驱者号也揭露艾奥有稀薄的大气层,轨道附近有强烈的辐射传送带。先驱者11号的照相机获得的唯一一张好的照片,显示了艾奥的北极地区[24]。先驱者10号原先计划在近距离的接近艾奥时拍摄照片,但是这项观测因为高辐射的环境而失败了[22]

旅行者号

旅行者1号拍摄的包涵盖艾奥南极区的马赛克图
旅行者1号拍摄的包涵盖艾奥南极区的马赛克图

当另一对航天器旅行者1号旅行者2号在1979年掠过艾奥,它们更为先进的影像系统可以获得更好的影像。旅行者1号在1979年3月5日从20,600公里飞掠过这颗卫星[25],它传回在接近的影像显露很奇怪、多彩多姿却没有撞击坑的[26]。分辨率最高的影像显示出相对年轻的表面点缀著其形怪状的凹坑,山比艾佛勒斯峰还要高,还有类似熔岩流的特征。

在短暂的邂逅之后,旅行者工程师琳达·蒙娜碧朵注意到在一张影像中有一个流束从表面放射出来[27]。分析旅行者1号拍摄的其他影像后,总共找到9张有这种流束的照片,证实了艾奥有活跃的火山活动[28]。在旅行者1号邂逅艾奥之前不久,Stan Peale、Patrick Cassen、和R. T. Reynolds曾发表了一篇论文,作者计算出因为欧罗巴盖尼米德的轨道共振,艾奥的内部会有巨大的潮汐热化(详细的过程与解释请参见潮汐热的章节)[29]。来自这次飞掠的数据显示艾奥的表面由硫磺和二氧化硫霜控制着。这些成分也掌控著稀薄的大气层和围绕着艾奥轨道的等离子体环(也是旅行者发现的)[30][31][32]

旅行者2号在1979年7月9日以1,130,000公里(702,150英里)的距离掠过,虽然他没有旅行者1号那么接近,比较这两艘航天器的影像显示出在这五个月内表面有一些地区发生了变化。另一方面,旅行者2号在离开木星的系统时观察到艾奥呈现月牙型,并显示出在3月观测到的9个流束中的8个依然活跃着,只有裴蕾火山已经熄灭了。[33]

伽利略号

伽利略号与艾奥的邂逅
日期 距离(公里)
1995年12月7日 897
1996年11月4日 244,000
1998年3月29日 252,000
1999年6月30日 127,000
1999年10月11日 611
1999年11月26日 301
2000年2月22日 198
2001年8月6日 194
2001年10月16日 184
2002年1月17日 102
2002年11月7日 45,800

伽利略号航天器从地球出发后经历了6年的航程,于1995年抵达木星,依循旅行者航天器的发现和地基天文台多年的观测,继续后续的观测。艾奥的位置在木星最强烈的一条辐射带之内,阻碍了近距离长时间飞掠的观测,但是伽利略主要的任务就是研究伽利略卫星,在最初两年的任务中轨道将进入并密切的经过这些卫星。在1995年12月7日飞掠过时虽然没有获得影像,但还是有重大的结果,例如发现类似于太阳系内侧的岩石行星的巨大铁核[34]

在伽利略的主要任务期间,尽管缺乏近距离特写的镜头和机械上的问题,还是传回来了许多的资料,并且有一些重大的发现。伽利略号观测到了Pillan火山的主要爆发,并且证实火山爆发由硅酸盐的岩浆和富含镁的铁镁质和超铁镁质成分与硫磺和二氧化硫组成,类似于地球上的水和二氧化碳所扮演的角色[35]。在任务的主要期间,几乎每一条轨道都获得了艾奥远距离的影像,显露很大数量的火山活动(来自表面和火山流束两者的岩浆冷却时都散发出辐射热),众多的山和广泛的型态学上的变化,还有在旅行者和伽利略的年代之间,以及伽利略不同的轨道期间,在表面发生的变化[36]

伽利略号的任务在1997和2000年两度的延展,在这些延长任务的期间,航天器在1999年末至2000年初,三度飞越艾奥;在2001年末至2002年初又再三度飞越。在这些遭遇时间的观察透露了艾奥的火山和山的地质过程,排除了磁场的出现,并且证实了火山运动的程度[36]。在2000年的12月,卡西尼航天器在前往土星的路程上与木星系统有过短暂的邂逅,与伽利略号联合一起观测。这次的观测在特瓦史塔火山口发现了一个新的流束和证实观察到了艾奥的极光[37]

后续的观测

在伽利略号和新视野号相隔八年观察到的表面特征变化
在伽利略号和新视野号相隔八年观察到的表面特征变化

伽利略号之后的2003年9月,火热的困境出现在木星的大气层,地基的望远镜观测到艾奥有新的火山活动。特别是,来自夏威夷凯克望远镜自适应光学所获取的影像,和哈勃空间望远镜允许天文学家监测艾奥的火山活动[38][39]。这些影像使得科学家不需要用到航天器就能监测艾奥的火山活动。

前往冥王星柯伊伯带的航天器新视野号在2007年2月28日在路途中接近木星和艾奥。在接近木卫一期间,它获得许多艾奥的远距离观测资料,包括特瓦史塔火山口的巨大流束,证实了是自从1979年在艾奥观测到裴蕾火山的第一个流束以来最大的[40]新视野号也捕捉到Girru Patera在接近与进入早期喷发前的影样,还有一些在伽利略号就已经观察到喷发的火山[40]

目前有两个探测木星系统的计划即将执行。朱诺号航天器在2011年发射,影像的能力虽然受到限制,但它可以使用近红外线分光仪(JIRAM)提供艾奥的火山活动。欧罗巴木星系统任务EJSM)是NASAESA合作的计划,它已在2009年2月获得核准,但发射的预定日期在2020年,将使用二艘航天器研究艾奥:NASA的木星欧罗巴轨道者和ESA的木星盖尼米德轨道者[41]。因为这两艘航天器的主要任务是研究木星的冰卫星,所以对艾奥的观察几乎都是在比较远的距离上,木星欧罗巴轨道者在进入环绕欧罗巴的轨道之前,在2025年和2026年之间将四度接近与飞掠过艾奥,但是ESA的贡献仍将面对ESA其他项目在经费上的竞争[42]。除了NASA已经批准的这两个计划之外,还有几个与艾奥相关的计划被提出。一个称为艾奥火山观测者的计划将在2015年发射,它设定为发现级的任务,并将多次飞越艾奥,但这个计划目前仍在概念研究的阶段[43]

轨道和自转

艾奥以距离木星中心421,700 公里(262,000 英里)的距离,也就是距离云层顶端350,000 公里(217,000 英里)的轨道绕行木星。它是木星的伽利略卫星中最内层的一颗,介于忒拜欧罗巴之间。包括木星内侧的卫星,艾奥是从木星内侧算起的第五颗的卫星,它以42.5小时的周期绕行一周(快到足以在一个晚上就观测出它的运动)。艾奥的平均轨道周期与欧罗巴有2:1的轨道共振,和盖尼米德有4:1的轨道共振,即艾奥每绕行木星二周,欧罗巴即绕行一周;而艾奥每绕行四周,盖尼米德绕行一周。这种共振协助艾奥维持轨道离心率(0.0041),并反过来为艾奥的地质活动提供主要的热源(参见潮汐加热的章节对过程有更详细的说明)[29]。没有这强制的离心力,艾奥的轨道经由潮汐散逸,很快的就会圆化,成为一个在地质上较不活跃的世界。

像木星的其他伽利略卫星和地球的月球一样,艾奥的自转是潮汐锁定成和公转周期一致的,使它永远以同一面朝向木星。它的锁定状态也为艾奥的经度系统提供了定义的基准。艾奥的本初子午线交会于南北极并且通过赤道上的木下点;总是对着木星的这个半球称为向木半球(subjovian hemisphere),同时永远背离木星的半球称为背木半球(antijovian hemisphere)。艾奥总是朝向木星的半球在轨道上的移动被称为前导半球,而永远在相反方向上的半球被称为尾随半球[44]

与木星磁层的相互作用

木星磁层的概要图与被艾奥影响的成分(靠近影像的中心):等离子体环(红色),中性云(黄色),通量管(绿色)和磁场线(蓝色)[45]。
木星磁层的概要图与被艾奥影响的成分(靠近影像的中心):等离子体环(红色),中性云(黄色),通量管(绿色)和磁场线(蓝色)[45]

艾奥在木星磁场的塑造中扮演着重要的角色,木星的磁气层以每秒1 公吨的速率扫掠掉艾奥稀薄大气层中的气体和尘埃[46]。这些材料的主要成分是离子化和原子状态的硫磺、氧气和氯、原子的钠和钾、分子的二氧化硫和硫磺,还有氯化钠的尘土[46][47]。这些材料的来源是艾奥的火山作用,但直接从艾奥的大气层中逃逸到木星的磁气层和太空中。这些材料依据他们被电离的状态和构成,最后会在木星磁气层内的辐射带形成各式各样中性(非离子)的云彩,并在某些情况下,最后会被抛出木星的系统。

围绕着艾奥(到距离艾奥表面6倍半径之处)的是中性硫、氧、钠和钾原子的云。这些微粒起源于艾奥大气层的上部,但是遭受到等离子体中的离子碰撞和其它的过程(后面再研究)激发而进入希尔球,这是艾奥的重力凌驾木星之上的区域;但有一些物质会逃逸出艾奥的引力并且进入环绕木星的轨道。大约超过20小时的周期,这些微粒将会从艾奥延伸形成香蕉的形状,无论是在艾奥的轨道内侧伸展至前方,或是在轨道外侧落后在艾奥的后方,中性云将从艾奥延伸远达6倍木星半径之处[46]。使微粒被激发的碰撞过程偶尔也会在等离子体环内提供钠离子与电子,使那些中性的物质更快速的离开等离子体环。但是这些微粒仍然保持它们原有的速度(70公里/秒,相较于艾奥的轨道速度只有17公里/秒),导致这些微粒像喷射一样的率先从艾奥喷出[48]

艾奥的轨道在被称为艾奥等离子体环的强烈辐射带内。在这个环形甜甜圈形状的等离子体环中是发源于环绕着艾奥的中性原子云,但被木星的磁气层游离并被运载着的硫磺、氧、钠和氯[46]。不同于中性云中的微粒,这些微粒与木星的磁气层,以74公里/秒的速度绕着木星一起运转(公转)。像木星其余的磁场一样,等离子体环对木星的赤道也有些许的倾斜(对艾奥的轨道平面亦同),这意味着艾奥有时在等离子体环的上方,而有时又在等离子体环的下方。如上所述,这些离子有较高的速度和能量会将艾奥大气层中不带电的原子和分子移除,使中性云扩张。环由三个部分组成:外环,是温环,驻留在艾奥的轨道之外;一个垂直延伸的区域称为丝带,由中性粒子区域和冷却中的等离子体组成,位置在艾奥到木星的距离环绕着;和内环,称为冷环,由缓慢的朝向木星盘旋而去的微粒组成[46]。大约平均在环内逗留40天,微粒会从温环逃逸并造成广大的木星磁层异常,它们向外的压力使它从内向外膨胀[49]。来自艾奥的微粒,被侦测到会随着磁层内的等离子体变化,并被新视野号侦测到进入了长长的磁层尾内。研究人员采用它散发的紫外线波长,研究在等离子体环内相似的变化。但是这些变化未能与艾奥的火山活动明确的联结在一起(最后成为等离子体环内材料的来源),而这种连结对中性钠的云很容易就建立起来[50]

尤里西斯号航天器在1992年与木星邂逅时,侦测到来自木星系统的尘埃流 [51]。这些尘埃粒子流显然是不同的,平均的大小是10 μm,并且主要成分的是氯化钠,以每秒数百公里的速度离开木星[52][47]。由伽利略号对尘粒的测量,显示这些尘粒流起源于艾奥,但是确实的形成机制如何,是来自艾奥的火山活动,还是来自表面被移除的物质,迄今仍不清楚[53]

木星的磁场线,被艾奥横越,但经由艾奥孳生电流磁流管将艾奥与木星极区的上层大气联系在一起[46]。这股电流在木星极区的大气层上引发被称为艾奥足印的灿烂极光,微粒与极光的相互作用在黑暗的木星极区中发出可见光。艾奥和它在极光中的足印在相对于木星和地球之间的有利位置时,会对木星的无线电辐射造成巨大的影响:当艾奥在可以被看见的位置时,来自木星的无线电辐射有可观的增加[46][21]。计划在下一个十年执行的朱诺任务,应该能帮助弄清楚这些过程。

结构

艾奥比地球的卫星月球略大一些,它的平均半径是1,821.3 公里(比月球大约5%),质量是8.9319×1022 公斤(大约比月球多21%)。它的形状略为椭球,而它最长的轴是指向木星的。在伽利略卫星中,艾奥的质量和体积都比盖尼米德卡里斯托小,但比欧罗巴大。

内部

艾奥内部构造可能的模型,内侧是一个铁或硫化铁的核心(灰色),外面是硅酸盐的外壳(褐色)和部分熔解的硅酸盐地幔(橘色)夹杂在其间
艾奥内部构造可能的模型,内侧是一个铁或硫化铁的核心(灰色),外面是硅酸盐的外壳(褐色)和部分熔解的硅酸盐地幔(橘色)夹杂在其间

主要由硅酸盐岩石和铁组成,艾奥在外太阳系的卫星中比其他的卫星都更接近类地行星的结构主体,其它的主要由碎冰和硅酸盐混合组成。艾奥的密度为3.5275 g/cm3是太阳系的卫星中密度最高的;明显的比其他的伽利略卫星高,也比地球的月球要高[54]。根据旅行者号和伽利略号测量的卫星质量、半径和四极重力系数(关于质量在内部如何分布的数值)建立的模型,建议它的内部和外部之间是有所不同的,富含硅酸盐外壳和内部的地幔,铁或硫化铁-富含在核心 [34],金属核心的质量大约占了艾奥质量的20% [55]。依据核心中硫的含量,如果完全由铁组成,核心的半径在350至650公里(220至400英里)之间;如果由铁和硫混和组成,核心的半径则在550至900公里(310至560英里)。伽利略号的磁强计没有测出艾奥内部的磁场,所以认为核心没有对流[56]

模型也建议艾奥内部的组成,地幔至少有75%由富含镁的矿物橄榄石组成,并且有大量类似于L球粒陨石LL球粒陨石陨石,并且有更高的铁含量(相较于地球的卫星月球,但仍比火星低)[57][58]要维持在艾奥上观察到的热流,10-20%的地幔也许是溶解的,但观察到高温的火山作用地区,也许有更高的被熔解比例[59]。由于广泛的火山作用,艾奥的岩石圈主要由硫磺和玄武岩组成,它的厚度至少有12公里(7英里),但不会超过40公里(25英里)[60][55]

潮汐加热

不同于地球和月球,艾奥内部的热源主要来自潮汐散逸而不是放射性同位素的衰变,这是艾奥的轨道与欧罗巴和盖尼米德共振的结果[29]。这样的热化与木星和艾奥的距离、轨道的离心率、它的内部构造和物理状态有关[59]。它和欧罗巴与盖尼米德的拉普拉斯共振,维系了艾奥的离心率并且防止了它因潮汐散逸而使轨道变圆。轨道共振也帮助艾奥维持到木星的距离,否则木星涌起的潮汐将导致艾奥的轨道成螺旋形的逐渐由外向内的朝母行星接近[61]。艾奥的潮汐隆起在轨道上的近木点远木点的时刻之间有着100米(330英尺)的垂直变化。由于这种潮汐拉扯在艾奥的内部产生了摩擦或是潮汐散逸,如果没有轨道共振,这些将使得艾奥的轨道变得更圆;在艾奥的内部创造更大的潮汐加热,使这颗卫星内部更多的地幔和核心被熔化。如此产生的能量大于放射性衰变的200倍[6],这些热量以火山活动的形式被释放出来,造成在观测上看见的高热流(全球总量:0.6 至1.6×1014 [59]。它的轨道模型认为艾奥内部的潮汐加热会随着时间而改变,并且目前的热流也不是长时间平均的代表[59]

表面

艾奥的表面图。
艾奥的表面图。

基于他们对月球、火星和水星等古老表面的经验,科学家预期在旅行者1号传回的第地一张艾奥的影像上将看见许多的撞击坑。横跨在表面的撞击坑密度可以提供艾奥的年龄,但是,他们很惊讶的发现在表面几乎全无撞击坑,取而代之的是光滑的平原,和在表面有着各式各样大小的火山口和火山的熔岩流[26]。与是各地地被观测过的点来比较,艾奥的表面有着五颜六色的来自不同的硫磺组成的材料(比较起来艾奥的前导半球有着腐败的橘子或是披萨的颜色)[62]。缺乏撞击坑表示艾奥的表面是很年轻的,像是地球的表面;火山口被它们制造的连绵不绝的火山物质掩埋掉。在旅行者1号短暂的观察下,证实了这个壮观的情景,至少有9座活火山存在着[28]

表面的成分

艾奥的自转图,被红色的大环围绕着的是裴蕾火山。
艾奥的自转图,被红色的大环围绕着的是裴蕾火山。

艾奥五颜六色的表面是它广泛的火山作用导致各种各样材料的结果,这些材料包含硅酸盐(例如直辉石类)、硫磺二氧化硫 [63] 二氧化硫的霜横跨并普遍的存在于艾奥表面,形成白色或灰色材料组成的广大区域。散布在中纬度和极区的硫磺,经常受到辐射的破坏,造成稳定的8链硫磺被破坏。这种辐射的破坏使得艾奥的极区呈现红褐色。[11]

爆发的火山,经常产生伞形的流束,将表面涂装上硫磺和硅酸盐的材料。流束在艾奥表面的沉积物会依据流束内硫磺和二氧化硫数量的不同而呈现白色或红色。通常,从包含大量S2的火山形成的流束,会导致红色的扇形沉积,或是在极端的例子中,形成大的(高度达到450公里(280英里)的主要事例中)红色环[64]。一个流束形成红色圆环沉积的明显例子是裴蕾火山,这个红色的沉积主要是硫磺(通常是3或4链的硫磺分子)、二氧化硫、或者还有Cl2SO2[63]。形成在硅酸盐熔岩边缘的流束(通过熔岩和先前已经沉积的硫磺和二氧化硫)会造成灰色或白色的沉积。

由艾奥的结构图和高密度,认为艾奥没有或是只有少量的,虽然侦测到含冰屑或含水矿物的小矿穴,最著名的是在季禧霸山Gish Bar Mons)的西北侧[65]。水的缺乏可以归咎于木星在早期有足够的热,在太阳系的演化过程中将在艾奥附近的挥发性物质,像水,都蒸发掉了,但热不足以影响更远处的地方。

火山作用

伽利略号1999年11月至2000年2月影像,显示在特瓦史塔火山口区域内活动的熔岩流(空白的区域是原始数据已经饱和的区域)。
伽利略号1999年11月至2000年2月影像,显示在特瓦史塔火山口区域内活动的熔岩流(空白的区域是原始数据已经饱和的区域)。

由艾奥的轨道离心率引发的潮汐热迫使这颗卫星成为太阳系中火山最活跃的天体,有数百座火山中心和四处流窜的熔岩流。当发生主要的喷发时,主要成分是玄武岩的硅酸盐与富含铁镁质或超铁镁质岩石的熔岩流长度十倍于平时,可以长达数百公里。做为这些活动的副产品,硫磺、二氧化流和硅酸盐碎屑等物质(像是灰烬),可以被吹送到500公里(310英里)的高空中,形成巨大的扇形流束,为周围的地型提供了红色、黑色和白色等彩绘的材料,并且提供了广泛的材料补充艾奥大气层和木星广大磁层的物质。

艾奥的表面有许多由沉积物构成,被称为火山口的点[66],火山口一般都有高耸的墙壁和一定数量的平坦表面。这些特征类似地球上的破火山口;如果他们是如同地球上的表兄弟一样,是经由崩塌导致一些熔岩管的形成,但这些仍都是未知的。有一种假说认为这些特点可已经由发掘火山形成的岩层,和被叠加进入或排除在岩层上的材料来鉴识[67]。不同于地球和火星的特征,这些沉积物没有在盾状火山中心的尖峰,并且更为巨大,它们的平均直径是41公里(25英里),最大的洛基火山口直径达到202公里(126英里)[66]。无论形成的机制是如何,许多火山口的型态学和分布状态建议这些特征是受到结构上的控制,或者至少有一半与山或断层有关[66]。这些特征通常是火山爆发的特征,可能是熔岩流横越过火山口内的平原,像是2001年季禧霸山的喷发,或是熔岩湖的形成[68][7]。在艾奥的熔岩湖有一个会持续翻转的熔岩外壳,像是裴蕾火山,或是有着翻转情节的外壳,像是洛基火山口[69][70]

熔岩流代表艾奥另一种的主要火山地形。岩浆从火山口表面的出气孔或裂缝喷发出来,产生膨胀,形成的熔岩流类似地球上在夏威夷的启劳亚火山。来自伽利略号的影像显示艾奥许多的主要熔岩流,像是普罗米修斯火山阿米拉尼火山,是在旧的熔岩流上产生小的断裂处上方产生新熔岩流的堆积[71]。在艾奥上也观察到够大的熔岩喷发,例如,从1979年旅行者号到1996年伽利略号的第一次观测,普罗米修斯前缘的熔岩就流动了75至95公里(47至59英里)。在1997年的一次主要喷发,产生了超过3,500公里2 (1,350英里)长的新鲜熔岩流,并且充斥在邻近的Pillan火山口[35]

新视野号的五张连续影像显示艾奥的特瓦史塔火山口喷出的物体高出表面达330公里。
新视野号的五张连续影像显示艾奥的特瓦史塔火山口喷出的物体高出表面达330公里。

科学家分析旅行者的影像后,相信这些流体主要由熔解的各种各样的硫磺化合物组成。但是随后地基天文台和伽利略号的观测却显示这些流体是由玄武岩与镁铁质和超镁铁质构成的。这样的假说是依据对艾奥的"热点"进行温度测量,或是热辐射位置的结果,这些结果建议的温度至少高达1,300 K,更有高达1,600 K的点[72],估计原始的喷发温度可以达到2,000 K[35],但是因为当初使用错误的温度模型将温度塑造的过高,之后已经证实温度被高估了[72]

在裴蕾火山和洛基火山口发现流束是证实艾奥有活跃的地质活动的一个标志[27]。通常,这些流束是硫磺和二氧化硫以每秒1公里(0.6英里)的速度从火山喷发出来所形成的,在流束中可以发现的物质还包括钠、[73][74]。这些流束看起来是由下面二种方法中的一种形成的[75]。艾奥的流束最大的时候是当被熔化的岩浆从火山口或熔岩湖喷出硫磺和二氧化硫的时候,并经常会扯泄出硅酸盐的火山碎屑,这些流束会在表面形成红色(短链的硫磺)和黑色(硅酸盐火成岩的碎屑)的沉积物。这些流束在艾奥表面被观察到最大的是直径达到1,000公里(620英里)的红色环状沉积,例如裴蕾火山、特瓦史塔火山口和Dazhbog火山口,都是由者种形式的流束造成的。另一种形式流束造成的是当熔岩流将底部的二氧化硫霜气化,将硫磺送上空中。照种形式的流束经常形成明亮的圆形二氧化硫沉积。这种形式的流束高度通常低于100公里(62英里),并且流束可以维持很长的寿命,像是普罗米修斯火山、阿米拉尼、和产灵火山

山脉

伽利略号所拍摄的高5.4公里托希尔山灰阶影像
伽利略号所拍摄的高5.4公里托希尔山灰阶影像

艾奥表面有100至150座山峰,平均高度为6公里,最高的一座是位于南极的Boösaule Montes,高达17.5±1.5公里[8]。山峰通常都很巨大,平均长度是157公里,被隔绝的结构看起来没有全球性的构造模式,跟地球上的山峰一样[8]。艾奥必须要有硅酸盐岩石构成的地壳,才能支撑这些巨大的山峰,相较之下硫磺构成的地壳就不可能产生[76]

尽管艾奥广泛的火山作用呈现出许多的特征,几乎所有的山都有来自地壳运动的结构。艾奥多数的山峰并非由火山所造成,反而是由岩石圈受到压缩应力的结果而形成,这些是经由艾奥外壳经常性的掀动和逆断层提高的[77]。导致山峰形成的压缩应力是来自火山沉积的物质不断被埋葬的结果[77]。全球性的山脉分布看起来是与火山结构相对称的;山峰分布区域只有少许的火山存在,反之亦然[78]。这建议大尺度区域的岩石圈结构何处被压缩(支持山的形成)和扩张(支持火山口的形成)所掌控[79]。区域性的,然而山和火山口经常紧靠在一起,则是当山在形成并到达表面时曾经有断层形成,而造成岩浆的侵蚀[66]

在艾奥上的山峰(通常是周围的平原上升的结构)有各种各样的型态。高原是最普通的[8],这种结构相似大、顶部平坦的方山与坚固的表面。其它的山看起来是被掀动的地壳,有着平缓斜坡的,是旧有的表面形成的;包括表层物质的陡坡,是下层物质受到压缩应力抬昇的结果。这两种山经常都有陡峭的陡坡形成一个或多个的边缘。在艾奥上只有几座山的源头看起来是火山,这些山类似盾状火山,坡度是平缓的(6–7°),中心有一个小的破火山口和沿着附近的浅倾斜边缘[80]。这些火山通常都比艾奥的山的平均大小为小,平均只有1至2公里(0.6至1.2英里)的高度,和40至60公里(25至37英里)宽。其它还有几个倾斜度更平缓的盾状火山,因为有熔岩流成辐射状的从中央辐射而出,才从型态学上推断是艾奥上的火山,像是拉火山结构[80]

几乎所有的山看起来都在退化的阶段上,大形的山崩沉积是艾奥上的山的地基共同的现象,因此崩坏作用被建议是退化的主要形式。在艾奥的方山和高原共同的特征是扇贝状的边缘,这是二氧化硫从艾奥的地壳渗透,导致山的边缘区域弱化的结果[81]

极光在艾奥的上层大气发光,不同的颜色来自大气中不同的成分(绿色来自钠原子,红色来自氧原子,蓝色来自火山的气体,像是二氧化硫)。影像是在艾奥食摄影的。
极光在艾奥的上层大气发光,不同的颜色来自大气中不同的成分(绿色来自钠原子,红色来自氧原子,蓝色来自火山的气体,像是二氧化硫)。影像是在艾奥食摄影的。

大气层

艾奥的大气层极端稀薄,只有地球大气压力的十亿分之一,主要的成分是二氧化硫[31]氯化钠一氧化硫也有少许[82]。稀薄的艾奥大气意味着未来以任何方式着陆艾奥的探测器都不需要安装隔热板来保护仪器,但是需要反推进火箭来进行软登陆。稀薄的大气也使得登陆的设备必需坚固得足以抗拒木星强烈的辐射,这些辐射也使稀薄的大气变得浓稠。

同样的辐射(以等离子体的形式存在)也将大气剥离,所以必须经常补充大气[82]。二氧化硫最引人注目的来源是火山作用,但是大气层受到阳光持续的照射也会使冻结的二氧化硫升华。大气层主要被限制在赤道,因为该处是最温暖的,而且能够形成流束的活跃火山多数也在赤道上[83]。其它的变化也会存在,以在火山口附近的密度最高(特别是有流束的火山口),还有艾奥的反木下点(艾奥上距离木星最远的一点,那儿的二氧化硫霜的数量最丰富)[82]

卫星拍摄的高解析影像显示,天文学家在卫星食的时候可以观察到类似辉光的极光[84]。这种现象是来自于辐射与大气层的作用,如同地球的极光。极光通常出现在行星的磁极附近,但是艾奥最明亮极光却位在赤道区域。艾奥本身没有磁场,因此,电子沿着木星的磁场接近艾奥并直接撞击到卫星的大气层。越多的电子撞击大气层,极光就越明亮,而磁力线是与卫星正切的(也就是说接近赤道),因此在那儿经过的气柱会最长。极光与艾奥上的正切点的结合被观察到的"晃动"指出木星的倾斜磁偶极场变化方向[85]

科幻作品中的艾奥

亚瑟·克拉克的小说《2010太空漫游》(2010: Odyssey Two, 1984年作品)中,提及发现号航天器对木卫一进行观测,其船身被火山所喷出的硫磺所覆盖。

在电视连续剧《巴比伦五号》(Babylon 5)中,艾奥是其殖民地之一。

在漫画《机动战士海盗钢弹》中,木卫一(作品中称为[伊奥])是木星帝国的根据地的消息被泄漏给十字先驱者军,因此十字先驱者军决定向伊奥突击。

相关条目

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外部链接

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木卫一
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