Из множества спутников Юпитера (63 спутника), перечисленных в таблице, выделяются 4 галилеевых спутника, известных со времен Галилея. Это Ио (имя женского рода), Европа, Ганимед и Каллисто. Они выделяются большими размерами (от размеров Луны до размеров Меркурия) и близостью к планете. Известны еще более близкие к Юпитеру спутники: это 3 совсем маленьких тела, и Амальтея, имеющая неправильную форму (ее размеры примерно 130х80 км). Вместе с ними галилеевы спутники образуют так называемую правильную систему, которая отличается компланарностью (расположением орбит спутников в плоскости экватора планеты) и почти круговой формой орбит. Если сравнить их с положением нашей Луны, то Ио находится на 10% дальше, а Каллисто — в 4,9 раза дальше Луны. Но из-за огромной массы Юпитера на один оборот вокруг планеты они затрачивают всего 1,8 и 16,7 сут.
Со времени их открытия они оставались одним из самых популярных объектов астрономических наблюдений. Но если бы астрономы тогда знали, какие чудеса таятся на этих небесных телах!
Знакомтесь - Ио
Закон Мерфи: Краткая история исследований космоса полна забавных, а иногда и невеселых происшествий, недоразумений и неожиданных открытий. Постепенно возник некий фольклор, которым специалисты обмениваются при встречах. Часто он связан с неожиданностями в поведении космических аппаратов. Недаром в кругах исследователей космоса родилась полушутливая, полусерьезная формулировка закона Мерфи—Чизехолма: «Все, что может испортиться, — портится. Все, что не может испортиться, портится тоже». Одна из сугубо научных статей в журнале «Сайенс» так и начиналась: «В соответствии с законом Мерфи...» Но к счастью, бывает и наоборот. Случай, о котором мы расскажем, скорее относится к такому удивительному везению. Трудно сказать, сколько здесь правды, но научная канва этой истории вполне достоверна.
ИО - ГАЗОВЫЕ СТОЛБЫ PROMETHEUS и ZAMARA
Точному знанию положения космического аппарата у далекой от Земли планеты способствуют не только средства радионавигации, но и передаваемые аппаратом телевизионные изображения, на которых видны спутники на фоне звезд. Получаемые относительные положения небесных тел вводятся в вычислительную машину, которая уточняет координаты аппарата. Одна из легенд рассказывает, что когда «Вояджер-1» приближался к Юпитеру, ЭВМ указала руководительнице эксперимента на ошибку во вводимой в ЭВМ магнитной ленте с записью изображения спутника Ио. Причина была непонятной, но в конце концов ученой удалось выяснить, что форма лимба Ио не соответствовала заложенным в ЭВМ представлениям о круглом небесном теле. Сбоку у Ио что-то выступало. Это «что-то» впоследствии оказалось огромным газовым султаном, который поднимался на высоту около 250—300 км над действующим вулканом.
Следует сказать, что Ио давно удивляет астрономов. Мы уже говорили, что несколько лет назад вдоль орбиты Ио было обнаружено излучение кислорода, паров натрия и серы. Как сохраняется такой тор («бублик») в пространстве? Вначале ученым показалось, что все объяснили телевизионные снимки Ио: 7—8 действующих вулканов на ее поверхности выбрасывают фонтаны газообразных веществ, поднимающихся на сотни километров. Бледно-оранжевый цвет некоторых участков поверхности Ио вызван, по-видимому, отложениями серы и сконденсированного сернистого газа. Если предположить, что часть продуктов извержений рассеивается в космосе, происхождение газового тора вдоль орбиты Ио находит объяснение.
ГАЗОВЫЕ СТОЛБЫ НА ИО
Но дело в том, что Ио — довольно массивное небесное тело (на 20% больше массы Луны), а средняя плотность составляет 3,53 г/см3. Диаметр Ио 3620 км (Луны 3476 км). Расчеты показывают, что ускорение свободного падения на ее поверхности достаточно велико, 1,81 м/с2. Тяжелый сернистый газ, а также пары серы, выброшенные из вулканической кальдеры, из-за низкой температуры быстро конденсируются и в таком виде, как иней и снег, выпадают на поверхность Ио. Этот процесс опережает разрушение молекулы газа ультрафиолетовым излучением Солнца (фотодиссоциацию). В то же время ускорение свободного падения недостаточно, чтобы удержать такую атмосферу, как у Марса, хотя какие-то следы атмосферы Ио имеет. Выброс газа на высоту несколько сотен километров требует скоростей истечения газа из жерла примерно 1 км/с. Высокой скорости истечения способствует ничтожная плотность атмосферы Ио: от 10 до 100 миллионов раз меньше, чем у поверхности Земли. По земным понятиям — это глубочайший вакуум. Но концентрация молекул не так уж мала, около
1011 см-3. У всех остальных спутников Юпитера, Сатурна и Урана, как и у планеты Меркурий, плотность атмосферы еще в миллиарды раз ниже. Попросту говоря, атмосферы у них нет. Исключение — спутник Сатурна Титан. Отложим немного разгадку, как сера и натрий попадают в космос и образуют тор из нейтральных и ионизованных атомов и обратимся к удивительному механизму извержений на Ио.
Энергия для вулканов: Ио недостаточно велика, чтобы радиоактивный распад элементов в ее недрах вызвал сильный разогрев коры, как это происходит на Земле. Энергия для разогрева черпается совсем из другого источника: из приливных воздействий второго галилеева спутника, Европы, самого Юпитера и в небольшой степени третьего спутника — Ганимеда. Подобно тому как в атомах запрещены определенные сочетания состояний электронных оболочек, в системе Юпитера запрещены (хотя и по другим причинам) некоторые конфигурации (взаимные расположения) спутников. Как только Ио приближается к определенной точке относительно Европы и Ганимеда, влияние последних начинает искажать орбиту Ио. За каждый оборот Ио дважды изменяет орбиту, смещаясь радиально на 10 км «вверх» и «вниз». Орбита становится не совсем круговой, хотя эксцентриситет всего 0,004. Ио имеет значительный приливный выступ (отличие от сферичности) и при движении вдоль орбиты испытывает сильную либрацию (покачивание), хотя, подобно другим галилеевым спутникам, находится в синхронном вращении, т. е. всегда обращена одной стороной к Юпитеру.
Приливные силы изгибают литосферу Ио и разогревают ее подобно тому, как нагревается изгибаемая проволока. Благодаря приливным воздействиям в недрах Ио выделяется огромная энергия — 60—80 млн. МВт. По-видимому, она распределяется неравномерно, больше выделяется в приповерхностных слоях небесного тела. В результате рассеяния этой энергии движение всех трех тел постепенно замедляется, но происходит это чрезвычайно медленно.
Нечасто бывает, чтобы предсказание теории нашло подтверждение всего через 2 месяца, но в случае Ио было именно так. Ее вулканические извержения были предсказаны на основе анализа взаимных возмущений галилеевых спутников. Предсказание было опубликовано незадолго до сближения с Ио «Вояджера». Мощность, рассеиваемая в приливных возмущениях Ио, достигает 2 Вт/м2 — это в 30 раз больше тепла, чем выделяется через поверхность Земли. Дистанционные измерения температуры поверхности, которая при равновесии с получаемой от Солнца энергией должна составлять примерно 140 К в районе экватора Ио, привели к совсем удивительным результатам. Равнины, покрытые слоем белых отложений, имеют даже более низкую температуру, 130 К. Это понятно: высокое альбедо поверхности уменьшает количество поглощаемой энергии.
Вулканы и горячие пятна: Вместе с тем около 2% поверхности занимают активные горячие пятна. Их насчитывается более 10. Температура в пятнах 310, 400 и даже 600 К, причем размеры пятен колеблются в пределах от 75 до 250 км. «Вояджер-1» застал 8 активных гигантских извержений, места которых были отождествлены с горячими пятнами. Сблизившийся с Ио через 4 месяца «Вояджер-2» обнаружил, что 7 из них все еще продолжают извергаться. «Выключился» только один из наиболее крупных вулканов, получивший название Пеле (в честь бога вулканов). В 1979 г. в точке, которая оказалась вулканической кальдерой Пеле, была зарегистрирована наивысшая температура, 600 К.
Патера Тупана. Размеры — 75 км, высота утёсов — 900 м. (снимок «Галилео»)
Интересно отметить, что центр извержения почему-то темный, а в стороны распространяются оранжевые потоки — продукты извержений. По-видимому, они накапливаются в глубинных резервуарах расплавленных веществ. Есть признаки того, что продолжительность существования вулканической кальдеры тем больше, чем из более глубоких резервуаров происходит извержение.
Вулканы Ио делятся на несколько типов. Первые имеют температуру 350—400 К и скорость выброса газовых продуктов около 500 м/с. Высота газового султана достигает 100 км и более, а выпадающие осадки имеют белый цвет. Таких большинство. Вторые отличаются очень высокой температурой кальдеры, имеют скорость выбросов около 1 км/с и высоту султана до 300 км. Главная их особенность — темная кольцевая окантовка на расстояниях нескольких сотен километров от кальдер, К ним относится Пеле и найденные позднее Сурт и Атен. Кольцо газоконденсатной природы вокруг Пеле имеет характерную форму следа подковы диаметром около 1000 км, а отложения на поверхности составили эллипс размерами 950х1400 км.
Анимация из пяти снимков с КА «Новые горизонты». Видно, как вулкан Тваштар извергает материю на 330 км над поверхностью.
В центре извержения расположено несколько обширных плоскогорий с обрывистыми краями и разделяющей их широкой долиной. Вся поверхность имеет темные оттенки оранжевого и коричневого цветов. Лишь плоскогорье выделяется более светлой окраской. Среди интересных гипотез имеется предположение о гейзерном характере извержений второго типа, когда происходит внезапный фазовый переход летучих веществ (жидкость — газ). Такой фазовый переход в глубинном резервуаре известен для земных вулканов, например, острова Св. Елены. Для сернистого газа переход должен происходить при температуре 400 К, а для серы примерно при температуре 700 К. Если принять эту гипотезу, малые султаны соответствуют выбросам с небольших глубин, большие — выбросам из глубоких резервуаров.
ВУЛКАНИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ НА ИО
Состав продуктов извержений (сера, сернистый газ и некоторые сульфиды) присутствует и в вулканических извержениях на Земле, но к основным составляющим извержений не относится. Чтобы судить о реальной мощности вулканизма на Ио, важно знать, много ли вещества выбрасывается в извержениях, для чего можно воспользоваться сведениями о возрасте поверхности. В свою очередь, для оценки (относительной) возраста поверхности небесных тел широко используется метод подсчета количества метеоритных кратеров, приходящихся на единицу поверхности. Метод дает оценку возраста, если, конечно, известна средняя плотность метеоритной бомбардировки (о некоторых трудностях такой оценки мы расскажем в разделе, посвященном Каллисто). По отсутствию метеоритных кратеров на поверхности Ио было установлено, что поверхность эта очень молодая, около 1 млн. лет. Ее составляют продукты извержений. Из-за низкой температуры конденсации отложения конденсатов, как серы, так и сернистого ангидрида, сохраняются очень долго. Толщина слоя отложений оценивается от 3—4 до 20—30 км. В извержениях выбрасываются также силикатные магмы — возможно, таково происхождение темных пятен на поверхности Ио. Общее количество вулканических кальдер на поверхности Ио, в том числе горячих, несколько десятков, но действующих, как уже говорилось, гораздо меньше. Общая площадь вулканических кальдер составляет примерно 2% территории спутника. Все они довольно мелкие (по глубине).
Необычный вид имеет вулканический объект, получивший название Патера Ра. Отходящие радиально от него змеевидные потоки простираются на расстояния до 200 км, изменяя оттенки от коричневого до светло-оранжевого и снежно-белого тонов. Природа вулканических потоков остается непонятной, как и еще более загадочные объекты — лавовые озера, к которым мы теперь перейдем. На их примере можно также кое-что узнать о времени жизни крупных извержений. Самый сильный сигнал был зарегистрирован тепловыми радиометрами «Вояджеров» от не вполне понятного объекта, который получил имя Локи. На телевизионных снимках с высоким разрешением он предстает как слегка срезанное круглое (кольцевое) образование темного оттенка; в центре его имеется угловатой формы светло-желтый объект размерами примерно в половину всего образования, которое само имеет размер 250 км. По-видимому, темный объект представляет собой озеро расплавленной серы, в центре которого плавает 100-километровый «айсберг» из твердой серы! Вокруг него на темном фоне видны более мелкие обломки того же светлого материала. Примерно в 300 км севернее центра Локи проходит слегка наклонный разлом (трещина), длиной около 200 км, с таким же темным дном, имеющий в центре примерно такой же «айсберг». (Виды Локи на снимках первого и второго аппаратов несколько различаются.) С обеих сторон трещины в небо Ио на высоту 250 км бьют два мощных белых газовых султана, выделяющихся на фоне светло-серой поверхности. Измерения показывают, что жидкий темный материал кальдеры Локи не такой уж темный, он светлее поверхности Луны.
Тепловой поток: Район Локи давал основной тепловой поток при пролете и «Вояджера-1» и «Вояджера-2» в 1979 г. Но этим дело не ограничилось. Наземные телескопические наблюдения вскоре также позволили зарегистрировать мощный тепловой поток, который появлялся, когда Ио» входила в тень Юпитера. Потом вспомнили, что такое же явление наблюдалось лет за 15 до того и осталось загадкой. Как часто ученых обманывают обстоятельства, что отмечается в известной поговорке, пришедшей еще от древних греков: «После того — не значит вследствие того!» Если бы миллионы мегаватт рассеянной энергии излучались всей поверхностью Ио, температура спутника возросла бы всего на 2 К. Здесь же излучал определенно горячий район относительно небольших размеров. Сопоставление показало также, что источники излучения распределены по поверхности очень неравномерно, появляются и исчезают при вращении спутника, а появление горячих пятен при затмении Юпитером Солнца объясняется попросту тем, что именно в это время мы видим постоянно обращенную к Юпитеру сторону спутника, где расположен... кратер Локи. Дальнейшие наземные исследования показали, что тепловое излучение Ио в течение всех последующих лет неизменно» резко возрастает, как только становится виден меридиан 300—306° з. д., т. е. Локи. Его вклад в излучение Ио составляет половину. В самое последнее время появился новый метод исследований — тепловая поляриметрия. Эти исследования показали, что излучение исходит от гладкой поверхности, расположенной на 13° с. ш. и 303° з. д. С учетом ошибки ±5°, указанной авторами, это снова координаты Локи (16—19° с. ш., 300—306° з. д.). Ученых чрезвычайно интересует, сколько же лет может непрерывно происходить это извержение?
РАЗНЫЕ ЦВЕТОВЫЕ ОТТЕНКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ИО
Разные цветовые оттенки поверхности Ио указывают, что, кроме серы и сконденсированного сернистого газа, там имеются и другие составляющие. Цвет отложений серы также зависит от температуры и может быть белым, желтым, красным, коричневым и даже черным. Широкий выбор цветов могут дать также полисульфиды. Чего определенно нет ни на поверхности Ио, ни в ее вулканических выбросах — это воды, ее снега или инея. А именно вода составляет основную массу вулканических выбросов на Земле. Сейчас воды на Ио, по-видимому, нет совсем. Но всегда ли спутник был безводным или его запасы воды растеряны в извержениях? Этот вопрос еще ждет своего решения, особенно если учесть, что Ганимед и Каллисто на 50—60% состоят из водяного льда и, возможно, жидкой водяной мантии.
Рельеф Ио: Несколько слов о рельефе Ио. Он в основном равнинный. Кроме гор в центре комплекса Пеле, есть еще несколько крупных массивов. Имеются высокие горы у южного полюса, занимающие площадь около 150х80 км. Интересный объект обнаружен на телевизионных снимках: это гора высотой до 2,5 км с диаметром основания около 85 км, конической формы, которую специалисты относят к щитовым вулканам (отличающимся очень текучими лавами) и которые характеризуются совсем другим типом извержений. Здесь было бы уместно перейти к внутреннему устройству Ио, но у специалистов оно вызывает так много споров, что мы ограничимся лишь общей схемой галилеевых спутников.
Взаимодействие: Орбита Ио расположена в той части магнитосферы Юпитера, где потоки заряженных частиц особенно плотны — в центре радиационного пояса. Эта часть магнитосферы напоминает 100-кратно увеличенные в размерах радиационные пояса Земли. Плазма здесь сосредоточена в объеме, весьма приближенно имеющем вид диска, который жестко связан с вращающимся магнитным полем планеты. Наряду с протонами и электронами в радиационных поясах Юпитера найдены ионы серы, кислорода и других элементов. Поскольку магнитосфера вращается быстро, часть заряженных частиц выбрасывается из нее центробежными силами и движется в межпланетной среде в виде медленного компонента космических лучей, пульсирующего с периодом вращения Юпитера (9 ч 55,5 мин). На орбите Ио находится тор горячей плазмы с температурой до 5х104 К.
СТРОЕНИЕ ИО
Электрические и магнитные явления очень интенсивны в магнитосфере Юпитера. Среди чудес природы — мощный естественный электрический генератор, составная часть которого — спутник Ио. Только, пожалуй, «мощный» — не то слово. Между Юпитером и Ио течет ток в 5 млн. А. Мощность этой энергосистемы в 20 раз превышает суммарную мощность всех земных электростанций. Механизм, с помощью которого вырабатывается эта фантастическая мощность, по-видимому, связан с весьма своеобразной структурой так называемых токовых оболочек в плазмосфере Юпитера. Интересно отметить, что такая структура давно была предсказана известным шведским ученым X. Альфвеном для протопланетной туманности. Высказано предположение, что сильные электрические токи у поверхности Ио могут благодаря самостягиванию разряда (пинч-эффекту) концентрироваться на малой площади. Не связаны ли извержения с таким продолжительным прожигающим электрическим разрядом? По-видимому, Ио «работает» как одна из частей гигантского. природного ускорителя заряженных частиц.
Анимация, демонстрирующая Лапласов резонанс Ио с Европой и Ганимедом
Полярное сияние в верхних слоях атмосферы Ио. Различными цветами светятся различные компоненты атмосферы. Зелёное свечение даёт натрий, красное — кислород, синее — вулканические газы, такие как диоксид серы. Изображение получено во время затмения на Ио
Ио активно взаимодействует с магнитосферой и самим тором, перемешивая частицы средних и низких энергий и поглощая частицы Электрические процессы в магнитосфере на уровне орбиты Ио связаны с радиоизлучением, приходящим с Юпитера в декаметровом диапазоне. Еще в 1964 г. было доказано, что оно определенно зависит от положения Ио: вероятность регистрации радиоизлучения наибольшая, когда Ио оказывается на максимальном угловом расстоянии, от Юпитера, если смотреть с Земли. В меньшей степени такую же зависимость показывают Европа и Ганимед. Космическими аппаратами было зарегистрировано и более длинноволновое излучение — в диапазоне от 0,3 до 30 км. Оно также, по-видимому, генерируется в плазменном торе на орбите Ио.
Гора Тохиля (Tohil Mons) высотой 5,4 километра. Фото космического аппарата «Галилео»
Тор вращается со скоростью, почти равной скорости магнитосферы, поэтому частицы в нем движутся намного быстрее, чем Ио. Их относительная скорость достигает 57 км/с, что вызывает интенсивную бомбардировку поверхности спутника и ежесекундно выбивает из нее примерно 1—2 т сернистого газа, который поступает в тор уже в виде однократно и двукратно ионизованных атомов серы и ионизованного кислорода. Измерения показали, что из тора исходит интенсивное излучение сильно ионизованных паров серы на длинах волн 953 и 672 нм и что температура плазмы в торе достигает 50— 100 тыс. К. Это означает, что в тор накачивается огромная энергия порядка 500 тыс. МВт, причем механизм поступления этой энергии в газовое кольцо остается неизвестным. На орбите находится также облако паров щелочного металла натрия, тоже очень большой протяженности — почти в диаметр Юпитера. Сравнительно низко над спутником обнаружены облака нейтральных натрия, калия, кислорода и серы. Структура тора и облаков до конца еще не исследована.
Дополнение к выше сказанному
Вулканическая активность Ио обусловлена гравитационным влиянием на нее других тел системы Юпитера. Прежде всего сама гигантская планета своим мощным тяготением создала два приливных горба на поверхности спутника, которые затормозили вращение Ио, так что она всегда обращена к Юпитеру одной стороной - как Луна к Земле. Поскольку орбита Ио не точный круг, горбы слегка перемещаются по ее поверхности, что приводит к разогреву недр. В еще большей степени этот эффект вызывается приливным воздействием других массивных спутников Юпитера, в первую очередь ближайшей к Ио Европы (кстати, периоды обращения этих спутников находятся в резонансе 1:2, на один оборот Европы приходится два оборота Ио). Колебания приливных горбов так разогрели недра Ио, что сейчас она является самым вулканически активным телом Солнечной системы.
В отличие от земных вулканов, у которых мощные извержения эпизодичны, вулканы на Ио "работают" практически не переставая, хотя активность их может менятся. Вулканы и гейзеры выбрасывают часть вещества даже в космос. Ударные кратеры на Ио отсутствуют из-за интенсивной вулканической переработки поверхности. На ней есть каменные массивы высотой до 9 км.
По материалам сайта: galspace.spb.ru
