活火山为木卫一的含硫大气提供了养分

©NASA

Io和木星

木星的月亮IO上的气氛是一个女巫的酿造,主要是由400多个火山的硫磺呼气组成,这些漏油点尖端。

然而,到目前为止,目前尚不清楚火山味道热硫(SO2)是大气层的主要贡献者,还是主要成分是累积的冷SO2,其中大部分在表面上被冷冻,但在阳光下蒸发或升华到大气中。

智利与Atacama大型毫米/亚瑟姆省/淹没阵列(Alma)的新观察,由加州大学伯克利大学的天文学家Imke de Pater,部分解决了这个问题。

“不知道是哪个过程驱动了木卫一的大气动力学,”德·佩特说,他是加州大学伯克利分校天文学和地球与行星科学系研究生院的教授。“它是火山活动,还是木卫一在阳光下从冰面升华出来的气体?”我们所展示的是,实际上,火山确实对大气有很大的影响。”

作为我们太阳系中最顽固的月亮,IO(“眼睛哦”)为异国环境提供了一个实验室,与地球上的任何东西不同。由于我们无法在IO内部探测,大气层 - 比地球大气层缩短约10亿次 - 为月球的烤窗口提供窗户,内部岩浆水库喂养火山。

由于附近目前没有卫星观测月球——美国宇航局的“朱诺”(Juno)任务主要关注木星,将于明年7月结束——像德佩特这样的天文学家必须依靠地面上的望远镜来探测大气。30年来,她一直在用ALMA等射电望远镜、光学望远镜和红外望远镜观测木卫一的大气,主要是夏威夷的凯克望远镜。

从新观察开始一个惊喜的是,当IO通过Jupiter的阴影每42小时时,大气变得显着不稳定。在一篇文章中接受了行星科学杂志的出版物,De Pater和她的同事报告说,二氧化硫(SO2)天然气的无线电排放被指数直接逐渐下降,因为IO在2018年3月20日被Jupiter被黯然失色,表明较低的大气层 -高度低于10至20公里 - 基本上折叠,迅速冻结到表面上。

尽管IO的表面始终是冷 - 大约150摄氏度下方冻结,或-230 f - 将温度进一步下降几十度,低至-270 f,使温度低于SO2的冷冻点。

由于月亮在2018年9月2日和11日的观察期间再次从木星的影子中重新开始,但在约10分钟内恢复了冷硫的二氧化硫排放。

佩特说:“木卫一一进入阳光,温度就会上升,所有的SO2冰升华成气体,大约10分钟就能重新形成大气,比模型预测的要快。”

她指出,在木星阴影下,温度下降时,并不是所有的SO2都冻结了。在日食期间,除了一些火山上有丰富的二氧化硫气体,ALMA还在木卫一的大气中检测到低水平的二氧化硫,这表明有很多看不见的火山——所谓的隐形火山,因为它们不排放烟雾或其他容易看到的微粒,不断向大气中排放二氧化硫,这些二氧化硫由于温度过高而无法冷凝。

根据Keck观察,何彼得帕特及其同事报告的观察中也有暗示的隐形火山主义。他们在大气中看到了广泛的一氧化硫(SO)气体 - 并非如预期的那样,只在活性火山上。当帕特展示在她的新论文中时,当阳光在SO2中脱离硫 - 氧键时,可能产生的,这已经在表面上方的数百千里。

“当Io在Eclipse中,我们看到的SO2是一个非常低的水平,我们不能说,如果这是隐形火山或由SO2没有完全凝结,”她说。“但是,当我们用凯克看了那么看时,我们只能解释这么排放,这是通过这种隐形火山普及的,因为这种隐形火山,所以所以需要很高的温度。”

Io在Eclipse中

通过如此薄的气氛,IO暴露于空间的寒冷,以及杂草周围的热等离子体。Tidal Tug认为,Jupiter和其两个最大的卫星,Ganymede和Europa,施加在IO上加热月亮的内部,从而制造在热硫磺的烟雾中沐浴表面的火山。IO最大的火山,Loki Patera,跨越200多公里(124英里)。

火山喷发的SO2最终在地表凝结,形成厚厚的二氧化硫冰冻层,最近由de Pater和她的同事绘制了全球地图。冰冻的SO2通常被一层火山灰覆盖,这就是木卫一特有的黄色、白色、橙色和红色的原因。

虽然Io的大气中二氧化硫的主导地位是众所周知的,德佩特是第一个小组成员遵守1990年全球二氧化硫,它仍不清楚最近从积累的二氧化硫排放二氧化硫或热升华冰(称为冷二氧化硫)主导的气氛。

为了解开辣妹和她的同事们,包括哥伦比亚大学的哥伦比亚大学和加州理工学院的凯瑟琳德·克利克的贡献,选择了在从阳光过渡到黑暗的过渡期间观察IOEclipse和再次从Eclipse重新进入光线时。由于IO和地球相对于木星的对齐,因此不可能观察到JUPITER的月亮的进入和退出来自同一个日食,因此两个观察分开了六个月。

“当木卫一进入木星的阴影时,那里没有阳光直射,温度太低,二氧化硫无法进入,二氧化硫就会凝结在木卫一的表面。”在此期间,我们只能看到来自火山的二氧化硫。因此,我们可以确切地看到有多少大气受到火山活动的影响,”luszz - cook说。

由于ALMA的精确分辨率和灵敏度,天文学家第一次清楚地看到了从火山中升起的SO2和SO的柱状物,其中两座火山——Karei Patera和Daedalus Patera——在3月份喷发,而第三座火山在9月份活跃。根据这些快照,他们计算出活火山直接产生了木卫一大气的30%到50%。

ALMA的图像还显示了第三种来自火山的气体:氯化钾(KCl)。氯化钾和氯化钠——氯化钠,或普通食盐——都是岩浆的常见成分。

“我们在火山地区看到KCL,我们没有看到SO2左右,”Luszcz-Cook说。“这是强有力的证据表明岩浆水库在不同的火山下不同。”

“通过研究IO的气氛和火山运动,我们可以了解更多关于火山,潮热过程和IO的内部,”De Kleer。

DE PART和她的同事们也希望在其他无线电波长下观察IO,可以探测表面以下几英寸,可能揭示火山下面岩浆的内容和温度。

木卫一低层大气的温度仍是一个很大的未知数。在未来的研究中,天文学家希望用ALMA来测量这一点。

“为了测量IO的气氛的温度,我们需要在我们的观察中获得更高的分辨率,这要求我们在更长的时间内观察到月球。当IO在阳光下,我们只能这样做,因为它不花钱日食中的很多时间,“德帕特说。“在这样的观察中,IO将旋转成千度。我们需要应用帮助我们制作未经涂抹的图像的软件。我们之前用了与Alma和非常大的阵列制作的Jupiter的无线电图像。”

参考:

* Imke de Pater等人,2020年发表在《行星科学杂志》上的“关于木卫一进入和走出日蚀的ALMA观测”
[https://psj.aas.org,预印迹:https://arxiv.org/abs/2009.07729]。

*“高等空间和光谱分辨率观察禁止的1.707微米罗维亚特,所以IO的排放:普遍隐形火山主义的证据,”Imke de Pater等,2020年7月20日,行星科学期刊[https://iopscience.iop.org/article/10.3847/PSJ/ab9eb1]。

报告Alma观测的纸张的其他共同作者是Santiago的Patricio Rojo,艾琳伯克利·伯克利伯克利·伯克利·伯克利·梅诺伊斯·艾夫特田中的Ames Moullet的Arielle Moullet。

该研究由美国国家科学基金会(AST-1313485)资助。国家射电天文台是国家科学基金会的一个设施,由联合大学公司合作经营。

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