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神奇的木卫一火山
发布日期:2015-01-29 来源:中国科学院测量与地球物理所 作者:高布锡 浏览次数: 字号:【

  1979年元月,太空探测器旅行者1号(Voyager 1)在木卫一(艾奥)上发现了正在喷发的火山。这使得天文学家们非常惊讶,因为按照推算,所有的卫星都应该早已处于死寂的状态。例如月球,它的外壳早已冷却凝固,二十多亿年来月球表面几乎在没有什么变化。而艾奥处于木星周围,木星离太阳比地球远5.2倍,因此艾奥得到的太阳能量比月球小27倍,艾奥表面更应该是个寒冷而沉寂的世界,为什么在远离太阳的艾奥上会有许多火山正在喷发呢?

  图一就是旅行者拍摄的艾奥的照片,粗看多么像一张披萨饼,图上发红的地方就是正在喷发的火山。按照最新资料的统计,艾奥有四千多座火山。图二是四颗伽利略卫星,木卫三(加尼美得)是太阳系最重的卫星。除艾奥外,其它三个卫星的表面都是充满冰雪,没有任何火山活动,被称为冰卫星。为什么艾奥表面会有火山活动哪?一切事情的发生都有其原因和必然性。天文学家们需要对艾奥火山给出一个科学的解释。

  首先被人想到的是:“一定存在着一个亿万年来不断搅动艾奥地壳内火山岩浆的力!”这个力只有一个可能,就是潮汐力。去海宁看过钱塘江大潮的人一定会对潮汐的巨大威力留下深刻印象,地球表面的潮汐主要是由于月亮和太阳对地球表面不同地方的引力不同所引起的。日潮高度只有月潮的一小半。在朔和望时,月球、太阳和地球基本处于一条直线上,月潮和日潮高度叠加,再加上喇叭形的钱塘江口地形,将从东向西涌过来的潮汐汇聚到一起,形成了数米高的大潮。同样在艾奥表面,木星以及其它三个伽利略卫星的万有引力是否也会在艾奥上引起潮汐呢?是否就是潮汐力搅动了艾奥地壳下面的岩浆呢?

  首先考虑木星对艾奥的引潮力。木星的质量是地球的3178倍,因此木星在艾奥表面上的引潮力要大得多,可以算出木星引力在艾奥表面的引起最大潮汐高度可达3千1百米。这真是一个非常惊人的数字,要知道地球表面的平均最大潮高只有不到1米。然而仔细想来,这仍然不能解释火山现象,因为艾奥是以固定的一面朝向木星的,木星的引潮力使得艾奥在朝向木星的方向上被拉长,使得艾奥成为了三轴椭球体的形状。木星在艾奥表面引起的潮汐形变是固定不变的,因此木星的引潮力不能成为搅动艾奥火山岩浆的动力。但是后来有些科学家又提出,艾奥的轨道偏心率较大,达到0.004,艾奥到木星的平均距离为42.2万公里,因此艾奥沿轨道运动时,到木星的距离有0.345万公里的变化量。引潮力的大小是与艾奥到木星距离的三次方成反比的,因此当艾奥处于近木星点时,潮汐高度较高,处于远离木星点时潮汐高度较低,可以算出潮汐高度的最大变化幅度可达76.2米。艾奥绕木星一周的周期为1.77天,因此在艾奥绕木星转动一周的时间内,引潮力就有一个极大的变化,这个变化足以成为搅动火星岩浆的动力。

  其次需要考虑的是其它三个伽利略卫星对艾奥的引潮力变化。由于潮汐摩擦力的作用,可能在几十亿年前木卫一,木卫二和木卫三已经形成了联锁运动;即艾奥每绕木星四圈,欧罗巴绕木星两圈,加尼美得绕木星一圈。欧罗巴和加尼美得对艾奥的引力周期性地变化。欧罗巴引起的潮汐变化周期为3.54天,加尼美得的为7.08天。根据潮汐公式可以算出;欧罗巴在艾奥表面引起的最大潮高为42.2米,加尼美得引起的是25米。这两个卫星在艾奥表面上引起的最大潮高为67.2米,也是个很大的量。木卫四(卡里斯托)距离较远,它的引潮力很小,可以忽略。

  至此我们可以想象一下艾奥火山的形成过程了;像其它的巨大卫星一样,早期艾奥也形成了地壳,地幔和地核的结构。但是木星以及其它伽利略卫星的巨大的引潮力,周期性地作用到艾奥的尚处于液态的上地幔上,就像厨师一样不断地揉搓着艾奥火山的液体岩浆,使它们一会上升,一会下降,在一两天之内升降幅度可达近百米。从艾奥诞生起,三十多亿年来引潮力一直带动着地壳下面的液体岩浆运动,同时也不断地输入能量,使得它们保持高温,不会凝固,一直到今天。

  除地球之外,在太阳系天体上,只在金星和艾奥上发现了正在喷发的火山。金星的火山被浓密的云层所遮盖,使我们无法直接进行研究。艾奥火山就成为了唯一的极好的地外火山研究样本,艾奥是太阳系地质活动最活跃的天体。自从1979年旅行者1号和2号探访木星之后,伽利略宇宙飞船于1990到2000年多次飞临艾奥,获得了大量的关于艾奥内部结构和物质成分的资料,并发现艾奥处于木星强大的磁场辐射带中,与木星有着物质流动。在2000年卡西尼宇宙飞船,2007年新地平线宇宙飞船,以及最近到达木星的朱诺宇宙飞船,都对艾奥做了进一步的考察。处于夏威夷的凯克望远镜和哈勃空间望远镜也都在不断地对艾奥进行观测。对艾奥及其火山的研究将会揭示更多的太阳系奥秘。

 

图一:木卫一艾奥(Io)

 

图二:伽利略卫星

   

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