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Jupiters Mond Io
Physikalische Eigenschaften
Rotationsperiode 1.769 Erdentage
Orbitalperiode 1.769 Erdentage
Große Halbachse 421 800 km
Inklination 0.04°
Masse 8.93 x 1022 kg
1.5% ME
Durchmesser 3643.2 km
Mittlere Dichte 3.5 g/cm³
Erdmond 3.34 g/cm³
Erde 5.51 g/cm³ Albedo 0.61
Mittlere Oberflächentemperatur 145K
Gezeitenbedingte Deformationen
Io 1.77 Erdentage
Europa 3.55 Erdentage
Ganymede 7.15 Erdentage
YoYo-Bewegung
Konstant elliptischer Orbit (e = 0.0041)
Verformung zu einem triaxialen Ellipsoid
Innere Eigenschaften bestimmen die Art der Deformation Rückschlüsse auf das Interieur
𝐿𝑜𝑣𝑒 𝑍𝑎ℎ𝑙 𝑘 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑎𝑙
𝑅𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠−𝑢𝑛𝑑 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑎𝑙
Io´s Interieur
2 Schichten Modell:
Körper in hydrostatischem Gleichgewicht
Kurven im Phasengleichgewicht bei -8Gpa
Kern von 0.37 RIO bis 0.52 RIO Größe
Fe 8 kg/m³
Fe-FeS 5.51 kg/m³
Silikatmantel vergleichbar dem Erdmantel
(3.25 – 3.3 kg/m³)
Ein Mantel niedrigerer Dichte würde einen
Kern aus Metall und Gestein erfordern
Dichteprofil von Kern und Mantel, der beobachteten Love-Zahl (Gravitationsmessungen)
und der Gesamtmasse genügend
Mit zunehmender Entfernung von Jupiter wurde der Differentiationsprozess stärker
Kern: 1
5 bis
1
10 der Gesamtmasse
0.37 RIO = 674 km
0.52 RIO = 950 km
Der Eisenanteil ≅ 10 – 14% MIO
Schwefelanteil bis zu 37 % möglich
Mantel: Sehr pyroxenreich
Ähnlich den L- und LL-Chondriten (Rückschlüsse über Oberflächenlava)
Vermutlich zu 10 – 20% aufgeschmolzen
Direkter Übergang Asthenosphäre ↔ Kruste
Surface Heat Flow SHF über thermale Emission bestimmbar – eine
Ausnahme im Sonnensystem
Werte liegen in einem Bereich von 1,5 – 4 W/m²
Global ergibt das einen SHF von 1014 W
Methoden:
1988: Veränderungen in thermalen Emissionen während Bedeckungen (wellenlängenabhängig) 2,5 W/m²
1996: Voyager IRIS Messungen von Hot Spots bei 5 – 20 μm extrapoliert untere Grenze von 1,85 W/m²
2001: Wärmefluss abkühlender Lava und Wärmeleitung durch die Lithosphäre (1 W/m²) mit einkalkuliert 2.1 ± 0.7 W/m²
Veeder (2004) berücksichtigte therm. Strahlung bei höheren Breitengraden 1,5 – 4 W/m²
Oberflächenerneuerung Auf Io findet sich kein einziger Impaktkrater
λ = 𝐷 𝜈𝜌 𝑐
𝑘
ν ...Abwärtsgeschwindigkeit
D ...Lithosphärendicke
k ...thermale Konduktivität
ρ ...Dichte
c ...spezifische Wärme
SHF verursacht durch Silikatvulkanismus
Eruptionstemperaturen von 1200 – 1400 K (1800 K in Extremfällen) 1014 W erfordern 1 – 2 cm frisches Material / Jahr Ältere Schichten werden begraben, nach unten transportiert, und in den Mantel recycelt Die Advektionsrate kann durch die Advektionsgeschwindigkeit beschrieben werden... Über λ ergibt sich eine zu 10 – 20% aufgeschmolzene Asthenosphäre, die zwischen 60 und 120 km dick zu sein scheint.
Berge und Tektonik
135 identifizierte Berge, davon nur 6 Vulkane
Kein tektonisches Muster in der globalen Verteilung erkennbar
Reiche Vielfalt an Morphologien
Typisch 100 km breit und mehrere km hoch (<H> = 6 km, Hmax = 17 km)
Entstehen vermutlich durch advektionsbedingte Kompressionsspannungen
39 % aller bekannten Berge liegen in direktem Kontakt mit Paterae
Nur eine stark silikathaltige Kruste kann Berge dieser Höhe tragen
Vulkane und ihre Eruptionen Pele-Typ Prometheus-Typ
Kurze Eruptionen (Tage bis Wochen) Langzeit Eruptionen (Jahre)
Schwefelhaltige Lava von ~ 650 K Temperaturen ähnlich terrestrischem basaltischen Vulkanismus
Plumes von bis zu 300 km Höhe Plumes von 60 bis 100 km Höhe
Auswurfringe von bis zu 1400 km Auswurfringe von bis zu 250 km
Dunkle Ablagerungen (wenig SO2) Ringförmige Ablagerungen (reich an SO2)
Calderas / Paterae Kollabierte Magmakammern; 40 bis 200 km groß und einige km tief
Dunkle Färbung – der Boden ist von frischer, spiegelglatter Lava überzogen
Unterirdische Lavaseen
Durch Brüche tritt immer wieder Magma aus Verfärbungen an der Oberfläche
Pillan Patera Links im März 1979 Rechts im Juli 1979 Der schwarze Fleck deutet auf erneute Aktivität des Lava-Beckens hin
Eruptionsarten
Flussdominiert (Prometheus)
Explosions-dominiert
(Pillan)
Intra-Patera Eruptionen
(Loki)
Aus Paterae oder Rissen in der
Oberfläche tritt Lava aus und wälzt
sich langsam über die Ebenen
Entstehung durch Paterae oder
Brüche, aber sehr kurzlebig (Tage
bis Wochen)
Begrenzt auf Paterae
SO2 Schnee verdampft es kommt
zu wiederholten Eruptionen
Weitläufige pyroklastische
Ablagerungen, Flussfelder dunkler
Lava und gigantische rote Ringe
Können auch ohne Plumes
vorkommen
Mit der Fortbewegung der Lava
wandert der Plume
Temperaturen vergleichbar
terrestrischem (ultra)mafischen
Vulkanismus ( ~ 1800°K)
Die Kruste der Lava-Seen schmilzt
auf und sie laufen über
Plumes scheinen von SO2 Gas
dominiert zu werden
Neuere Daten sprechen für
komatiit-baslatischen Vulkanismus
Heiße Ränder, weiße und rote
Verfärbungen
Temperaturschätzungen sehr
schwierig
Die Eruptionen sind stetig und
können über mehrere Jahre
andauern
Tragen vmtl. nicht viel zur
Oberflächenerneuerung bei
Temperaturmessungen passen zu
terrestrischem basaltischen
Vulkanismus
Die meisten Vulkane fallen mit
solchen Paterae zusammen
← Die Prometheus Eruption produziert ein
Flussfeld aus Silikaten
Während es sich weiterbewegt treten
immer wieder neue Eruptionen auf
Pillans enorm große rote Ringe entstehen,
wenn das ausgeworfene Material mit
Schallgeschwindigkeit auf die Oberfläche
zurückfällt und Schockfronten produziert
↓
Tvashtar – links im November 1999 zeigt er flussdominierten Vulkanismus Im Februar 2000 (Mitte) Intra-Patera Vulkanismus
←
Plumes Wieder finden sich 2 Typen von Plumes:
1. gigantische Plumes mit schwefelreichen Gasen aus dem Mondinneren
Sie sprenkeln die Oberfläche mit enorm großen roten Ringen und Farben [Pele]
2. Eine große Anzahl kleiner Plumes
Sie entstehen wenn heiße Lava-Flüsse über leicht flüchtiges Oberflächeneis
(SO2-Frost) hinwegströmen [Prometheus]
Plumes bestehen aus Staub und Gas
Austrittsgeschwindigkeiten von 500 bis 1000 km/s
Maximalhöhen von 400 km
Plumes tragen zur Oberflächenerneuerung bei,
reichern die neutralen Wolken und den Plasma-Torus an,
und lassen Rückschlüsse auf das Interieur von Io zu
4. März 1979, Voyager 1
Plume Prometheus
Plume Pele
Staub und Gas klassifizieren 2 Typen von Plumes
1. Prometheus-Typ:
Kleine, optisch dichte Plumes mit weniger als 100 km Höhe. Oft wird Migration
beobachtet. Prometheus wanderte in 17 Jahren 80 km nach Osten. Er folgte
einem Lava-Fluss, der einer kleinen Patera entspringt.
Dieser Typ enthält hauptsächlich SO2 Gas (wenig S2)
Ablagerungen v.a. SO2 Frost (400 km Durchmesser)
2. Pele-Typ:
Die gigantischen Plumes sind seltener, können aber bis zu 400 km Höhe erreichen.
Im optischen schwer zu erkennen, zeigt sich Peles Plume im UV als über 1000 km
breit. Doch er ist hoch variabel; manchmal erscheint und verschwindet er binnen
24 Stunden. Pele ist ein beständiger HotSpot (T > 1500 K) und produziert sehr
schwefelreiche Gase, ua. S2, S und SO.
Ablagerungen in Form gigantischer roter Ringe (1200 km Durchmesser)
Chemische Zusammensetzung Die bunte Farbpalette
• 40 % der Oberfläche sind gelb
konzentriert auf die Äquatorregion, teilweise von SO2 Frost aus
Plume-Ablagerungen bedeckt
Grün-gelbe Flecken könnten Verunreinigungen durch andere Elemente oder
Silikate darstellen
• 27% grau-weiß:
Grob- bis mittelkörniger SO2 Schnee
Ebenfalls am Äquator und um vulkanische Zentren herum
• 1.4% schwarz:
Silikathaltige Lava-Flüsse aus (ultra)mafischen Komponenten
Meist nahe vulkanisch aktiver Zentren auf den Böden von Calderas
(korreliert mit gegenwärtigen oder erst kürzlichen Eruptionen)
• Rot:
Kurzkettige Schwefelmoleküle (S3,S4) aus frischen Ausgasungen. Verbinden sich
schnell zu stabilen S8–Ringmolekülen (gelb)
SO2 wird als Frost oder Adsorbat überall auf der Oberfläche gefunden
Schwefelmonoxid (Sekundärprodukt der Plumes) ist auf der Oberfläche instabil
Es wird nur in der Atmosphäre beobachtet (photochemische Prozesse)
Aus Schwefel und SO2 entsteht das instabile Schwefeltrioxid (SO3) radiolytischer Zerfall erzeugt SO2 und O2, das in die Atmosphäre entkommen kann.
S2-Monoxide sind instabil und zerfallen zu SO2 und S3. Daraus kann sich S5O formen, das wiederum sofort in SO2, S3 und S4 zerfällt.
NaCl photodissoziiert auf der Oberfläche und produziert atmosphärische Na und Cl Atome
Ein 3.15 μm Band der Oberfläche könnte Wasser oder OH-Radikale repräsentieren. OH-Radikale konnten mittlerweile bestätigt werden
Ca und Al sind aus einst vorhandenem Fe, Mg, Si, und O entstanden daher
keine eisenhaltigen Silikate auf der Oberfläche (ständiges Verdampfen und
Rekombinieren)
Zur Veranschaulichung SO2 = weiß
S3, S4 = rot
S8 = gelb
Grüne oder graue Verfärbungen können von Spurenanteilen anderer Elemente herrühren
S3 und S4 sind kurzkettige Moleküle, die Ringform des S8 ist stabiler, weshalb rote Flecken bzw. Ringe innerhalb weniger Monate zu gelb verblassen
Schwarz = Silikatablagerungen
Io´s Atmosphäre
1973: Pioneer 10 findet eine relativ dichte Ionosphärenschicht,
sowie Wolken aus atomarem Natrium und Kalium
1979: Voyager stellt SO2 Gas fest
Es folgen Beobachtungen von SO, S2, S3, S4, S2O, NaCl, Na, Cl, KCl, K
Bei der Modellierung wurden viele Prozesse berücksichtigt
(Sublimation, vulkanische Ausgasungen, Photolyse, ...)
Heute wissen wir:
Es existiert eine 120 km hohe globale SO2 – Atmosphäre
deckt 50 – 70% der Oberfläche ab
auf niedrige Breitengrade konzentriert
rapider Abfall des Gasdrucks mit höheren Breitengraden
Sublimation oder Vulkanismus?
• Zur typischen Atmosphärendichte passt sowohl die Sublimationstemperatur von SO2
wie auch eine Ausgasungsrate von 30t/s
• Viele extrem kurzlebige vulkanische Endprodukte in der Atmosphäre (NaCl, Na, Cl, KCl, K)
• SO2-Gas konzentriert sich über vulkanisch aktiven Gebieten;
• SO2 -, sowie SO – Gehalt nehmen mit ± 30° ab
• Ab ± 45° rapider Abfall des Gasdrucks
• ABER: SO2-Gas findet sich auch dort, wo keine Vulkane sind
Eine Kombination beider Prozesse ist wohl die wahrscheinlichste Lösung, wobei Vulkane 10 % zur Atmosphäre beitragen.
SO2 ist ein starker Kontinuum-Absorber bei Lyα:
Im Gleichgewichtszustand entspricht SO2 einer Temperatur von 130 K und einem Druck von 10-7 bar.
Eine longitudinale Beobachtung von der Morgen- bis zur Abenddämmerung würde mehr Information über Sublimationsprozesse liefern.
Neutrale Wolken und Plasma Torus Plasma der Magnetosphäre des Jupiter strömt durch die obere Io-Atmosphäre, die Folgen...
1. Sputtering:
Während Io sich mit 17 km/s bewegt, fließt das Plasma mit 74 km/s gewaltige Stoßkraft bei der Kollision mit den Atmosphärenteilchen
Die neutralen Atome kollidieren wieder mit anderen Atome und Moleküle können der Atmosphäre entkommen
So fließt Material von Io in die Wolken
...und schlussendlich in den Torus
2. Ionisation:
Torus-Elektronen ionisieren Atome der Atmosphäre
werden auf Geschwindigkeiten vergleichbar dem Plasma beschleunigt
Die Atome werden in und gegen Io´s Bewegungsrichtung ausgeworfen:
Die rückwärtig ausgeworfenen Atome sind zu langsam für einen zirkularen Orbit
Wandern Richtung Jupiter
Epot wandelt sich in Ekin um
Sie werden schneller und gelangen
zurück in Io´s Orbit, aber vor ihm
Atome, die in Io´s Bewegungsrichtung entkommen sind zu schnell für einen zirkularen Orbit
Bewegen sich elliptisch von Jupiter fort (~ 6RJupiter)
Werden langsamer und fallen zurück
Sie landen wieder in Io´s Orbit, aber hinter ihm
Durch die Ionisation ergeben sich 2 Bereiche neutraler Wolken
Innerhalb Io´s Orbit ist das Plasma (vergleichsweise) kühl die Atome leben länger
Die hintere Wolke erstreckt sich in den äußeren Bereich
Na-Atome überleben vielleicht 4 h
Virtuell ist die hintere Wolke nicht existent
Die Banana-Wolke
Die dem Io vorgelagerte Wolke wird auch als ‚Banana-Wolke‘ bezeichnet.
Lange Zeit dachte man die hintere Wolke würde in Wahrheit gar nicht existieren und Teilchen doch nicht in diese Richtung geleitet.
Doch durch die schnelle Ionisierung der Natrium-Atome wird die Banana-Wolke zum Leuchten angeregt!
Der Plasma Torus Entstanden aus dem Massenverlust der neutralen Wolken, regt er diesen aber auch an
Durch die kontinuierliche Ionisation der neutralen Wolken entsteht ein Ring aus Plasma;
Mit Io gemeinsam umkreist er Jupiter
Das Plasma bewegt sich mit 74 km/s und besteht aus O+, S+, S++, O++, und S+++ Ionen
Dichte ≈ 2000 e-/cm³
Ionentemperatur ≈ 100 eV
Die meiste Energie geht durch
Abstrahlung verloren UV, EUV, vis
Neigung von 7° auf Grund der
Schieflage des Jupiter-Magnetfelds
Äquatorial begrenzt
Io´s Kopplung an Jupiters Ionosphäre Io hat kein eigenes Magnetfeld (verifiziert durch Galileo Fly-Bys über die Pole)
Jupiters Magnetfeldlinien kommen sehr nah an ihn heran
So nah, dass Partikel aus dem Plasma absorbiert werden
Andererseits schlagen aber auch Partikel von Io auf Jupiter ein
Polarlichter auf Jupiter
Elektronenflüsse von Io erzeugen zusätzlich Leuchterscheinungen im UV
Polarlichter im optischen Bereich
Leuchterscheinungen im UV
Der starke elektr. Strom, der durch Io´s Ionosphäre fließt, koppelt ihn an Jupiters Ionosphäre
Er fließt entlang der Magnetfeldlinien, die Energieentladung führt zu den
Leuchterscheinungen im UV
Entlang derselben Linien breiten sich von Io verursachte Alfven-Wellen aus
Radioemissionen
Aber wie kann zwischen Plasma Torus und Jupiters Ionosphäre Strom fließen?
Die Dichte ist viel zu gering
Vielleicht werden Elektronen und Ione so
sehr beschleunigt, dass sich nahe der Pole
Gebiete ausbilden, in denen Strom fließen
kann ‚Auroral Cavities‘
In diesen Regionen werden die Radio-
Emissionen erzeugt.
Die Chance von Leben In gefrorenem SO2 finden sich 3% H2S und 0.1% H2O eingeschlossen (Laborspektren)
Andere Lösungsmittel: H2S oder SO2
Beide finden sich in unterirdischen Pools in flüssiger Form
SO2: - 75°C bis - 10°C
H2S: - 85°C bis - 60°C
SO2 ist viel häufiger, doch bildet selten Wasserstoffbanden aus
Im Überlappungsbereich könnten lebende Zellen H2S absorbieren und als
intrazelluläres Lösungsmittel verwenden
Leben wäre nur ein Randeffekt
Polymere aus C, S, O, N, und Ph könnten Biomoleküle formen (vgl. lebende Zellen auf der Erde)
Wenn überhaupt, dann nur Mikroben und Pilze
Elektromagnetismus könnte die benötigte Energiequelle stellen:
Wahrnehmung = Erfassung von Energiefluktuationen
↔
Energiefluktuationen können biologische Prozesse beeinflussen
Metabolismus könnte nur zwischen - 60°C und – 75°C stattfinden
Auf Grund der niedrigen Temperaturen extrem langsam
R-Selektion:
Eine Hitzewelle verflüssigt die Umgebung und Organismen entstehen
Unter günstigen Bedingungen schnelles Wachstum
Hohe Sterblichkeitsrate
Unterirdische SO2 Pools existieren wahrscheinlich nicht lang genug
Quellen
Lopes and Spencer, 2007, Io After Galileo; Library of Congress Control Number: 2006928061
Faure and Mensing, 2007, Introduction to Planetary Science; Springer-Verlag
Frankel C. A., 2005, Worlds on Fire; Cambridge University Press
Irwin and Schulze-Makuch, 2010, Cosmic Biology; Praxis Publishing Chichester UK
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