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