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木衛一的火山活動

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埃歐與兩個來自星球地表的流束噴發。

埃歐的火山活動,是木星的衛星埃歐導致的熔岩流動、火山的凹坑,和數百公里高的硫磺二氧化硫的流束。這些火山活動是由1979年飛越的航海家計畫影像科學家發現的[1]。通過航海家伽利略卡西尼新視野號和地基天文學家的觀測已經發現150個以上埃歐火山的活動,依據這些觀測預測存在的火山應多達400個以上[2]。埃歐的火山活動在四個已知的太陽系的天體中是最活躍的(另外的三個是地球土星的衛星恩克拉多斯海王星的衛星崔頓)。

第一個預測在航海家1號飛越之前不久就被提出,埃歐火山活動的熱源來自他的離心率所造成的潮汐熱[3]。這不同於地球內部的熱能,主要來自放射性元素的放射性同位素衰變[4]。埃歐的軌道離心率使得它在軌道上的近木點和遠木點受到的木星引力有些微的差異,造成朝系突起的變化。這種變化造成埃歐的形狀改變,導致內部的摩擦發熱。若不是這些潮汐熱,埃歐將只是比地球的月球小一點的衛星,質量和大小都小一點的相似世界,被許多的撞擊坑覆蓋,並在地質上的活動已死的衛星[3]

埃歐的火山活動導致了數百個的火山形成中心和廣泛的熔岩形成,使這顆衛星成為太陽系中火山最活躍的天體。三種不同類型的火山噴發類型被辨認出來:不同的期間、強度和熔岩流出率,以及噴發是否在火山坑的內部(所知的破碎環形山)。在埃歐的熔岩流,數十或數百公里長,主要由玄武岩構成,與在地球夏威夷盾狀火山,例如啟勞亞火山,類似[5]。雖然多數的熔岩都由玄武岩構成,但也觀察到由硫磺和二氧化硫構成的熔岩。另一方面,被偵測到的噴發物溫度高達1,600K,這種高溫可以解釋噴發物是超鎂鐵質的矽酸鹽熔岩[6]

由於大量的硫磺物質出現在埃歐的外殼和表面上,有些暴發噴出硫磺,二氧化硫氣體和火成碎屑物質進入500公里高的太空中,造成大量的傘形的火山羽狀物[7]。這些物質將周圍的地形彩繪成紅色、黑色、或者白色,並且為埃歐補綴的大氣和木星延伸的磁層提供大量的材料。由於埃歐的火山活動,從1979年太空船飛越過之後已經觀察到了許多表面的變化[8]

發現[编辑]

在埃歐火山活動的發現影像

航海家1號於1979年3月5日邂逅埃歐之前,埃歐被認為是一個類似地球月球一樣死寂的衛星。發現圍繞在埃歐周圍的納雲導致衛星是理論中的蒸發岩的報導[9]

來自1970年代的地基紅外線觀測對此一發顯提供了提示,相較於其他的伽利略衛星,當埃歐進入木星的陰影內被遮蔽時,以10 μm的紅外線觀測到埃歐有異常的高熱流量[10]。當時,這些熱流量被歸因於埃歐有比歐羅巴甘尼米德更高的熱慣性[11]。但是以不同波長的20 微米紅外線觀測確有不同的結果,認為埃歐和其他的伽利略衛星有相似的表面物質[10]。從此以後,在短波上測量到的巨大熱流量被歸咎於埃歐的火山和太陽加熱的共同效應,而且太陽在波長更長的分量上提供了更多的熱能[12]。在1978年2月20日,Witteborn等人在5 微米的波長尚觀察到埃歐的熱輻射突然增加的現象,這個小組當時就考慮到火山的活動,但數據顯示這相當於埃歐表面上8,000平方公里的區域,溫度高達600K。但是作者認為這樣的假說不太可能,而改將輻射來源的注意力集中於埃歐與木星磁氣層的交互作用上[13]

航海家1號邂逅埃歐之前不久,Stan Peale、Patrick Cassen、和R. T. Reynolds在科學上發表了一篇論文,預言埃歐的表面和內部會因為火山的修改而有所不同,會有特質分明的岩石而不是同性質的混合。他們是考慮到木衛一軌道輕微的離心率會造成木星引力的差異,因而造成潮汐力對埃歐內部拉扯產生的熱,才提出這樣的模型預測。他們的計算建議埃歐內部同性質的物質孳生的熱量三倍於放射性同位素衰變所滋生的熱量。這種作用大到可以很容易從埃歐上分辨出來[3]

航海家1號觀察到的洛基火山口和附近的熔岩流和火山凹坑

航海家1號的第一張影像顯示埃歐缺乏撞擊坑,因此認為表面非常年輕。地質學家利用行星表面的撞擊坑估計地質年齡;撞擊的結構隨著行星表面的年齡增加而增加。換言之,航海家1號觀察到多種色彩的表面,佈滿了形狀不規則的沉降窪地,缺乏被上升的外緣環繞的典型撞擊坑 對表面的觀察建議,正如Peale和同事的推論,火山作用對埃歐的表面做了大量的修改[14]

在通過木星之後的第三天,1979年3月8日,航海家1號為了進行光學導航過程的需要,擷取了木星衛星的影像以幫助確定太空船確切的位置。當處理以埃歐為主體的影像,提高背景的可見性時,導航工程師琳達·蒙娜碧朵發現有高達300公里的雲彩伸展在衛星的邊緣[1]。最初,她假設是有一顆衛星隱藏在埃歐的背後,但合於此大小的天體不會出現在那個地點。這特徵被確定是之後被命名為Pele的黑暗且凹陷的活躍火山活動產生的羽毛狀[15]。在這個發現之後,從航海家的早期埃歐影像中又找到了另外7個羽毛狀的影像[15]。從多種來源取得的熱輻射影像也發現了溫度較低的熔岩[16]。當航海家2號在四個月之後獲得的影像與早先航海家1號的影像比較時,觀察到了表面的變化,包括在阿登火山口蘇特的新羽狀沉積[17]

熱源[编辑]

埃歐內部的熱源主要來自木星的引力脫曳孳生散逸造成的潮汐力[3]。這種外在的熱化不同於作用在地球火山的內部熱源,是放射性同位素衰變和來自吸積殘餘的熱[4][18]。在地球,這些內部的熱源驅動地函對流,又反過來導致板塊構造的火山作用[19]

埃歐的潮汐熱與木星與埃歐的距離,它的軌道離心率,它的內部構造和物理狀態有關[20]。它與歐羅巴甘尼米德拉普拉斯軌道共振,使在內側的埃歐的離心率維持著接近圓形,並且防止潮汐散逸。這樣的離心率導致埃歐在受到木星引力拖曳的頂點方向上,在軌道近木星點和遠木星點的潮汐隆起差異達到100公尺。這種變化造成潮汐拖曳在埃歐內部產生摩擦力,引起的摩擦熱足以導致內部物質的熱化和融化。不像地球,內部的熱大部分都通過外部的地殼傳導和擴散,在埃歐內部的熱式通過果山活動,並且引起衛星上空的熱流(全球總量:0.6-1.6 × 1014 )。它的軌道模型建議埃歐的潮汐熱會隨著時間有相當數量的變化,並且現在的熱流並不足以代表長期平均的值[20]。目前觀察到從埃歐內部散逸出的潮汐熱大於目前估計潮汐所能產生的熱,因此建議埃歐正處於在較大的潮汐變形週期中冷卻的狀態下[21]

結構[编辑]

航海家1號鄰近雷火山結構的火山核心和熔岩流影像。

航海家影像的分析引導科學家相信埃歐的熔岩流主要由各種各樣不同的自然力熔解的硫磺形態構成[22]。流體的顏色被發現與硫磺的各種同素異形體顏色相似。熔岩的顏色和亮度上的區別是由於硫磺的原子在不同的溫度下會以不同數量的原子結合和包裝成不同的分子結構。對拉火山結構的分析顯露出距出氣孔不同的距離,與不同顏色材料,都與液態的硫磺有關聯:緊挨在出氣孔的暗反照率物質對應在525K,在每一條熔岩流中間的紅色部分對應的是450K,在每一條熔岩流最遠的末端對應的是425K[22]。這種顏色模式對應出熔岩從中央的出氣口流出,當熔岩流動得越遠溫度就越低。另外,以航海家1號的紅外線干涉光譜和電波儀(IRIS)對洛基火山口的熱輻射溫度測量與硫磺火山活動是一致的[16]。但是,IRIS這件儀器不能檢測出代表各高溫度的波長,這意味著溫度與矽酸鹽類熔岩一致的火山活動不是由航海家發現的。儘管如此,航海家的科學家依然推論出矽酸鹽在埃歐年輕的面貌上必須扮演著一種角色,因為衛星的高密度和不規格火山坑的岩壁和陡波都需要有矽酸鹽的支持[23]。矛盾出現在航海家飛越時的光譜、溫度和結構的數據之間,行星科學家因此產生了辯論,討論埃歐的火山是由矽酸鹽還是硫磺的物質構成熔岩[24]

在1980和1990年代以地基進行的紅外線觀測,將觀測的主要例證從一個硫磺為主的火山口轉移至以矽酸鹽為主的火山口,使硫磺在火山活動中成為次要的角色[24]。在1986年,在埃歐的前導半球測量到一次明亮的爆發,顯示溫度至少有900K,這遠高於硫磺715K的沸點,表示矽酸鹽的成份至少存在於埃歐的一些熔岩流中[25]。相似的溫度也在1979年航海家二度的邂逅中在蘇特的噴發,和Witteborn與同僚在1978年觀測到[13][26]。另外,模型也建議矽酸鹽溶岩在埃歐冷卻得較快,造成它門的熱輻射由低溫的成分所控制,例如凝固的過程,以及熔岩在爆發的附近實際上仍然接近爆發時的溫度,依然是融化狀態覆蓋的範圍較小[27]

伽利略號的埃歐熱輻射地圖

矽酸鹽的火山作用,包含有鎂鐵物質和超鎂鐵質(的含量高)的玄武岩熔岩,被伽利略號太空船在1990和2000年代測量埃歐上許多熱點-被檢測出輻射高熱的地點-的溫度,和對暗區的光譜測量,獲得了證實。來自伽利略號的固態影像(SSI)和近紅外映射光譜儀(NIMS)顯露了許多熱點的溫度範圍至少在1200K,最高溫則達到1600K,例如1997年爆發的Pillan Patera[5],在伽利略號最初建議的爆發溫度高達2000K[28]但事後證明那次引用了錯誤的溫度模型,使得計算所得的溫度偏高[5];對埃歐黑暗物質的光譜觀測認為存在著正輝石,像是頑火灰石,富含鎂的矽酸鹽礦物共同存在於鎂鐵和超鎂鐵的玄武岩內。這些黑暗的物質似乎在火山坑內,新的熔岩流,和火成岩的圍繞著最近的沉積,易爆發的火山噴發[29]。以對熔岩的光譜測量和已經測量的溫度為基礎,有些熔岩也許類似於地球的鎂橄玄武岩(科馬提岩)[30]在過度的高壓下加熱,可能會增加岩漿從表面噴發出來時的溫度,也可能是造成某些地區有著更高爆發溫度的因素[5]

對埃歐火山溫度的測量平息了硫磺和矽酸鹽之間的爭辯,並且確認了航海家伽利略在木星的任務,在埃歐上觀測到的現象中,硫磺和二氧化硫依然扮演著重要的角色。這兩種物質在埃歐火山的羽狀物中被檢測了出來,而且硫磺是Pele型主要的組成成分[31]。在埃歐表面被確認的明亮流體,例如Tsũi Goab Fluctus、Emakong Patera、和Balder Patera,都是暗示有溢出的硫磺或二氧化硫的火山作用[32]

噴發的式樣[编辑]

由太空船和地基天文台的觀測已經讓天文學家能對由衛星觀測到的埃歐火山噴發類型做出了區別和進行分類,被辨認出的三種主要類型包括火山口內部型流體主導型、和爆炸主導型噴發。它們的不同是根據噴發期間、釋放的能量、亮度和溫度(來自對紅外線影像的測量)、熔岩的型態、和是否被限制在火山坑內[6]

火山口內部的噴發[编辑]

杜班火山口,一個沉積火山的例子

火山口內部的噴發通常發生在有沉積,被稱為不規則火山口的火山口內[33],它們通常有陡峭的岩壁和一定的平坦地面,這些火山口類似地球上的破火山口,但是不知道它們是否像地球上的火山,有空的崩潰的熔岩室。一個假說認為它們是經由挖掘火山的基石,疊加的材料被炸開或累積成基石[34]。有些火山口顯示出多次崩塌的證據,與火星上的奧林帕斯火山相似,或是地球上的啟勞亞火山,認為它們的地形也會成為像破火山口一樣的火山口[33]。因為形成的機制仍不清楚,因此依照國際天文學聯合會(IAU)的命名規定,使用拉丁文paterae做為擁有這種特徵地形的名字。與地球和火星上類似地形不同的是,這些凹陷的地形通常沒有高聳和巨大的高峰屏障著火山口,並且平均的直徑只有41公里,深度只有1.5公里[33],最大的火山凹陷在直徑202公里的洛基火山口。無論形成的機制是如何,許多火山口在形態學和分布狀態上都建議它們是在結構上受到了抑制,至少有一半是受到斷層或山脈的限制[33]

紅外線顯示的Pele熔岩湖夜景的熱輻射影像。

這些噴發物的形態不是形成熔岩流,就是散布成火山口內的基石,或是熔岩湖[2][35]。因為解像力的不足和這兩者的熱輻射特徵非常相似,因此除了伽利略號7次近距離飛越的觀測之外,很難分辨和告訴我們在火山口內基石的是熔岩流還是熔岩。火山口內部熔岩流的噴發,像是在2001年噴發的基許帕火山口,只能看到它在愛奧尼亞平原內伸展和橫越[35]。類似流動的特徵在相當數量的火山口內被觀測到,像是卡馬斯特里火山口,因此認為這些熔岩流會週期性的反覆出現在火山口內的平地[36]

愛奧尼亞熔岩湖是凹陷的地區,有部分充滿了有著薄薄的一層固體外殼覆蓋的液態熔岩,這些熔岩湖直接連接到在底下的岩漿庫[37]。對幾個愛奧尼亞熔岩湖的熱輻射觀測顯露出融化了的岩石沿著火山口的邊緣成長,造成火山口的邊緣沿著湖的外殼被破壞。隨著時間的流逝,因為變成固體的熔岩比重比下方仍然是液態的熔岩大,這些外殼可能的掙扎,能觸發火山內部熱輻射能量的增加[38]。對一些熔岩湖,像是Pele就是其中的一個,這種過程持續的發生,使得Pele成為埃歐的近紅外線光譜中最明亮的輻射源[39]。在其他的場所,像是洛基火山口,這種過程是偶發性的。在偶發的翻轉期間,洛基火山口輻射出的熱比他的外殼在穩定的期間多出十餘倍[40]。這些比較寧靜的熔岩湖在噴發的期間,外殼延展出的波動會以每天大約1公里的速率在火山口內橫越和伸展,直到整個湖的外殼都全部再出現。一旦新的外殼冷卻並且有了足夠的厚度,使它不能再輕飄飄的浮在融化的熔岩之上,另一次的噴發就即將開始[41]

流體主導的噴發[编辑]

庫蘭火山口,一個流體主導噴發的例子。

流體主導的噴發事件是長期且廣泛存在的現象,並形成複合的熔岩流,這種熔岩流擴散的程度使它成為埃歐火山活動的一種主要的型態。在這種型態的噴發,岩漿散布在火山口內,並圍繞在火山口的出氣口,從出氣口的地面湧現至表面,或者從平原上的裂縫噴出,產生膨脹,就如同在地球上夏威夷的啟勞亞火山[36]。來自伽利略太空船的影響顯露出許多艾歐的主要熔岩流,像是普羅米修斯阿米拉尼,都是在舊的熔岩流頂部產生小的斷裂累積而成[36]。流體主導的噴發與爆炸主導的噴發不同,由於它們單位時間內輸出的能量較低,因此能維持較長的壽命[6],熔岩的噴發一般均以平穩的速率進行,並且至少能持續一年或長達數十年10。

在埃歐的阿米拉尼和瑪蘇比火山口曾經觀察道長達300公里的活躍熔岩流。相對的,被稱為Lei-Kung Fluctus的是較不活躍的熔岩流,覆蓋的面積廣達125,000平方公里,這個區域比尼加拉瓜略大一些 [42]。 伽利略號未能測量熔岩流場的厚度,但是由在表面個別的斷裂處估計厚度大約是|米。在許多的事例中,活動中的熔岩流的表面在距離出氣孔數十到數百公里處斷裂,在出氣口和斷裂處之間偵測到的熱輻射總量相當的低,因此認為從出氣孔到斷裂處的熔岩流是在熔岩管內流動[43]。通常,這些噴發都有穩定的噴發速率,但在許多流體主導的噴發點也觀察到劇烈的噴發。例如,航海家在1979年和伽利略號在1996年間觀察到普羅米修斯的熔岩流場的前緣就移動了75至95公里[44]。通常由爆炸主導的熔岩流規模都比較小,但平均而言,這些複雜熔岩流場的規模仍然比在地球上相似的熔岩場要大。在伽利略任務期間,觀察到普羅米修斯和阿米拉尼的熔岩覆蓋速率是每秒35至60平方米,相較於地球的啟勞亞的的覆蓋率只有0.6平方米 [45]

爆炸主導的噴發[编辑]

伽利略號在1999年拍攝到活躍的特瓦史塔火山的熔岩流和噴泉影像

爆炸主導的噴發是埃歐上最顯著的噴發型態。這些從地球上能檢測的噴發有時稱為"爆發",它們的特徵是期間短(持續只有幾星期或幾個月),迅速起始、大容量的流率和高的熱輻射[46]。它們導致埃歐在近紅外輻射短期大量且明顯的增光。在歷史上最強有力的火山爆發是在2001年2月22日由地基天文學家觀測到的蘇特火山(Surt)[47]

爆炸主導的噴發是當岩漿的主體(稱為堤堰),來自埃歐深處被溶解的部分地函,經由裂縫抵達表面。這會導致壯觀的熔岩噴泉出現[48]。當爆炸性的噴發開始的時候,以1-3微米為主導的紅外線熱輻射開始增強,它是大量曝露在外的,新生的熔岩在噴泉之內產生爆發來源的出氣口[49]。在1999年11月和2007年2月,爆炸性的噴發發生在特瓦史塔,形成25公里長,1公里高的熔岩"簾幕",在較大且複雜的特瓦史塔火山口內形成一個小的巢狀火山口[48][50]

很多熔岩被這些熔岩噴泉曝露出來,提供了研究人員實際測量愛奧尼亞火山熔岩活動的最佳機會。從測量到高達1,600K的溫度,暗示這些構成與前寒武紀鎂橄玄武岩(科馬提岩)相似的超鎂鐵質熔岩是造成這些爆發的主導者。然而,在上升至表面期間被過度加熱的岩漿,不可能被排除是造成此種高溫的一個因素[5]

兩幅伽利略號的影像顯示1997年爆發的Pillan火山顯示出爆發性主導的噴發效果

當有更多的爆炸時,熔岩噴泉的階段也許可以持續幾天或一個星期,爆炸主導的噴發可以持續幾星期到幾個月,造成大面積的矽酸鹽熔岩流。在1997年主要來自Pillan火山口西北的一道裂縫,持續了半個月的噴發,造成超過31立方公里的新鮮熔岩,稍後充斥在Pillan火山內的地板上[51]伽利略號的觀測認為在Pillan火山在1997年噴發時的熔岩覆蓋率是每秒1,000至3,000平方米,熔岩流的厚度被發現是10米,相較之下普羅米修斯和安米拉尼平坦的地基只有1米的厚度。相似的,伽利略號在2001年觀察到托爾的熔岩流也是如此的迅速[2],這樣的流速在地球上也曾在1783年出現在冰島噴發湖,造成大面積的玄武岩散布[6]

爆炸主導的噴發可以在爆炸點附近造成劇烈的表面變化(但是壽命不長),例如大片的火山碎屑和由來自熔岩噴泉的氣體擬析的羽毛狀雪花[49]。Pillan在1997年的噴發造成400公里寬的黑暗的矽酸鹽物質和明亮的二氧化硫沉積[51]特瓦史塔在2000年和2007年的噴發引起了330公里高的的流束和沉積成1,200公里寬環狀的紅色硫磺和二氧化硫[52]。儘管有這些劇烈的特徵出現,在材料不能持續提供下,出氣口周圍經常在幾個月(在Grian火山的情況)或數年(像是Pillan火山)就會回覆到爆發出現之前的狀態[8]

流束(Plumes)[编辑]

新視野號的系列影像顯示出特瓦史塔火山噴出的物質高出表面330公里

在1979年Pele和洛基火山的流束被發現,為埃歐的地質活動活躍性提供了確鑿的證據[1]。通常,由揮發性的硫磺和二氧化硫構成的流束由埃歐表面噴發的速度可以達到每秒1至2公里,在火山的流束中發現的其它物質還有、和[53][54]。當這些突然發生時,火山流束相對的是不平凡的,在埃歐上發現活動中的火山多達150個以上,但被觀察到的流束只有12個[7][50]。埃歐的熔岩流在有限的面積下建議許多的更新必須刪除埃歐坑穴的紀錄,其中必然有一些儲存的流束資料[8]

在埃歐最普通的火山流束型態是塵埃流束,或是普羅米修斯型流束,當在下層被侵蝕的熔岩流氣化造成二氧化硫霜,將材料送上空中[55]。普羅米修斯型流束的例子有:普羅米修斯阿米拉尼拉瑪瑪(Zamama)、和瑪蘇比。這些流束的高度通常都低於100公哩,噴發的速度大約是每秒0.5公里[56]。普羅米修斯的流束是充滿了塵埃,以一個密集的內部核心和上部的天篷激震區,使它們呈現傘狀出現。這些流束主要含有二氧化硫霜,經常形成半徑100至250公里的明亮圓環沉降。普羅米修斯型流束最常見於流體主導的噴發,這有助於流束維持較長的壽命。航海家1號在1979年觀察到的6個流束中的4個,在伽利略和2007年新視野號經過時都還被見到[15][50]。塵土的流束在陽光照射下可以清楚的被看見,在太空船飛掠過埃歐的可見光影像,許多的普羅米修斯型流束的外圍都有微弱的暈;Pele型的流束富含氣體,能達到更高的高度和更為巨大[7]

埃歐最大的流束,Pele型,是當硫磺和二氧化硫氣體從出氣口或岩漿湖的岩漿中擬析出來所創造的,還攜帶著矽酸鹽的火山碎屑伴隨著[7]。少數的Pele型流束,通常與爆炸主導的噴發聯繫在一起,只有較短的壽命[6]。其中例外的是Pele,它與長期活躍的熔岩湖聯繫在一起,但是流束仍然是斷斷續續的[7]。出氣口的溫度和壓力越高,則這些流束的噴發速度可以達到每秒1公里,使流束可以到達300至500公里的高度[56]。Pele型流束形成紅色(短鏈的硫磺)和黑色(來自矽酸鹽的火山碎屑)硫磺沉積物,包括大約達1,000公里寬的紅色圓環,一如在Pele看見的[8]。被稱為隱形流束的另一型,因為塵埃的含量偏低而通常比普羅米修斯型更為微弱。這一型的流束通常都要在埃歐進入木星的陰影中才能在紫外線波段的觀察下見到。這只有少量塵埃流束的影像,只有當硫磺和二氧化硫氣體達到它們的彈道高度而凝聚時,才可能在陽光照射下被看見[7],這就是這種流束缺乏像普羅米修斯型中心被看看見的塵埃柱的原因,而塵埃經常是流束的源頭。例如Pele型流束曾經在Pele、特瓦史塔、和Grian被觀測到[7]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

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外部鏈結[编辑]