太空探索

木衛一:被引力揉熱的火山世界

木衛一是木星最內側的伽利略衛星,也是太陽系火山活動最劇烈的天體。潮汐加熱讓它擁有 400 多座活火山,硫磺把表面染得五彩斑斕,表面幾乎找不到撞擊坑。

木衛一:被引力揉熱的火山世界

如果你能安全地懸在木衛一(Io)上空,可能同時看到幾座火山把物質噴向太空。它直徑 3643 公里,比月球略大,是四顆伽利略衛星中最靠近木星的一顆,也是太陽系火山活動最劇烈的天體。

被木星反覆揉捏:潮汐加熱機制

木衛一距木星僅約 42.2 萬公里,公轉一週只要 1.77 天。它與木衛二、木衛三被鎖在拉普拉斯共振中,三者公轉週期之比恰為 1:2:4。這使木衛一的軌道無法完全變圓,木星巨大的潮汐力便隨它每圈公轉,把整顆衛星反覆擠壓、拉伸,地表起伏可達百米量級。岩石在不停"揉捏"中摩擦生熱,內部熱流達每平方米約 2 瓦,是地球平均值的二十多倍。有趣的是,1979 年科學家剛發表論文預言這種潮汐加熱,幾天後旅行者號就用噴發畫面證實了它。

內部結構:鐵核、巖幔與火山通道

木衛一的平均密度約每立方釐米 3.53 克,與月球相當,是一顆岩石質衛星。探測表明它有一個鐵與硫化鐵組成的金屬核,半徑可能佔整顆衛星的一半;金屬核外是矽酸鹽地幔,潮汐加熱使其部分熔融,岩漿順通道上升,從最外層薄殼中噴薄而出。它幾乎沒有水和冰——在上千度的熔岩面前,揮發物難以立足。

木衛一內部結構剖面示意圖:中央是鐵質金屬核(灰色),外面包裹高溫部分熔融的岩石地幔(橙黃色),最外層是斑駁的硫磺地殼
木衛一內部結構剖面示意圖:中央是鐵質金屬核(灰色),外面包裹高溫部分熔融的岩石地幔(橙黃色),最外層是斑駁的硫磺地殼

太陽系最狂暴的火山世界

木衛一表面分布著 400 座以上活火山,噴發物能衝上 300 公里 高空。引力只有地球的六分之一、大氣又極其稀薄,噴發柱呈巨大的傘形展開,落回地面鋪出上千公里的沉積環。有的熔岩溫度超過 1200 攝氏度,比現代地球上的熔岩更熾熱,成分接近地球早期才常見的超基性岩漿。洛基火山湖(Loki Patera)的熔岩湖直徑約 200 公里,遠超地球上任何火山口。

伽利略號拍攝的木衛一晨昏線附近影像:左下方邊緣處,一縷泛藍的火山噴發柱正升騰到黑暗太空中
伽利略號拍攝的木衛一晨昏線附近影像:左下方邊緣處,一縷泛藍的火山噴發柱正升騰到黑暗太空中

硫磺調色的五彩表面

木衛一的顏色來自硫。火山噴出的二氧化硫在寒冷的表面(平均約零下 140 攝氏度)凝成白色霜層;不同溫度下結晶的硫呈現黃、橙、紅乃至近黑的色澤,新噴發口周圍鮮紅的硫環日久會褪成黃色。正因為火山不停"翻修"地表,木衛一表面幾乎找不到撞擊坑,是太陽系中最年輕的面孔之一。

人能站在火山旁邊看噴發嗎?

幾乎不可能。木衛一沒有可供呼吸的大氣,表面還處在木星強輻射環境中;火山口附近可能極熱,遠處地面卻冷到約零下 140 攝氏度。低重力會讓噴發物飛得更高、更遠,無法讓這裡變得安全。

更現實的辦法是讓抗輻射探測器快速飛掠,用相機和紅外儀器隔空觀察。這樣既能追蹤新噴發,也不用在不斷變化的地面上冒險著陸。

人類怎樣發現這些火山?

1979 年 3 月 8 日,旅行者 1 號飛過木星三天後,導航工程師琳達·莫拉比托在校準軌道的照片裡發現木衛一邊緣多出一朵"雲"——那是佩萊火山 300 公里高的噴發柱,人類第一次在地球之外目睹活火山噴發。此後伽利略號在 1995 至 2003 年間多次飛掠,測定了它的金屬核與全球熱流。2016 年起環繞木星的朱諾號則在 2023 年 12 月 30 日和 2024 年 2 月 3 日兩次貼身飛掠,最近僅約 1500 公里,為二十多年來最近的一次,拍下了冷卻的熔岩湖與新的噴發。

2023 年 12 月 30 日朱諾號在約 2840 公里高度拍攝的木衛一:晨昏線掃過火山密佈的表面
2023 年 12 月 30 日朱諾號在約 2840 公里高度拍攝的木衛一:晨昏線掃過火山密佈的表面

參考資料