木卫一:太阳系中活火山最多的天体

虽然地球上有超过1350座潜在的活火山,但是实际上在你读这篇文章的时候,大约只有20座活火山正处于喷发状态中。而在我们太阳系中,有一颗天体上有400座活火山正处于活动状态,这就是木卫一,是太阳系中地质最活跃的天体。

木卫一是距离木星最近的伽利略卫星,表面的黄色是硫磺导致的
木卫一是距离木星最近的伽利略卫星,表面的黄色是硫磺导致的

木卫一是木星的四颗伽利略卫星中第三大的卫星,也是最靠近木星的伽利略卫星。木卫一半径大约为1821.6公里,比月球稍微大一些,也是太阳系中第四大卫星。但是木卫一的密度非常高,平均密度高达3.528克/立方厘米,是太阳系中密度最大的卫星,这也使得木卫一成为太阳系中引力最大的卫星。此外木卫一还是太阳系中含水量最小的天体(按原子数计)。

作为距离木星最近的伽利略卫星,木卫一距离木星中心只有42.17万公里,但是因为木星巨大的半径,所以木卫一距离木星表面云层的距离只有35万公里,比月球到地球的距离还要小。因为距离木星很近,木卫一绕木星一圈只需要42.5小时,作为对比,月球绕地球一圈需要将近1个月,可见木卫一的速度有多快。

木星和木卫一合影
木星和木卫一合影

当人类的探测器接近木卫一的时候,最引人瞩目的就是这颗星球上布满了活跃的活火山。其中一些火山灰产生硫磺和二氧化硫的喷发物,这些喷发物能够一直升到500公里的高空中。此外在木卫一的表面上还点缀着超过100多座山脉,这些山脉中的一些山峰高度比地球最高峰珠穆朗玛峰还要高,它们的形成和木卫一表面的硅酸盐岩石底部受到挤压而隆起。

不过在木卫一表面大部分面积分布的都是广阔的平原,这主要是因为其上的火山喷发的喷发物将地表沟壑都填充起来了,整个表面上都覆盖了一层霜冻的硫磺和二氧化硫。

木卫一的内部结构和组成类似于地球,主要有硅酸盐组成的地壳和地幔,以及富含铁或硫化铁的核心组成,其中金属核心大约占木卫一总质量的20%,这个核心如果全部由铁组成,半径大约为350~650公里;要是木卫一核心由硫化铁与铁的混合物组成,那么这个核心半径大约为550~900公里。

木卫一上的活火山是如何形成的?

木卫一上最典型的特征就是非常活跃的火山和高耸的山脉,那么这些是如何形成的呢?

我们都知道地球上的火山是因为地心深处的高温导致整个地球是炙热的,只有地壳是冷却后形成的岩石圈,所以地球上的火山来源于地球内部放射性元素的热量。

木卫一火山能量来源却主要来自潮汐加热。这就不得不说木卫一的位置了,作为距离木星最近的伽利略卫星,木卫一卡在木星和木卫二木卫三之间,最终它和后两者形成了轨道共振效应。加上木星强大的引力,木卫一就受到了木星、木卫二和木卫三引力的撕扯,根据计算,木卫一所遭受的潮汐力大约是地球受到月球潮汐力的2万倍,并且其潮汐隆起的垂直差异,在木卫一处于其轨道的近点和远点的时间之间,可能高达100米。

木卫一上拥有太阳系中最多的活火山
木卫一上拥有太阳系中最多的活火山

由于这种变化的潮汐拉力在木卫一内部产生的摩擦或潮汐耗散,如果没有共振轨道,它将进入圆化木卫一的轨道,从而在木卫一内部产生显着的潮汐加热,融化大量的木卫一的地幔和核心。产生的能量比仅由放射性衰变产生的能量高出200倍。

这种热量以火山活动的形式释放,产生观察到的高热流。其轨道模型表明,木卫一内的潮汐加热量随时间而变化;然而,当前的潮汐耗散量与观察到的热流一致。潮汐加热和对流模型尚未发现一致的行星粘度分布,该分布同时匹配潮汐能量耗散和地幔热对流到地表。

木卫一上高大的山脉

木卫一上还有100~150座山脉,这些山脉的平均高度达到了6公里,其中最高峰是博阿索利山,高度可以达到17.5公里±1.5公里,是太阳系第四高峰。和地球上延绵几百上千公里的山脉不同的是,木卫一上的山脉平均长度只有157公里,它们好像是突然从平原上长出来的巨大山体。

木卫一上山脉的形成和火山没太大关系,主要是由于地壳构造形成的。大多数木卫一山脉是岩石圈底部压缩应力的结果,岩石圈底部通过逆冲断层抬升并经常倾斜木卫一的大块地壳。

导致山体形成的压缩应力是火山物质连续埋藏下沉的结果。木卫一山脉的全球分布似乎与火山结构相反;山脉在火山较少的地区占主导地位,反之亦然。这表明木卫一岩石圈中的大尺度区域在压缩(支持山体形成)和伸展(支持岩体形成)占主导地位。然而,在局部,山脉和岩浆经常相互邻接,这表明岩浆经常利用在山脉形成过程中形成的断层到达地表。

木卫一上的火山喷发物能够升到500公里的高空之中
木卫一上的火山喷发物能够升到500公里的高空之中

木卫一的大气层

木卫一的大气层非常稀薄,主要由二氧化硫(SO2),微量成分还包括一氧化硫(SO)、氯化钠(NaCl)以及原子硫和氧。随着一天中的时间、纬度、火山活动和地表霜的丰度,木卫一大气的密度和温度存在显着变化。

木卫一上的最大大气压力范围为3.3×10-5到3×10-4帕斯卡(Pa)或0.3到3nbar,跟地球大气压相比几乎是可以忽略不计。

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