标题：木卫一的火山活动
木卫一的火山活动
艾奥的火山活动[1]，是木星的卫星艾奥导致的熔岩流动、火山的凹坑，和数百公里高的硫磺和二氧化硫的流束。这些火山活动是由1979年飞越的旅行者计划的影像科学家发现的。通过旅行者、伽利略、卡西尼、新视野号和地基天文学家的观测已经发现150个以上艾奥火山的活动，依据这些观测预测存在的火山应多达400个以上。艾奥的火山活动在四个已知的太阳系的天体中是最活跃的（另外的三个是地球、土星的卫星恩克拉多斯和海王星的卫星崔顿）。
第一个预测在旅行者1号飞越之前不久就被提出，艾奥火山活动的热源来自他的离心率所造成的潮汐热。这不同于地球内部的热能，主要来自放射性元素的放射性同位素衰变。艾奥的轨道离心率使得它在轨道上的近木点和远木点受到的木星引力有些微的差异，造成朝系突起的变化。这种变化造成艾奥的形状改变，导致内部的摩擦发热。若不是这些潮汐热，艾奥将只是比地球的月球小一点的卫星，质量和大小都小一点的相似世界，被许多的撞击坑覆盖，并在地质上的活动已死的卫星。
艾奥的火山活动导致了数百个的火山形成中心和广泛的熔岩形成，使这颗卫星成为太阳系中火山最活跃的天体。三种不同类型的火山喷发类型被辨认出来：不同的期间、强度和熔岩流出率，以及喷发是否在火山坑的内部（所知的破碎环形山）。在艾奥的熔岩流，数十或数百公里长，主要由 玄武岩构成，与在地球上夏威夷的盾状火山，例如启劳亚火山，类似。虽然多数的熔岩都由玄武岩构成，但也观察到由硫磺和二氧化硫构成的熔岩。另一方面，被侦测到的喷发物温度高达1,600K，这种高温可以解释喷发物是超镁铁质的硅酸盐熔岩。
由于大量的硫磺物质出现在艾奥的外壳和表面上，有些暴发喷出硫磺，二氧化硫气体和火成碎屑物质进入500公里高的太空中，造成大量的伞形的火山羽状物。这些物质将周围的地形彩绘成红色、黑色、或者白色，并且为艾奥补缀的大气和木星延伸的磁层提供大量的材料。由于艾奥的火山活动，从1979年航天器飞越过之后已经观察到了许多表面的变化。
发现
在旅行者1号于1979年3月5日 邂逅艾奥之前，艾奥被认为是一个类似地球的月球一样死寂的卫星。发现围绕在艾奥周围的纳云导致卫星是理论中的蒸发岩的报道。木卫一火山活动(8张)
来自1970年代的地基红外线观测对此一发显提供了提示，相较于其他的伽利略卫星，当艾奥进入木星的阴影内被遮蔽时，以10 μm的红外线观测到艾奥有异常的高热流量。当时，这些热流量被归因于艾奥有比欧罗巴和盖尼米得更高的热惯性 。但是以不同波长的20 微米红外线观测确有不同的结果，认为艾奥和其他的伽利略卫星有相似的表面物质。从此以后，在短波上测量到的巨大热流量被归咎于艾奥的火山和太阳加热的共同效应，而且太阳在波长更长的分量上提供了更多的热能。在1978年2月20日，Witteborn等人在5 微米的波长尚观察到艾奥的热辐射突然增加的现象，这个小组当时就考虑到火山的活动，但数据显示这相当于艾奥表面上8,000平方公里的区域，温度高达600K。但是作者认为这样的假说不太可能，而改将辐射来源的注意力集中于艾奥与木星磁气层的交互作用上。
在旅行者1号邂逅艾奥之前不久，Stan Peale、Patrick Cassen、和R. T. Reynolds 在科学上发表了一篇论文，预言艾奥的表面和内部会因为火山的修改而有所不同，会有特质分明的岩石而不是同性质的混合。他们是考虑到木卫一轨道轻微的离心率会造成木星引力的差异，因而造成潮汐力对艾奥内部拉扯产生的热，才提出这样的模型预测。他们的计算建议艾奥内部同性质的物质孳生的热量三倍于放射性同位素衰变所滋生的热量。这种作用大到可以很容易从艾奥上分辨出来。
旅行者1号的第一张影像显示艾奥缺乏撞击坑，因此认为表面非常年轻。地质学家利用行星表面的撞击坑估计地质年龄；撞击的结构随着行星表面的年龄增加而增加。换言之，旅行者1号观察到多种色彩的表面，布满了形状不规则的沉降洼地，缺乏被上升的外缘环绕的典型撞击坑 对表面的观察建议，正如Peale和同事的推论，火山作用对艾奥的表面做了大量的修改。
在通过木星之后的第三天，1979年3月8日，旅行者1号为了进行光学导航过程的需要，撷取了木星卫星的影像以帮助确定航天器确切的位置。当处理以艾奥为主体的影像，提高背景的可见性时，导航工程师琳达·蒙娜碧朵发现有高达300公里的云彩伸展在卫星的边缘。最初，她假设是有一颗卫星隐藏在艾奥的背后，但合于此大小的天体不会出现在那个地点。这特征被确定是之后被命名为Pele的黑暗且凹陷的活跃火山活动产生的羽毛状[。在这个发现之后，从旅行者的早期艾奥影像中又找到了另外7个羽毛状的影像。从多种来源取得的热辐射影像也发现了温度较低的熔岩。当旅行者2号在四个月之后获得的影像与早先旅行者1号的影像比较时，观察到了表面的变化，包括在阿登火山口和苏特的新羽状沉积[。
热源
艾奥内部的热源主要来自木星的引力脱曳孳生散逸造成的潮汐力。这种外在的热化不同于作用在地球火山的内部热源，是放射性同位素衰变和来自吸积残余的热。在地球，这些内部的热源驱动地幔对流，又反过来导致板块构造的火山作用。
艾奥的潮汐热与木星与艾奥的距离，它的轨道离心率，它的内部构造和物理状态有关。它与欧罗巴和盖尼米得的拉普拉斯轨道共振，使在内侧的艾奥的离心率维持着接近圆形，并且防止潮汐散逸。这样的离心率导致艾奥在受到木星引力拖曳的顶点方向上，在轨道近木星点和远木星点的潮汐隆起差异达到100米。这种变化造成潮汐拖曳在艾奥内部产生摩擦力，引起的摩擦热足以导致内部物质的热化和融化。不像地球，内部的热大部分都通过外部的地壳传导和扩散，在艾奥内部的热式通过果山活动，并且引起卫星上空的热流（全球总量：0.6-1.6 × 10瓦）。它的轨道模型建议艾奥的潮汐热会随着时间有相当数量的变化，并且现在的热流并不足以代表长期平均的值。目前观察到从艾奥内部散逸出的潮汐热大于目前估计潮汐所能产生的热，因此建议艾奥正处于在较大的潮汐变形周期中冷却的状态下。
结构
对旅行者影像的分析引导科学家相信艾奥的熔岩流主要由各种各样不同的自然力熔解的硫磺形态构成。流体的颜色被发现与硫磺的各种同素异形体颜色相似。熔岩的颜色和亮度上的区别是由于硫磺的原子在不同的温度下会以不同数量的原子结合和包装成不同的分子结构。对拉火山结构的分析显露出距出气孔不同的距离，与不同颜色材料，都与液态的硫磺有关联：紧挨在出气孔的暗反照率物质对应在525K，在每一条熔岩流中间的红色部分对应的是450K，在每一条熔岩流最远的末端对应的是425K。这种颜色模式对应出熔岩从中央的出气口流出，当熔岩流动得越远温度就越低。另外，以旅行者1号的红外线干涉光谱和电波仪（IRIS）对洛基火山口的热辐射温度测量与硫磺火山活动是一致的。但是，IRIS 这件仪器不能检测出代表各高温度的波长，这意味着温度与硅酸盐类熔岩一致的火山活动不是由旅行者发现的。尽管如此，旅行者的科学家依然推论出硅酸盐在艾奥年轻的面貌上必须扮演着一种角色，因为卫星的高密度和不规格火山坑的岩壁和陡波都需要有硅酸盐的支持。矛盾出现在旅行者飞越时的光谱、温度和结构的数据之间，行星科学家因此产生了辩论，讨论艾奥的火山是由硅酸盐还是硫磺的物质构成熔岩。
在1980和1990年代以地基进行的红外线观测，将观测的主要例证从一个硫磺为主的火山口转移至以硅酸盐为主的火山口，使硫磺在火山活动中成为次要的角色。在1986年，在艾奥的前导半球测量到一次明亮的爆发，显示温度至少有900K，这远高于硫磺715K的沸点，表示硅酸盐的成份至少存在于艾奥的一些熔岩流中。相似的温度也在1979年旅行者二度的邂逅中在苏特的喷发，和Witteborn与同僚在1978年观测到。另外，模型也建议硅酸盐溶岩在艾奥冷却得较快，造成它门的热辐射由低温的成分所控制，例如凝固的过程，以及熔岩在爆发的附近实际上仍然接近爆发时的温度，依然是融化状态覆盖的范围较小。
硅酸盐的火山作用，包含有镁铁物质和超镁铁质（镁的含量高）的玄武岩熔岩，被伽利略号航天器在1990和2000年代测量艾奥上许多热点－被检测出辐射高热的地点－的温度，和对暗区的光谱测量，获得了证实。来自伽利略号的固态影像（SSI）和近红外映射光谱仪(NIMS)显露了许多热点的温度范围至少在1200K，最高温则达到1600K，例如1997年爆发的Pillan Patera，在伽利略号最初建议的爆发温度高达2000K但事后证明那次引用了错误的温度模型，使得计算所得的温度偏高；对艾奥黑暗物质的光谱观测认为存在着正辉石，像是顽火灰石，富含镁的硅酸盐矿物共同存在于镁铁和超镁铁的玄武岩内。这些黑暗的物质似乎在火山坑内，新的熔岩流，和火成岩的围绕着最近的沉积，易爆发的火山喷发。以对熔岩的光谱测量和已经测量的温度为基础，有些熔岩也许类似于地球的镁橄玄武岩（科马提岩） 在过度的高压下加热，可能会增加岩浆从表面喷发出来时的温度，也可能是造成某些地区有着更高爆发温度的因素。
对艾奥火山温度的测量平息了硫磺和硅酸盐之间的争辩，并且确认了旅行者和伽利略在木星的任务，在艾奥上观测到的现象中，硫磺和二氧化硫依然扮演着重要的角色。这两种物质在艾奥火山的羽状物中被检测了出来，而且硫磺是Pele型主要的组成成分。在艾奥表面被确认的明亮流体，例如Ts?i 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。
喷发的式样
由航天器和地基天文台的观测已经让天文学家能对由卫星观测到的艾奥火山喷发类型做出了区别和进行分类，被辨认出的三种主要类型包括火山口内部型、 流体主导型、和爆炸主导型喷发。它们的不同是根据喷发期间、释放的能量、亮度和温度（来自对红外线影像的测量）、熔岩的型态、和是否被限制在火山坑内。火山口内部的喷发火山口内部的喷发通常发生在有沉积，被称为不规则火山口的火山口内，它们通常有陡峭的岩壁和一定的平坦地面，这些火山口类似地球上的破火山口，但是不知道它们是否像地球上的火山，有空的崩溃的熔岩室。一个假说认为它们是经由挖掘火山的基石，叠加的材料被炸开或累积成基石。有些火山口显示出多次崩塌的证据，与火星上的奥林帕斯火山相似，或是地球上的启劳亚火山，认为它们的地形也会成为像破火山口一样的火山口。因为形成的机制仍不清楚，因此依照国际天文学联合会（IAU）的命名规定，使用拉丁文的paterae做为拥有这种特征地形的名字。与地球和火星上类似地形不同的是，这些凹陷的地形通常没有高耸和巨大的高峰屏障着火山口，并且平均的直径只有41公里，深度只有1.5公里， 最大的火山凹陷在直径202公里的洛基火山口。无论形成的机制是如何，许多火山口在形态学和分布状态上都建议它们是在结构上受到了抑制，至少有一半是受到断层或山脉的限制。
这些喷发物的形态不是形成熔岩流，就是散布成火山口内的基石，或是熔岩湖。因为解像力的不足和这两者的热辐射特征非常相似，因此除了伽利略号7次近距离飞越的观测之外，很难分辨和告诉我们在火山口内基石的是熔岩流还是熔岩。火山口内部熔岩流的喷发，像是在2001年喷发的基许帕火山口，只能看到它在爱奥尼亚平原内伸展和横越。类似流动的特征在相当数量的火山口内被观测到，像是卡马斯特里火山口，因此认为这些熔岩流会周期性的反复出现在火山口内的平地。
爱奥尼亚熔岩湖是凹陷的地区，有部分充满了有着薄薄的一层固体外壳覆盖的液态熔岩，这些熔岩湖直接连接到在底下的岩浆库。对几个爱奥尼亚熔岩湖的热辐射观测显露出融化了的岩石沿着火山口的边缘成长，造成火山口的边缘沿着湖的外壳被破坏。随着时间的流逝，因为变成固体的熔岩比重比下方仍然是液态的熔岩大，这些外壳可能的挣扎，能触发火山内部热辐射能量的增加。对一些熔岩湖，像是Pele就是其中的一个，这种过程持续的发生，使得Pele成为艾奥的近红外线光谱中最明亮的辐射源。在其他的场所，像是洛基火山口，这种过程是偶发性的。在偶发的翻转期间，洛基火山口辐射出的热比他的外壳在稳定的期间多出十余倍。这些比较宁静的熔岩湖在喷发的期间，外壳延展出的波动会以每天大约1公里的速率在火山口内横越和伸展，直到整个湖的外壳都全部再出现。一旦新的外壳冷却并且有了足够的厚度，使它不能再轻飘飘的浮在融化的熔岩之上，另一次的喷发就即将开始。流体主导的喷发流体主导的喷发事件是长期且广泛存在的现象，并形成复合的熔岩流，这种熔岩流扩散的程度使它成为艾奥火山活动的一种主要的型态。在这种型态的喷发，岩浆散布在火山口内，并围绕在火山口的出气口，从出气口的地面涌现至表面，或者从平原上的裂缝喷出，产生膨胀，就如同在地球上夏威夷的启劳亚火山。来自伽利略航天器的影响显露出许多艾奥的主要熔岩流，像是普罗米修斯和阿米拉尼，都是在旧的熔岩流顶部产生小的断裂累积而成。流体主导的喷发与爆炸主导的喷发不同，由于它们单位时间内输出的能量较低，因此能维持较长的寿命 ，熔岩的喷发一般均以平稳的速率进行，并且至少能持续一年或长达数十年10。
在艾奥的阿米拉尼和玛苏比火山口曾经观察道长达300公里的活跃熔岩流。相对的，被称为Lei-Kung Fluctus的是较不活跃的熔岩流，覆盖的面积广达125,000平方公里，这个区域比尼加拉瓜略大一些 。 伽利略号未能测量熔岩流场的厚度，但是由在表面个别的断裂处估计厚度大约是|米。在许多的事例中，活动中的熔岩流的表面在距离出气孔数十到数百公里处断裂，在出气口和断裂处之间侦测到的热辐射总量相当的低，因此认为从出气孔到断裂处的熔岩流是在熔岩管内流动。 通常，这些喷发都有稳定的喷发速率，但在许多流体主导的喷发点也观察到剧烈的喷发。例如，旅行者在1979年和伽利略号在1996年间观察到普罗米修斯的熔岩流场的前缘就移动了75至95公里。通常由爆炸主导的熔岩流规模都比较小，但平均而言，这些复杂熔岩流场的规模仍然比在地球上相似的熔岩场要大。在伽利略任务期间，观察到普罗米修斯和阿米拉尼的熔岩覆盖速率是每秒35至60平方米，相较于地球的启劳亚的的覆盖率只有0.6平方米 。爆炸主导的喷发爆炸主导的喷发是艾奥上最显著的喷发型态。这些从地球上能检测的喷发有时称为"爆发"，它们的特征是期间短（持续只有几星期或几个月），迅速起始、大容量的流率和高的热辐射。它们导致艾奥在近红外辐射短期大量且明显的增光。在历史上最强有力的火山爆发是在2001年2月22日由地基天文学家观测到的苏特火山。
爆炸主导的喷发是当岩浆的主体（称为堤堰），来自艾奥深处被溶解的部分地幔，经由裂缝抵达表面。这会导致壮观的熔岩喷泉出现。当爆炸性的喷发开始的时候，以1-3微米为主导的红外线热辐射开始增强，它是大量曝露在外的，新生的熔岩在喷泉之内产生爆发来源的出气口。在1999年11月和2007年2月，爆炸性的喷发发生在特瓦史塔，形成25公里长，1公里高的熔岩"帘幕"，在较大且复杂的特瓦史塔火山口内形成一个小的巢状火山口。
很多熔岩被这些熔岩喷泉曝露出来，提供了研究人员实际测量爱奥尼亚火山熔岩活动的最佳机会。从测量到高达1,600K的温度，暗示这些构成与前寒武纪的镁橄玄武岩（科马提岩）相似的超镁铁质熔岩是造成这些爆发的主导者。然而，在上升至表面期间被过度加热的岩浆，不可能被排除是造成此种高温的一个因素。
当有更多的爆炸时，熔岩喷泉的阶段也许可以持续几天或一个星期，爆炸主导的喷发可以持续几星期到几个月，造成大面积的硅酸盐熔岩流。在1997年主要来自Pillan火山口西北的一道裂缝，持续了半个月的喷发，造成超过31立方公里的新鲜熔岩，稍后充斥在Pillan火山内的地板上。伽利略号的观测认为在Pillan火山在1997年喷发时的熔岩覆盖率是每秒1,000至3,000平方米，熔岩流的厚度被发现是10米，相较之下普罗米修斯和安米拉尼平坦的地基只有1米的厚度。相似的，伽利略号在2001年观察到托尔的熔岩流也是如此的迅速，这样的流速在地球上也曾在1783年出现在冰岛的喷发湖，造成大面积的玄武岩散布。
爆炸主导的喷发可以在爆炸点附近造成剧烈的表面变化（但是寿命不长），例如大片的火山碎屑和由来自熔岩喷泉的气体拟析的羽毛状雪花。Pillan在1997年的喷发造成400公里宽的黑暗的硅酸盐物质和明亮的二氧化硫沉积特瓦史塔在2000年和2007年的喷发引起了330公里高的的流束和沉积成1,200公里宽环状的红色硫磺和二氧化硫。尽管有这些剧烈的特征出现，在材料不能持续提供下，出气口周围经常在几个月（在Grian火山的情况）或数年（像是Pillan火山）就会回复到爆发出现之前的状态。
流束（Plumes）
在1979年Pele和洛基火山的流束被发现，为艾奥的地质活动活跃性提供了确凿的证据。通常，由挥发性的硫磺和二氧化硫构成的流束由艾奥表面喷发的速度可以达到每秒1至2公里，在火山的流束中发现的其它物质还有钠、钾、和氯 。当这些突然发生时，火山流束相对的是不平凡的，在艾奥上发现活动中的火山多达150个以上，但被观察到的流束只有12个。艾奥的熔岩流在有限的面积下建议许多的更新必须删除艾奥坑穴的纪录，其中必然有一些储存的流束资料。
在艾奥最普通的火山流束型态是尘埃流束，或是普罗米修斯型流束，当在下层被侵蚀的熔岩流气化造成二氧化硫霜，将材料送上空中。普罗米修斯型流束的例子有：普罗米修斯、阿米拉尼、 拉玛玛、和玛苏比。这些流束的高度通常都低于100公哩，喷发的速度大约是每秒0.5公里。普罗米修斯的流束是充满了尘埃，以一个密集的内部核心和上部的天篷激震区，使它们呈现伞状出现。这些流束主要含有二氧化硫霜，经常形成半径100至250公里的明亮圆环沉降。普罗米修斯型流束最常见于流体主导的喷发，这有助于流束维持较长的寿命。旅行者1号在1979年观察到的6个流束中的4个，在伽利略和2007年新视野号经过时都还被见到。尘土的流束在阳光照射下可以清楚的被看见，在航天器飞掠过艾奥的可见光影像，许多的普罗米修斯型流束的外围都有微弱的晕；Pele型的流束富含气体，能达到更高的高度和更为巨大。
艾奥最大的流束，Pele型，是当硫磺和二氧化硫气体从出气口或岩浆湖的岩浆中拟析出来所创造的，还携带着硅酸盐的火山碎屑伴随着。少数的Pele型流束，通常与爆炸主导的喷发联系在一起，只有较短的寿命。其中例外的是Pele，它与长期活跃的熔岩湖联系在一起，但是流束仍然是断断续续的。出气口的温度和压力越高，则这些流束的喷发速度可以达到每秒1公里，使流束可以到达300至500公里的高度。Pele型流束形成红色（短链的硫磺）和黑色（来自硅酸盐的火山碎屑）硫磺沉积物，包括大约达1,000公里宽的红色圆环，一如在Pele看见的。被称为隐形流束的另一型，因为尘埃的含量偏低而通常比普罗米修斯型更为微弱。这一型的流束通常都要在艾奥进入木星的阴影中才能在紫外线波段的观察下见到。这只有少量尘埃流束的影像，只有当硫磺和二氧化硫气体达到它们的弹道高度而凝聚时，才可能在阳光照射下被看见，这就是这种流束缺乏像普罗米修斯型中心被看看见的尘埃柱的原因，而尘埃经常是流束的源头。例如Pele型流束曾经在Pele、特瓦史塔、和Grian被观测到。