イオ (衛星)
2003年にガリレオ探査機が計画的に木星大気に突入してミッションが終了した後は、イオの火山活動の新しい観測は地上望遠鏡から行われた。特に、ハワイのケック望遠鏡での補償光学を用いた撮像とハッブル宇宙望遠鏡での撮像により、天文学者はイオの活発な火山をモニターすることが出来た。この撮像観測により、木星付近にまで探査機を送り込まずとも、科学者たちはイオの火山活動を監視することが出来た。
イオの色彩豊かな見た目は、その大規模な火山活動による輝石などの珪酸塩岩石、硫黄、二酸化硫黄などの物質の堆積の結果である。二酸化硫黄からなる霜はイオの表面に普遍的に存在しており、白や灰色で覆われた広大な領域を形成している。硫黄も同様にイオの大部分で見られ、黄色や黄緑色の領域を形成している。中緯度や極域に堆積した硫黄はしばしば放射線によって損傷され、通常は安定な八硫黄を破壊する。これによりイオの赤茶色の極域の模様が生成される。
爆発的な火山活動はしばしば傘状の噴煙を作り、表面を硫黄や珪酸塩を含む物質で彩る。イオ表面に堆積する噴煙は、噴煙中に存在する硫黄と二酸化硫黄の量に依存して赤や白を示す。一般的に、脱ガスする溶岩からの火口で形成される噴煙は大量の S2 を含んでおり、赤い扇状の堆積物を残す。あるいは極端な場合は、しばしば中央火口から 450 km にも達するような大きな赤いリングを形成する。
地球と火星における同様の地形とは異なり、これらの凹地は一般に楯状火山の頂上には見られず、また平均直径が 41 km と大きなサイズを持つ。最も大きなものは直径 202 km のロキ火口(英語版) (Loki Patera) である。ロキ火口はイオで最も強力な火山であり、イオ全体の熱出力に対して平均で 25% の割合を占めている。形成メカニズムがなんであれ、多くの火口の形態と分布はこれらの地形は構造的に制御されていることを示唆し、少なくとも半分は断層や山によって区切られている。これらの地形はしばしば火山噴火の場所となり、ギシュ・バル火口 (Gish Bar Patera) で2001年に見られた噴火のような paterae の底部を広がるような溶岩流を発生させたり、あるいは溶岩湖を形成したりする。イオの溶岩湖には、ペレ火口のように常に溶岩の外皮が入れ替わっているものや、ロキ火口のように散発的に入れ替わっているものがある。
溶岩流はイオの別の火山性地形も生み出す。火口の噴出孔から表面に噴出したマグマや割れ目から平原に流出したマグマは、ハワイのキラウエア火山で見られるような膨張し混合した溶岩流を生み出す。ガリレオ探査機が撮影した画像で、プロメテウス (Prometheus) 火山やアミラニ (Amirani) 火山で発生しているようなイオの大きな溶岩流の大部分は、古い溶岩流の上における小さな溶岩の流出によって生成されていることが明らかになっている。
様々な科学者によって、イオが木星の影を通過する際にイオの大気が表面に凝華するという仮説が提唱されてきた。これの証拠は「食後の増光」であり、食の直後は表面が霜で覆われているために衛星がわずかに明るく見えるというものである。およそ15分で明るさは通常時に戻るが、これは昇華によって霜が消失したためと考えられる。食直後の増光は、地上望遠鏡からの観測の他に、カッシーニに搭載された機器を用いて近赤外線波長でも観測された。2013年にはジェミニ天文台での観測によって、木星による食の最中の二酸化硫黄大気の崩壊と、食の直後の大気の再形成が直接測定され、この現象の存在がさらに支持されることとなった。
イオが木星による食を経験している最中の高分解能の撮像観測から、オーロラ状の発光の存在が明らかになっている。地球でのオーロラと同様に大気に粒子放射線が衝突することによって発生しているが、イオの場合は荷電粒子は太陽風起源ではなく木星の磁場から来たものである。オーロラは通常惑星の磁極周辺で発生するが、イオのオーロラの場合は赤道周辺が最も明るい。イオは自身の固有磁場を持っていない。そのため、木星の磁場に沿って移動する電子はイオの大気に直接衝突する。磁力線がイオに垂直になる場所 (つまり赤道付近) ではイオの大気を電子が通過する経路が最も長くなるためより多くの電子が大気に衝突し、最も明るいオーロラを生み出す。イオと磁力線が垂直に交わる部分で発生するオーロラは、木星の傾いた磁気双極子の向きが変化するのに伴って揺れ動くのが観測されている。イオの周縁に沿った酸素原子からの微かなオーロラ (右図の赤い発光) と、イオの夜側でのナトリウム原子によるオーロラ (同じ図の緑の発光) も同じく観測されている。
イオは極めて薄い大気を持っている。主成分は二酸化硫黄 (SO2) で、微量成分として一酸化硫黄 (SO)、塩化ナトリウム (NaCl)、硫黄原子と酸素を含む。大気は、一日の時間や緯度、火山活動、表面の霜の存在量によって密度と温度が共に大きく変化する。イオにおける大気圧の最大値は 3.3×10〜3×10 Pa であり、空間的にはイオの木星の反対側の半球と赤道に沿った領域、時間的には表面の霜の温度が最も高くなる昼下がりが最も大気圧が大きい。火山の噴煙における局所的な最大値も見られ、これは 5×10〜4×10 Pa になる。イオの大気圧はイオの夜面で最も低くなり、0.1×10〜1×10 Pa にまで低下する。
イオの大気温度の範囲は、低いものでは二酸化硫黄が表面の霜と蒸気圧平衡になる温度から、高いものでは大気高層で大気密度が低く、イオのプラズマトーラスからの加熱とイオの磁束管からのジュール加熱によって 1800 K に達するような場合まで様々である。この低圧の影響で、夜側では大気の影響は表面付近に限定される。ただし霜の多い領域から少ない領域へ二酸化硫黄が一時的に再分配される場合や、噴煙の物質が昼側の厚い大気に再突入した際の噴煙堆積物のサイズの拡大は例外である。イオの大気は非常に薄いため、イオを探査するための将来のあらゆる着陸機はエアロシェル型の熱シールドに入れる必要は無いが、そのかわりに軟着陸するためには逆噴射スラスタが必要である。また放射線を減衰させる厚い大気が無いため、着陸機は強い木星放射線に耐えられるような頑丈さが必要とされる。
イオの大気中のガスは木星の磁気圏によってはぎ取られ、イオを取り囲む中性粒子の雲へと散逸するか、またはイオの軌道上にあるが木星の磁気圏と共回転するイオン化された粒子の環であるイオのプラズマトーラスへと散逸する。