Ио не похожа на большинство спутников газовых планет (содержащих много льда) и состоит в основном из силикатов и железа, как и планеты земной группы. Ио по размеру немногим больше спутника Земли - Луны. Её средний радиус равен приблизительно 1 821,3 километра (на 5% больше среднего радиуса Луны), а масса составляет 8,9319x10²² килограмм (примерно на 21% больше, чем у Луны). Ио имеет форму эллипсоида, большая ось которого направлена в сторону Юпитера. Среди галилеевых спутников по массе и объёму Ио стоит после Ганимеда и Каллисто, но перед Европой.
    Плотность Ио равна 3,5275 г/см³, что больше, чем у других галилеевых спутников (и даже чем у Луны), и это ставит Ио на первое место по плотности среди спутников в Солнечной системе. Модели, составленные по измеренным «Вояджерами» и «Галилео» массе, радиусу и коэффициентам гравитационного квадруполя (числа, описывающие распределение массы в пределах объекта), указывают на то, что Ио расслоена на ядро из железа или сульфида железа и кору с мантией, которые богаты силикатами. Металлическое ядро составляет приблизительно 20% массы Ио. Радиус ядра зависит от содержания серы: если оно состоит из чистого железа, его радиус лежит в пределах 350-650 км, а если оно состоит из соединений железа и серы - в пределах 550-900 км. О существовании плотного металлического ядра Ио свидетельствуют результаты определений гравитационных моментов и момента инерции. Мантия Ио скорее всего в полурасплавленном состоянии, а внешняя часть коры толщиной 20-30 км представляет собой смесь базальтовых пород, напоминающих земные вулканические породы.

На поверхности Ио находится огромное количество серы, однако в ее недрах преобладают силикаты - этим спутник напоминает объекты внутренней области Солнечной системы. По одной из гипотез, тепло, выделившееся при образовании Юпитера, испарило часть льда, находившегося в облаке материала, из которого зародились спутники.     Ио появилась в той части облака, где были только обломки твердого каменистого материала.

СПУТНИК ЮПИТЕРА ИО

    Моделирование внутреннего состава Ио предсказывает, что мантия состоит, по крайней мере, на 75% из богатого магнием минерала форстерита, и её состав подобен составу метеоритов L-хондритов и LL-хондритов. Отношение концентраций железа и кремния там выше, чем на Луне или Земле, но ниже, чем на Марсе. Поддержание теплового потока, наблюдаемого на Ио, требует, чтобы 10-20% мантии были в расплавленном виде, хотя в областях, где наблюдается высокотемпературный вулканизм, доля расплавленного вещества может быть больше. Повторный анализ данных магнитометра «Галилео» в 2009 году показал наличие на Ио индуцированного магнитного поля, для которого необходим океан магмы на глубине 50 км. Следующее исследование, опубликованное в 2011 году, предоставило прямые доказательства существования такого океана. Толщина этого слоя оценивается в 50 км, и он составляет около 10% мантии Ио. Температура там достигает примерно 1200°C. Неизвестно, совместимо ли это 10-20-процентное плавление с условием значительного количества расплавленных силикатов в этом вероятном океане магмы. Толщина литосферы Ио, состоящей из базальта и серы и образованной интенсивным вулканизмом, составляет не менее 12 километров и, вероятно, не более 40 километров в зависимости от районов.


    По аналогии с древней поверхностью Луны, Марса и Меркурия учёные ожидали увидеть на первых изображениях Ио, полученных «Вояджером-1», многочисленные ударные кратеры (а их концентрация позволила бы оценить возраст поверхности). Но они были весьма удивлены, обнаружив, что ударных кратеров там нет. Вместо них видны гладкие равнины, усеянные высокими горами, потоками лавы и ямами различных форм и размеров. В отличие от большинства других космических объектов, Ио покрыта множеством веществ различных оттенков, в основном модификациями и соединениями серы. Отсутствие ударных кратеров показывает, что поверхность Ио, как и поверхность Земли, геологически молода. Кратеры на Ио быстро покрываются вулканическими выбросами. Эти выводы были подтверждены, по меньшей мере, девятью действующими вулканами, наблюдавшимися «Вояджером-1».

Области Ио

СПУТНИК ЮПИТЕРА ИО

    В дополнение к вулканам на Ио есть невулканические горы, вязкие лавовые потоки, достигающие длины в сотни километров, озёра расплавленной серы и кальдеры, глубина которых доходит до нескольких километров.
    В 2012 году была составлена полная геологическая карта Ио, для нее использовались изображения с разной детализацией, которые при помощи компьютера склеили в единую мозаику с разрешением 1 км на пиксель. Карта составлялась 6 лет. Возглавил проект Дэвид Уильямс (David Williams) из университета Аризоны.
    Красочный внешний вид Ио - результат интенсивной работы вулканов, которые выбрасывают различные вещества. Среди них - силикаты (например, ортопироксен), сера и диоксид серы. Иней из диоксида серы покрывает почти всю поверхность Ио, окрашивая большие области в белый или серый цвет. На многих областях спутника видна и сера благодаря своему жёлтому или жёлто-зелёному цвету. В средних и высоких широтах радиация разбивает обычно устойчивые восьмиатомные циклические молекулы серы S₈, и в результате полярные области Ио окрашены в красно-коричневый цвет.
    Взрывной вулканизм, часто дающий султаны вулканического пепла, образующие причудливые формы, укрывает поверхность силикатами и соединениями серы. Султаны формируются двумя разными путями. Самые большие султаны появляются, когда сера и газообразный диоксид серы извергаются из вулканов или лавовых озёр, зачастую захватывая с собой силикатно-пирокластическую материю. Эти султаны формируют красные (из короткоцепочечной серы, и большого количества S₂) и чёрные (силикатно-пирокластический материал) отложения на поверхности. Кольца отложений, образованные таким способом, самые большие: их диаметр иногда превышает 1000 км. Такие кольца окружают вулкан Пеле и патеры Тваштара и Дажбога. Красный осадок вокруг вулкана Пеле состоит в основном из 3- и 4-атомной молекулярной серы, двуокиси серы и, вероятно, Cl₂SO₂.
    Другой тип султанов возникает из-за того, что потоки лавы испаряют иней из диоксида серы, и он улетает ввысь уже в виде пара. Обычно высота таких султанов меньше 100 километров, но это наиболее долгоживущие из султанов. Эти султаны поднимаются ввысь над вулканами Ио на скорости около 1 км/с, формируя на высоте своеобразный зонтик из пыли и газа. Они часто формируют на поверхности яркие круглые отложения из диоксида серы после ее конденсации. Отложения есть, например, в районе Прометея, Амирани и Масуби.
    Помимо вышеуказанных веществ, в вулканических султанах встречаются натрий, калий и хлор.

Султан над вулканом Тваштар бьющий на высоту в 330 км над поверхностью Ио был запечатлен КА "Новые Горизонты" по пути к Плутону в 1 марта 2007 года. Съемка велась 8 минут.

КА "НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ": ИО

    Картирование состава и высокая плотность Ио указывают на то, что на этой луне практически нет воды, хотя там были ориентировочно идентифицированы небольшие карманы водяного льда или гидратированных минералов (прежде всего на северо-западной стороне горы Гиш Бар). Эта нехватка воды, вероятно, связана с тем, что во времена формирования Солнечной системы Юпитер был достаточно горячим, чтобы такие летучие вещества, как вода, улетучились из окрестностей Ио (хотя и недостаточно горячим, чтобы так произошло и на более далёких спутниках).

    Вулканы и патеры

    Приливной разогрев, вызываемый орбитальным эксцентриситетом, служит причиной того, что Ио - самая геологически активная луна в Солнечной системе, с сотнями вулканов и обширными потоками лавы. Во время особо крупных извержений потоки лавы могут тянуться на десятки и даже сотни километров. Состоят они в основном из базальтовой лавы с основным или ультраосновным (с большим содержанием магния) составом. В результате вулканической активности сера, диоксид серы (в виде газа) и силикатная пирокластическая материя (в виде пепла) поднимаются на высоту до 200 километров в открытый космос в виде своеобразных «зонтиков», а после выпадения окрашивают местность в красный, чёрный и белый цвета. Кроме того, эта материя образует тонкую атмосферу Ио и наполняет обширную магнитосферу Юпитера.
    На поверхности Ио нередко встречаются вулканические депрессии, именуемые патерами. Для них характерно плоское дно и крутые стены. Они напоминают земные кальдеры. Одна из гипотез говорит, что эти геоструктуры появляются над вулканическими силлами (образуются при пластовой интрузии магмы вдоль поверхностного слоя) за счёт того, что вышележащие слои сносятся прочь извержениями или вливаются в состав силла. В отличие от схожих геоструктур на Земле и Марсе, вулканические депрессии на Ио в общем случае не лежат на пике щитовидных вулканов и обычно куда крупней, со средним диаметром около 41 км, а крупнейшая - патера Локи - 202 километра диаметром. Независимо от механизма формирования, морфология и распределение многих патер даёт основания предполагать, что они тесно связаны с крупномасштабными образованиями - немало из них граничат с горами или разломами. Патеры часто служат источниками вулканических извержений или далеко растекающихся лавовых потоков, как в случае извержения в патере Гиш-Бар в 2001 году, или сами заполняются лавой и становятся лавовыми озёрами. Лавовые озёра на Ио покрыты коркой, которая рушится и обновляется непрерывно (как в случае вулкана Пеле) или эпизодически (как в случае Локи).

Снимок КА "Новые Горизонты" от 1 марта 2007 г.

КА "НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ": ИО

    Потоки лавы - характерные для Ио детали пейзажа. Магма вырывается на поверхность через провалы в дне патер или через трещины на равнинах, создавая широкие многочисленные лавовые потоки, напоминающие те, что можно увидеть около вулкана Килауэа на Гавайах. На изображениях, полученных КА «Галилео», видно, что многие лавовые потоки, текущие из таких вулканов как Прометей или Амирани, повторяют пути прежних потоков, наращивая слой отложений. На Ио наблюдались и более длинные лавовые потоки. К примеру, передний край потоков с Прометея продвинулся с 75 до 95 км между пролётом КА «Вояджер» в 1979 и первым наблюдением «Галилео» в 1996 году. Одно из крупных извержений в 1997 выбросило более 3500 км2 свежей лавы, которая заполнила патеру Пиллана.
    Анализ изображений, полученных КА «Вояджер», заставил учёных предположить, что лавовые потоки на Ио состоят главным образом из расплавленной серы. Однако последующие наземные инфракрасные наблюдения и замеры с КА «Галилео» указывают на то, что на самом деле потоки состоят из базальтовой лавы с включениями основных и ультраосновных горных пород. Эти предположения основаны на замерах температур «горячих пятен» Ио (областей термальной эмиссии), которые показали температуру в 1300 K, а местами и в 1600 K. Первоначальные оценки температуры извержений в области 2000 K, оказавшиеся неверными, объясняются неправильными тепловыми моделями, использовавшимися для моделирования температур.

    Горы

    На Ио насчитывается примерно 150 гор. Средняя их высота - 6 километров, а максимальная - 17,5+/-1,5 километра (у Южной горы Боосавла). Горы часто представляют собой большие (со средней длиной 157 км) изолированные геологические структуры. Глобальных тектонических структур, как на Земле, замечено не было. Огромный размер гор говорит о том, что они состоят в основном из силикатных пород, а не из серы.
    Несмотря на обширный вулканизм, определяющий внешность Ио, происхождение почти всех её гор не вулканическое. Большинство из них образуется в результате напряжений сжатия в литосфере, которые поднимают и зачастую наклоняют куски коры Ио, надвигая их друг на друга. Давление, ведущее к образованию гор, - результат непрерывного оседания вулканических материалов (по одной из теорий). Глобальное распределение гор по поверхности Ио, по-видимому, противоположно распределению вулканических структур - в областях с наименьшим количеством вулканов много других гор и наоборот. Это указывает на наличие в литосфере Ио крупных областей, в некоторых из которых происходит сжатие (формирующее горы), а в другом - расширение (благоприятное для образования патер). Однако в отдельных областях горы и патеры расположены близко друг к другу. Это можно объяснить тем, что магма часто достигает поверхности через разломы, образованные при формировании гор.

Гора Тохил в деталях     Мозаика из снимков от 16 октября 2001 года демонстрирует детали рельефа горы Тохил (внизу слева), небольшой вулканический кратер (или патеру) с темным дном в окружении скалистых стен и замысловатые узоры темных потоков лавы в пределах огромного кратера, Тохил Патера (справа сверху). Снимки сделаны вскоре после восхода Солнца над этим регионом с разрешением 50 метров на пиксель.     Несмотря на большой уровень вулканической активности, горы на Ио не являются вулканами, как в других уголках Солнечной системы. Вместо этого, горы, по всей видимости, образовались при поднятии больших блоков коры Ио. На снимке можно увидеть следы многочисленных оползней с горы Тахил. Удивительно, но факт, несмотря на близость маленькой патеры к горному склону, дно кратера абсолютно чистое и без каменных обломков. Это указывает на то, что дно патеры сформировалось значительно позднее любого оползня произошедшего в этой области. Еще одним объяснением является озеро лавы, которое поглощает любой мусор, упавший сверху. Исследования в ИК диапазоне с борта КА «Галилео» показали тепло, идущее от патеры.     Север сверху. Солнце освещает поверхность справа. Центр мозаики с координатами 27,5 градусов ю.ш. и 160 градусов з.д. По диагонали мозаика охватывает 280 км.

КА "GALILEO": ИО

    Горы Ио (как и вообще геологические структуры, возвышающиеся над равнинами) имеют различные формы. Самая распространённая среди них - плато. Они напоминают большие столовые горы с плоской вершиной с неровной поверхностью. Другие горы, видимо, - накренённые блоки коры Ио с пологим склоном (образованным из плоской поверхности) и крутым обрывом, где на поверхность выходят прежде глубоко расположенные слои. У обоих типов гор часто встречаются крутые эскарпы вдоль одного или нескольких краев. Лишь немногие горы на Ио имеют вулканическое происхождение. Они напоминают маленькие щитовидные вулканы с крутыми склонами (6-7°) вблизи их небольшой кальдеры и более пологими склонами по краям. Вулканические горы небольшие и достигают в среднем только 1-2 километра в высоту и 40-60 километров в ширину. Морфология некоторых других структур (где из центральной патеры исходят тонкие потоки, как в патере Ра) говорит о том, что это тоже щитовидные вулканы, но с очень пологими склонами.
    По-видимому, практически все горы на Ио находятся на некоторой стадии разрушения. У их подножий распространены крупные оползни. Видимо, осыпание - основной фактор разрушения гор. Для столовых гор и плато Ио обычны зубчатые края, которые получаются из-за испарения диоксида серы, что создаёт слабые места вдоль края гор.


    Ио имеет очень тонкую атмосферу, состоящую в основном из диоксида серы (SO₂) с незначительным содержанием моноксида серы (SO), хлорида натрия (NaCl) и атомарных серы и кислорода. Плотность и температура атмосферы существенно зависят от времени суток, широты, вулканической активности и количества поверхностного инея. Максимальное атмосферное давление на Ио колеблется от 0,33*10^-4 до 3*10^-4 Па или от 0,3 до 3 нбар. Оно наблюдается на противоюпитерианском полушарии Ио и вдоль экватора, и иногда наблюдается в начале второй половины дня, когда температура поверхности достигает максимума. Были замечены и пики давления в вулканических шлейфах, где оно составляло 5*10^-4 -40*10^-4 Па (5-40 нбар). Самое низкое атмосферное давление наблюдается на ночной стороне спутника, где оно падает до величин 0,1*10^-7 -1*10^-7 Па (0,0001-0,001 нбар). Температура атмосферы Ио колеблется в пределах от температуры поверхности на малых высотах, где газообразный диоксид серы находится в равновесии с инеем, до 1800 К на больших высотах, где низкая плотность делает возможным нагрев от заряженных частиц в плазменном торе Ио и джоулев нагрев от токовой трубки Ио. Низкое давление ограничивает влияние атмосферы на поверхность, за исключением временного перераспределения диоксида серы между богатыми и бедными инеем областями и расширения размеров областей осадков вулканических шлейфов, когда вулканические выбросы падают в более плотную дневную атмосферу. Тонкая атмосфера Ио также показывает, что любые зонды, которые будут приземляться на Ио, не будут нуждаться в аэродинамической оболочке с тепловым экраном, но зато должны быть оснащены ретро-ракетами для замедления и остановки аппарата для более мягкого приземления. Малая толщина атмосферы требует и большую устойчивость аппарата к радиации.
    Газ из атмосферы Ио сгоняется в магнитосферу Юпитера, улетучиваясь или в нейтральное облако, окружающее Ио, или в плазменный тор (кольцо ионизированных частиц), которое находится на орбите Ио, но вращается совместно с магнитосферой Юпитера. Посредством этого процесса каждую секунду из атмосферы Ио удаляется около тонны газа и, следовательно, она должна пополняться с той же скоростью. Основной источник SO₂ - вулканические выбросы. Они закачивают в атмосферу Ио в среднем 10 тонн диоксида серы в секунду, но большая часть этих выбросов выпадает обратно на поверхность. Атмосферный диоксид серы находится в газообразном виде в основном за счёт нагрева инея солнечным светом и его сублимации. Атмосфера на дневной стороне в основном сосредоточена в пределах 40° от экватора, где поверхность самая тёплая, а вулканические выбросы самые активные. Существование атмосферы за счёт сублимации согласуется с тем, что плотность атмосферы максимальна на противоюпитерианском полушарии Ио, где больше всего инея SO₂, и с тем, что эта плотность увеличивается при приближении Ио к Солнцу. Однако некоторый вклад в атмосферу делают и вулканические выбросы, так как самая высокая её плотность наблюдается возле жерл вулканов. Поскольку давление диоксида серы в атмосфере тесно связано с поверхностной температурой, атмосфера Ио в некоторой мере съёживается ночью или когда спутник находится в тени Юпитера. Деградацию атмосферы во время затмения существенно затрудняет образование над поверхностью диффузионного слоя неконденсирующегося газа (моноксида серы), но всё же атмосферное давление на ночной стороне Ио на два-четыре порядка меньше, чем в максимуме сразу после полудня. Второстепенные составляющие атмосферы Ио (такие как NaCl, SO, O и S) берутся из вулканических выбросов или в результате фотодиссоциации SO₂ (распада, вызванного солнечным ультрафиолетовым излучением), либо в процессе разрушения поверхностных отложений заряженными частицами из магнитосферы Юпитера.

Затмение на Ио     Во время затмения луны Юпитером 1 января 2001 года космический аппарат "Кассини" запечатлел свечение сияний и вулканов на Ио. Съемка велась в УФ и ИК диапазоне. Анимация охватывает период в 2 часа и включает в себя 48 изображений. Разрешение цветных снимков 120 км на пиксель, а снимки, полученные через прозрачный фильтр, имели разрешение в 60 км на пиксель. Белые точки вблизи экватора представляют собой вулканы. Самая яркая точка – это вулкан Пеле.

КА "CASSINI": ИО

    На изображениях Ио, сделанных высокочувствительными камерами во время затмения спутника, видны полярные сияния. Как и на Земле, эти сияния вызываются радиацией, поражающей атмосферу, но в случае Ио заряженные частицы прибывают по линиям магнитного поля Юпитера, а не от солнечного ветра. Обычно полярные сияния наблюдаются возле магнитных полюсов планет, но у Ио они самые яркие вблизи экватора. У Ио нет собственного магнитного поля, поэтому заряженные частицы, движущиеся вдоль магнитного поля Юпитера, беспрепятственно воздействуют на атмосферу спутника. Ярчайшие полярные сияния возникают вблизи экватора - там, где линии магнитного поля параллельны поверхности спутника и, следовательно, пересекают большую толщу газа. Полярные сияния в этих областях колеблются в зависимости от изменений ориентации наклонённого магнитного диполя Юпитера. Кроме экваториальных, наблюдаются и другие полярные сияния (тоже видимые на изображении выше): красное свечение атомов кислорода вдоль лимба Ио и зелёное свечение атомов натрия на её ночной стороне.

---