12.2: 木星的盖琳卫星

Last updated
Save as PDF

Page ID: 203291

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述我们可以观察到的关于Callisto的主要特征以及我们可以从中推断出什么
解释木卫三构造和火山活动的证据
解释一下欧罗巴冰冷表面不寻常的特征可能是什么原因
描述 Io 的主要区别特征
解释一下潮汐力量是如何产生我们在欧罗巴和艾奥看到的地质活动的

从1996年到1999年，伽利略航天器沿着复杂但精心策划的轨道穿越木星系统，可以反复与大型伽利略卫星近距离接触。（从2004年开始，我们收到了更多关于土卫六的信息，这些信息来自卡西尼号航天器及其降落在其表面的惠更斯探测器。我们在这里包括土星的一颗大卫星泰坦，以供比较。）该表\(\PageIndex{1}\)总结了关于这些大型卫星（再加上我们自己的月球进行比较）的一些基本事实。

表\(\PageIndex{1}\)：最大的卫星
姓名	直径 (km)	质量（地球的月亮 = 1）	密度 (g/cm ³)	反射率 (%)
月亮	3476	1.0	3.3	12
Callisto	4820	1.5	1.8	20
木卫三	5270	2.0	1.9	40
欧罗巴	3130	0.7	3.0	70
艾奥	3640	1.2	3.5	60
泰坦	5150	1.9	1.9	20

Callisto：一个古老的原始世界

我们从最外层的卡利斯托开始讨论伽利略卫星，不是因为它很了不起，而是因为它不是。这使它成为一个方便的物体，可以与其他更活跃的世界进行比较。它与木星的距离约为200万千米，它在17天内绕地球运行。就像我们自己的月球一样，卡利斯托的旋转周期与它旋转的时间相同，因此它对木星总是保持相同的面孔。因此，卡利斯托的日子等于其月份：17 天。它的中午表面温度仅为130 K（比冰点低约140°C），因此其表面水冰全年保持稳定（永不蒸发）。

卡利斯托的直径为4820千米，与水星几乎相同（图\(\PageIndex{1}\)）。但是它的质量只有三分之一，这意味着它的密度（质量除以体积）也必须只有三分之一。这告诉我们，卡利斯托在内行星中发现的岩石和金属材料要少得多，相反，它的大部分内部必须是一个冰冷的天体。卡利斯托可以向我们展示冰冷物体的地质与主要由岩石构成的物体的地质学相比如何。

与我们迄今为止研究的世界不同，Callisto尚未完全区分开来（分为不同密度的材料层）。从伽利略航天器引力的细节来看，我们可以看出它缺少密集的核心。这让科学家们感到惊讶，他们预计所有的大冰卫星都会被区分开来。冰体应该比岩石物体更容易区分，因为冰的融化温度太低了。只需稍加加热即可软化冰层并启动该过程，使岩石和金属沉入中心，而泥泞的冰漂浮在地表上。然而，在差异化过程完成之前，卡利斯托似乎已经冻结了固体。

卡利斯托的表面被撞击坑覆盖，就像月球高地一样。这些陨石坑的存活告诉我们，冰冷的物体可以在其表面保留撞击坑。卡利斯托在太阳系行星大小的天体中是独一无二的，因为显然没有推动地质变化的内部力量。你可能会说这颗月球已经死产，它在地质上已经死亡了40多亿年（图\(\PageIndex{1}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{1}\)：卡利斯托。 (a) 木星最外层的大月亮显示出一个严重的陨石坑表面。天文学家认为，明亮的区域主要是冰，而较暗的区域是侵蚀性更强、缺冰的物质。 (b) 这些由美国航天局伽利略航天器于2001年5月拍摄的高分辨率图像显示了卡利斯托表面的冰顶（顶部），随着冰的侵蚀，较暗的尘埃已经滑落，聚集在低洼地区。尖顶高约 80 到 100 米。随着表面进一步侵蚀，冰冷的尖顶最终消失，使撞击坑暴露在外，如下图所示。

在思考距离太阳这么远的冰时，我们必须注意不要根据我们在地球上认识和喜爱的温暖得多的冰来判断它的行为。在外太阳系的温度下，地表上的冰几乎和岩石一样坚硬，其行为类似。卡利斯托上的冰不会像地球上冰川中的冰一样变形或流动。

木卫三，最大的月亮

太阳系中最大的卫星 Ganymede 也显示了大量的陨石坑（图\(\PageIndex{2}\)）。回想一下《其他世界：太阳系简介》），我们可以使用固体世界中的火山口计数来估计地表的年龄。陨石坑越多，表面遭受太空冲击的时间就越长，因此必须越旧。木卫三大约四分之一的表面似乎和卡利斯托一样古老且火山口严重；其余的则是最近形成的，冲击坑覆盖稀疏以及这些陨石坑的相对新鲜度可以看出。如果我们从火山口数量来看，木卫三上这个更新鲜的地形比月球玛丽亚或火星火山平原要年轻一些，可能有20到30亿年的历史。

Ganymede 和 Callisto 之间的区别不仅仅在于皮肤深处。木卫三是一个差异化的世界，就像地球行星一样。对其重力场的测量结果告诉我们，岩石沉没形成了大约相当于我们月球大小的核心，其上方 “漂浮” 了地幔和冰壳。此外，伽利略航天器发现木卫三有磁场，这无疑是内部部分熔融的特征。内部很可能有液态水困住。因此，木卫三不是一个死亡世界，而是一个由内部热源提供动力的间歇性地质活动的地方。一些表面特征可能与金星表面一样年轻（几亿年）。

较年轻的地形是由构造和火山力量形成的（图\(\PageIndex{2}\)）。在某些地方，地壳显然破裂了，许多陨石坑被来自内部的水淹没。地壳压缩形成了广阔的山脉，形成了长脊，平行山谷相隔几千米。在某些地区，较旧的撞击坑被分开并拆开。甚至有迹象表明，地壳的大规模运动与地球的板块构造相似。

alt — 图\(\PageIndex{2}\)：木卫三。 (a) 这张太阳系中最大的卫星 Ganymede 的全球视图由 Voyager 2 拍摄。颜色经过增强，可以更轻松地发现差异。较暗的地方是较旧、火山口较严重的区域；较亮的区域更年轻（与我们的月球相反）。最亮的地方是最近发生地质影响的地点。 (b) 这张 Nicholson Regio 在 Ganymede 上的特写镜头展示了一个旧的撞击坑（位于左下角），它已被构造力量分裂并拉开。在木卫三的黑暗地形上，一条凹槽和山脊似乎穿过火山口，使其圆形变形。

为什么 Ganymede 和 Callisto 有这么大的不同？可能两者在尺寸和内部加热方面的微小差异导致了它们的演变分歧。但是，木卫三持续的地质活动更有可能归咎于木星的重力。木卫三离木星足够近，以至于来自巨型行星的潮汐力量可能偶尔加热了其内部并引发了地壳的重大抽搐。

潮汐力是由物体两侧不平等的引力产生的。在一种复杂的现代舞中，木星的大卫星被巨型行星和彼此不同的重力抓地力所吸引。这会导致它们的中心发生引力弯曲或揉捏，从而加热它们，这种效应称为潮汐加热。（有关Io的部分给出了更全面的解释。）当我们向内移动到欧罗巴和艾奥时，我们将看到，木星潮汐对靠近地球的卫星的作用变得更加重要。

欧罗巴，有海洋的月亮

欧罗巴和艾奥是伽利略内部的两颗卫星，不像大多数外行星的卫星那样是冰冷的世界。它们的密度和大小与我们的月球相似，似乎主要是岩石物体。它们怎么没能获得形成时外太阳系中肯定充足的冰的大部分份额？

最可能的原因是木星本身，在木星形成后的头几百万年里，木星的温度足够高，足以辐射大量的红外能量。这种红外辐射本来可以加热行星附近的物质盘，这些物质最终会聚成更近的卫星。因此，木星附近的任何冰都会蒸发，使欧罗巴和艾奥的成分与太阳系内部行星相似。

尽管欧罗巴的主要成分是岩石，但其表面被冰层覆盖，正如天文学家通过研究反射的阳光光谱早已知道的那样。在这种情况下，它类似于地球，其表面有一层水，但就欧罗巴而言，水被厚厚的冰层覆盖。这片冰层中的撞击坑很少，这表明欧罗巴表面处于持续的地质自我更新状态。从火山口数量来看，地表的历史不得超过几百万年，甚至可能要少得多。就消灭撞坑的能力而言，欧罗巴在地质上比地球更活跃。

当我们看欧罗巴的特写照片时，我们看到了一个奇怪而复杂的表面（图\(\PageIndex{3}\)）。在大多数情况下，冰冷的地壳非常光滑，但它纵横交错，有裂缝和低脊，通常延伸数千公里。其中一些长线是单线的，但大多数是双线或多线，看起来很像庞大的高速公路系统的残余物。

alt — 图\(\PageIndex{3}\)：欧罗巴海洋的证据。 (a) 此处以增强的色彩显示了一个名为 Conamara Chaos 的区域的特写镜头。此视图的长维宽度为 70 千米。看来科纳马拉是一个欧罗巴冰壳（或最近）相对较薄的地区，更容易进入地下可能的液态或泥泞的海洋。这里的许多冰块没有固定在下面的坚固地壳上，似乎已经从原来的位置滑动或旋转了。实际上，这里看到的地层看起来与地球北冰洋漂浮的海冰和冰山的景色相似。 (b) 在这个高分辨率视图中，冰层起皱并由长长的山脊纵横交错。在这些山脊相交的地方，我们可以看到哪些更老，哪个更年轻；较小的山脊越过了较旧的山脊。虽然从表面上看，这种山脊系统类似于欧罗巴上的巨型高速公路系统，但山脊比我们的高速公路宽得多，是月球弯曲的自然结果。

在行星表面画出直线非常困难。在讨论火星时，我们解释说，当珀西瓦尔·洛厄尔看到在他看来似乎是直线（所谓的火星 “运河”）时，他将其归因于聪明生物的工程努力。我们现在知道火星上的线条是视觉错觉，但欧罗巴上的线条是真实的。如果冰冷的地壳漂浮在液态水海洋上没有太大摩擦力，则这些长裂缝可能会在冰冷的地壳中形成（图\(\PageIndex{4}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{4}\)：欧罗巴上一个年轻双脊的高分辨率伽利略图像。这张照片中的区域只有 15 千米宽。它似乎是在粘稠的冰冷物质被迫穿过地壳中一条长而直的裂缝时形成的。请注意，从左上角向右下角延伸的年轻山脊是如何位于较旧特征之上的，而较旧的特征本身则位于更旧的特征之上。

伽利略的特写图像似乎证实了全球海洋的存在。在许多地方，欧罗巴的表面看起来和我们预期的一样，一层厚厚的冰被分解成巨大的冰山和浮冰，然后重新冻结在原地。当冰层破裂时，来自下方的水或雪泥可能能够从裂缝中渗出，形成我们观察到的山脊和多线特征。要解释我们所看到的复杂性，需要许多冰裂事件、移动、旋转和再冻结。结冰的地壳厚度可能从一公里左右到二十千米不等。对欧罗巴与木星磁层相互作用引起的小磁场的测量进一步证实了冰下存在液态海洋。欧罗巴的 “磁性特征” 是液态水海洋，而不是冰或岩石。

如果欧罗巴的冰层下真的有一大片液态水海洋，那么它可能是太阳系中除地球之外唯一一个有大量液态水的地方。1 为了保持液态，必须通过从欧罗巴内部散发的热量来温暖这片海洋。那里可能活跃着热（或至少是温暖的）温泉，类似于我们在地球深海中发现的温泉。必要的内部热量是由潮汐加热产生的（参见本章后面的讨论）。

行星科学家凯文·汉德（Kevin Hand）拍摄的一部短片解释了为什么欧罗巴对未来的探索如此有趣。或者听听这个关于欧罗巴的更深入的演讲。

温泉海洋的想法之所以令人兴奋，是因为在地球海洋中发现了聚集在深海温泉周围的大型生态系统。这种生命的所有能量都来自富含矿物质的水，并且不受地球表面的阳光照射而茁壮成长。如今，欧罗巴的冰层下有可能存在类似的生态系统吗？

现在，许多科学家认为欧罗巴是地球以外最有可能在太阳系中找到生命的地方。作为回应，美国宇航局正在设计一项欧罗巴任务，以描述其液态海洋和冰壳的特征，并确定内部物质上升到地表的位置。这种内部材料可能会揭示微生物生命的直接证据。在规划未来的任务时，也可以包括一艘小型着陆器。

哈哈，火山月亮

艾奥是木星伽利略卫星的最深处，在许多方面是我们月球的近亲双胞胎，大小和密度几乎相同。因此，我们可能期望它经历过类似的历史。但是，从太空拍摄的它的外观告诉我们另一个故事（图\(\PageIndex{5}\)）。事实证明，艾奥不是一个死火山口的世界，而是太阳系中火山活动水平最高的国家，远远超过了地球。

alt — 图\(\PageIndex{5}\)：Io 的两面。这张合成图像显示了火山活跃的月球 Io 的两侧。橙色沉积物是硫雪；白色是二氧化硫。（卡尔·萨根曾经打趣说艾奥看起来好像迫切需要一针青霉素。）

艾奥的活火山活动是由旅行者号航天器发现的。 1979 年 3 月 Voyager 1 号经过时，人们看到了八座火山喷发，四个月后 Voyager 2 号过世时，其中六座仍在活跃。随着伽利略航天器携带的仪器的改进，仅在1997年就发现了50多次喷发。许多喷发会产生优美的羽流，向太空延伸数百公里（图\(\PageIndex{6}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{6}\)：艾奥的火山喷发。这张来自美国宇航局伽利略航天器的合成图像显示了木星火山月球艾奥上两次单独火山喷发的特写镜头（两张插图照片）。在上方的插图中，你可以看到一根蓝色的羽流在火山表面上方约 140 公里处升起的特写镜头。下方的插图中是普罗米修斯羽流，它从艾奥的表面升起了大约 75 公里。普罗米修斯羽毛以希腊火神的名字命名。

观看由 Voyager 和 Galileo 数据制作的简短影片，其中展示了旋转的 Io 及其引人注目的表面特征。

这部旋转艾奥的电影是根据美国地质调查局的旅行者和伽利略数据制作的艾奥马赛克制作的。来源：阿什利·戴维斯。

伽利略的数据显示，艾奥的大部分火山活动由热硅酸盐熔岩组成，就像地球上的火山一样。有时候，炎热的熔岩会遇到硫和二氧化硫的冰冻沉积物。当这些冰冷的沉积物突然被加热时，结果是巨大的喷发羽流远大于从陆地火山喷出的任何羽流。随着上升的羽流降温，硫和二氧化硫会重新凝结为固体颗粒，在距离通风口长达一千公里的五颜六色的 “降雪” 中落回地表。甚至可以看到伽利略轨道之间出现了主要的新表面特征，如图所示\(\PageIndex{7}\)。

alt — 图\(\PageIndex{7}\)：Io 上的火山变化。这三张照片是在 1997 年 4 月、1997 年 9 月和 1999 年 7 月在艾奥同一 1700 平方公里的区域拍摄的。名为皮兰·帕特拉（Pillan Patera）的深色火山中心经历了一次巨大的喷发，产生了横跨约400公里的暗沉积物（在中图的中上方显示为灰色区域）。但是，在右图中，一些新的暗沉积物已经被来自贝利火山的红色物质覆盖。此外，自1997年以来，皮兰右侧有一座未命名的小型火山喷发，在右侧图像（灰点右侧）上可以看到它的一些暗沉积物和周围的黄环。这些图像中的颜色范围被夸大了。

随着伽利略任务的结束，控制者愿意冒险接近艾奥。接近这个月球是一种危险的动作，因为被困在木星磁环境中的原子粒子带在艾奥的轨道附近处于最强的强度。事实上，在首次通过艾奥时，该航天器吸收了超出其设计水平的破坏性辐射。为了保持系统正常运行，控制器必须修改或禁用板载计算机中的各种故障保护软件例程。尽管存在这些困难，但该航天器还是成功实现了四次艾奥飞越，获得了前所未有的分辨率的表面照片和光谱。

艾奥地图显示了最近活跃的100多座火山。巨大的流量从其中许多喷口散开，用仍然温暖的熔岩覆盖了月球总表面的大约25％。从这些测量结果中可以明显看出，最初引起艾奥注意的明亮表面颜色是硫化合物薄板的结果。潜在的火山活动是由熔融硅酸盐的喷发驱动的，就像在地球上一样（图\(\PageIndex{8}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{8}\)：艾奥的熔岩喷泉。伽利略在这张结合了红外和可见光的假彩色图像中捕捉到了艾奥岛上名为Tvashtar Catena的巨大火山口（或火坑）链上的多次喷发。左边的亮橙黄色区域是新鲜热熔岩从地下喷发的地方。

潮汐加热

尽管体积很小，艾奥怎么能保持火山活跃？正如我们之前所暗示的那样，答案在于重力的影响，即潮汐加热。艾奥与木星的距离与我们的月球与地球的距离差不多。然而，木星的体积是地球的300倍以上，它产生的力量将艾奥拉成细长的形状，数公里高的凸起向木星延伸。

如果艾奥总是保持完全相同的面孔转向木星，那么这个凸起就不会产生热量。但是，由于来自欧罗巴和木卫三的引力扰动（拖船），艾奥的轨道并不完全是圆形的。在稍微偏心的轨道上，艾奥相对于木星来回扭曲，同时在每次旋转时都离地球越来越近。扭曲和弯曲发热 Io，就像反复弯曲钢丝衣架会加热电线一样。

数十亿年后，这种持续的弯曲和加热对艾奥造成了损失，驱走了水、二氧化碳和其他气体，因此现在硫和硫化合物是剩下的最具挥发性的物质。它的内部已完全融化，地壳本身不断被火山活动回收利用。

在从卡利斯托向木星向内移动到艾奥的过程中，我们遇到了越来越多的地质活动和内部加热的证据，最终导致了艾奥的猛烈火山活动。图中比较了其中三个表面\(\PageIndex{9}\)。正如太阳系中行星的特征在很大程度上取决于它们与太阳的距离（以及它们接收的热量）一样，与木星这样的巨型行星的距离似乎可以在其卫星的组成和演变中发挥重要作用（至少部分原因是木星持续的潮汐力量对每颗月球的内部加热差异）。

alt — 图\(\PageIndex{9}\)：三颗冰月。这些伽利略图像以相同的分辨率比较了欧罗巴、木卫三和卡利斯托的表面。请注意，随着我们从欧罗巴到木卫三再到卡利斯托，陨石坑的数量（以及我们所看到的地表年龄）会增加。欧罗巴图像是裂缝和山脊系统类似于高速公路系统的图像之一。

摘要

木星最大的卫星是木卫三和卡利斯托，它们都是由一半以上的水冰组成的低密度天体。卡利斯托有古老的火山口表面，而木卫三则显示了广泛的构造和火山活动的证据，这种活动一直持续到大概十亿年前。 Io 和 Europa 更密集更小，每个都差不多相当于我们的月球的大小。艾奥是太阳系中火山活性最高的天体。各种证据表明，欧罗巴在厚厚的冰壳下有全球液态水海洋。许多科学家认为，欧罗巴可能为寻找生命提供太阳系中最有利的环境。

脚注

¹ 木卫三和土星的卫星 Enceladus 的表面可能含有少量的液态水。

词汇表

潮汐加热: 由于来自附近行星或月球的引力变化而引起的可变潮汐力对行星或月球内部的升温