Hundratals vulkaner markerar ytan av Io, den tredje största av Jupiters 78 kända månar, och den enda kroppen i vårt solsystem förutom jorden där utbredd vulkanism kan observeras. Källan till månens inre värme är radikalt annorlunda än jordens, gör månen till ett unikt system för att undersöka vulkanism.

En ny studie i AGU-tidskriften Geofysiska forskningsbrev finner Ios mäktigaste, ihållande vulkan, Loki Patera, ljusnar på en liknande tidsskala som små störningar i Ios bana orsakade av Jupiters andra månar, som upprepas på en cykel på cirka 500 jorddagar.

De nya resultaten är överraskande eftersom vulkaner på Io inte får utbrott i tid med större fluktuationer i de mycket större spänningar som tillfogas Io under månens 1,77-jorddagars bana runt Jupiter. Intern friktion från dessa påfrestningar genererar värmen som driver Ios vulkaner, men fluktuerande spänningar under den korta perioden av Ios omloppsbana verkar inte pressa magma till ytan.

Den nya studien, som analyserade 271 nätter av observationer av Loki Patera från Hawaiis Keck och Gemini North-teleskop från 2013–2018, och mer sporadiska observationer som går tillbaka till 1987, föreslår den mildare, 500-dagarscykel kan agera på rätt tidsskala för att flytta magma och föra den till månytan i ett utbrott.

"Spänningarna på Ios inre varierar mycket under den 1,77-dagars omloppsbanan, sa Katherine de Kleer, en planetforskare vid California Institute of Technology och huvudförfattaren till den nya studien. "Såvitt någon har kunnat säga, det finns ingen variation i Ios vulkaner på denna 1,77-dagars skala, så det är lite kontraintuitivt att vi skulle se ett svar under den längre perioden, när förändringarna i stress är lägre."

Att förstå denna dynamik kan ge ledtrådar till Ios mystiska inre såväl som andra kroppar i solsystemet som värms upp av en fluktuerande tyngdkraft, en effekt som kallas tidvattenuppvärmning.

"Vi vet nästan ingenting om hur Ios magmakammare och ledningar är, så Loki Pateras beteende ger oss ett litet fönster till ett område där vi för närvarande har noll information, sa de Kleer.

Måndans

Io har ett varmt inre eftersom dess snäva bana runt Jupiter inte är cirkulär. Månen har fastnat i en excentrisk bana eftersom den ger resonans med Jupiters största månar, grannlandet Europa och Ganymedes, fångad mellan deras inflytande och Jupiters massiva gravitation.

Europas bana runt Jupiter är dubbelt så lång som Ios, och Ganymedes bana är dubbelt så lång som Europas. Denna 1:2:4-rytm innebär att tyngdkraften från de andra två månarna upprepas konsekvent när Io kretsar runt Jupiter.

Ios avstånd från Jupiter förändras under dess elliptiska bana, så den upplever en annan mängd av Jupiters gravitation när den kretsar runt den massiva planeten. Jupiters och de andra månarnas skiftande dragkraft sträcker ut och komprimerar Io på sin tvådagarsbana runt Jupiter. Detta genererar tillräckligt med värme från friktion i materialen i månens inre för att smälta sten till magma.

Forskare som studerar de mer än 400 vulkanerna på Io har letat efter bevis för att de får utbrott i samma takt. En sådan fluktuation med daglig omloppsbana inträffar på Saturnus måne Enceladus, som har ett underjordiskt hav som sprutar ut genom sprickor i månens frusna yta. Vattengejsrar på Enceladus blommar som störst när månen är längst bort från Saturnus och sprickorna från gejsrarna dras upp.

Men den nya studien hittade inga bevis för att Loki Patera håller samma tid som Ios tvådagarsbana runt Jupiter. Istället, dess ljusstyrka verkar fluktuera på en liknande tidsskala som subtila störningar i Ios omloppsbana.

Även om orbital resonans med Europa och Ganymedes utövar de största tidvatteneffekterna på Io, de intilliggande månarna förvränger också en aning formen av Ios bana i cykler som varar 480-484 dagar och 461-464 dagar. Loki Patera verkar få ett utbrott i en cykel som liknar denna tidsram, enligt den nya studien.

Långsamt flöde

De Kleer och hennes kollegor tror att de olika dynamiken på Io och Enceladus kan ha att göra med hur vätskor rör sig genom porer eller sprickor i berg. Magma är mer som honung eller tandkräm än vatten. Den reagerar inte lika snabbt som vatten på att klämma. Perioden för Ios omloppsbana kan vara för kort för att tidvatteneffekter i månens inre ska få utbrott på ytan.

"Magman i Ios skorpa tar tid att flöda, sa Francis Nimmo, en geofysiker vid University of California Santa Cruz och medförfattare till den nya tidningen. "Om du pressar och sträcker skorpan snabbt, ingenting händer; men om du klämmer och sträcker den långsammare, magman har tid att röra sig tillräckligt långt för att fylla en vulkanisk ledning, orsakar ett utbrott. Det liknar hur du kan springa på våt sand, men om du går långsamt sjunker dina fötter."

Det som forskare lär sig om tidvattenvärmeeffekter från att studera Io skulle kunna tillämpas på Europa och andra kroppar i hela solsystemet som är tidvattenuppvärmda, enligt författarna till den nya studien.

"På andra världar är det svårare att studera denna grundläggande planetariska process eftersom den inte genererar dessa vulkaner som är så lätta att observera, " sa de Kleer. "Io fungerar som ett laboratorium för att få insikt i denna process som sedan kan tillämpas på andra månar i solsystemet."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av AGU Blogs (http://blogs.agu.org), en gemenskap av jord- och rymdvetenskapsbloggar, värd av American Geophysical Union. Läs originalberättelsen här.