木卫一是木星已知78颗卫星中第三大的卫星，木卫一是太阳系中除地球外唯一可以观测到大规模火山活动的天体。木卫一内部热量的来源与地球截然不同，这使得木卫一成为研究火山活动的一个独特系统。AGU期刊《地球物理研究快报》上发表的一项新研究发现，木卫一最强大、持续时间最长的火山洛基帕特拉(Loki Patera)亮度，与木卫一轨道上由木星其他卫星引起的轻微扰动时间尺度相似。木卫一轨道上的微小扰动，以大约500个地球日的周期重复出现。
这一新结果令人惊讶，因为木卫一上的火山没有及时喷发，在木卫一绕木星运行的1.77个地球日期间，木卫一受到的压力要大得多，而木卫一上的火山受到压力波动要大得多。这些应力产生内摩擦产生的热量为木卫一火山提供动力，但木卫一轨道短期内的波动应力似乎没有将岩浆挤压到表面。这项新研究分析了2013-2018年间夏威夷凯克和双子座北望远镜对洛基·帕特拉271个夜晚的观测结果，以及1987年以来的零星观测结果。
研究表明，更温和的500天周期可能在合适时间尺度上发生作用，使岩浆移动，并在喷发时将其带到木卫一表面。加州理工学院的行星科学家、这项新研究的主要作者凯瑟琳·德克尔(Katherine de Kleer)说：在这1.77天的轨道运行期间，木内行星内部的压力变化很大。据任所知，木卫一的火山在这1.77天的尺度上没有变化，所以当压力变化较低时，会在较长时间内看到反应，这有点违反直觉。了解这一动态可能会为木卫一神秘的内部结构以及太阳系中其他天体内部结构提供线索。
这些星体内部都受到波动引力的影响而变暖，这种效应被称为潮汐加热。对木卫一的岩浆房和导管几乎一无所知，所以木卫一的行为为我们打开了一扇小窗，让我们了解到目前一无所知的区域。木卫一内部很热，因为它围绕木星紧密轨道不是圆形的。木卫一被困在一个偏心轨道上，是因为它与木星最大的卫星——邻近木卫二(Europa)和木卫三(Ganymede)——产生了共振，这两颗卫星被夹在它们的影响和木星巨大引力之间。
木卫二环绕木星轨道是木卫一的两倍，木卫三的轨道是木卫二的两倍。这个1:2:4意味着当木卫一绕木星运行时，来自其他两颗卫星的引力会不断重复。木卫一与木星的距离随着其椭圆轨道变化而变化，所以当木卫一环绕这颗巨大的行星时，会感受到木星不同程度的引力。木星和其他卫星的移动引力使木卫一在围绕木星的两天轨道上伸展和压缩。木卫一内部物质之间的摩擦产生足够热量，使岩石熔化成岩浆。科学家对木卫一上的400多座火山进行了研究，寻找它们同时喷发的证据。
这种日轨道波动发生在土星的卫星土卫二上，土卫二有一个地下海洋，从卫星冰冻表面的裂缝中喷涌而出。土卫二上的水泉在距离土星最远地方喷发最大，而喷泉的裂缝也被拉开。但这项新研究并没有发现木卫一洛基帕特拉火山与木卫一围绕木星运行两天时间相同的证据。相反，亮度似乎与木卫一轨道上的微小扰动在相同时间尺度上波动。虽然与木卫二和木卫三的轨道共振对木卫一潮汐影响最大，但相邻卫星也会以480-484天和461-464天的周期轻微扭曲木卫一轨道形状。
根据这项新研究，木卫一洛基帕特拉火山的喷发周期似乎与这一周期类似。研究人员认为，木卫一和土卫二上的不同动力学可能与流体通过岩石孔隙或裂缝的方式有关。岩浆更像蜂蜜或牙膏，而不是水。它对挤压的反应不如水那么快。木卫一轨道的周期可能太短，以至于木卫一内部的潮汐效应无法喷发到表面。加州大学圣克鲁兹分校地球物理学家、这篇新论文的合著者弗朗西斯尼姆(Francis Nimmo)说：木卫一地壳中的岩浆需要时间才能流动。如果迅速挤压和拉伸地壳，什么也不会发生。
但如果挤压和拉伸的速度慢一些，岩浆就有足够时间移动到足以填满火山导管的地方，从而引发火山爆发。这就像你可以在潮湿的沙滩上跑步，但是如果你走得很慢，你的脚就会下沉。科学家从研究木卫一中了解到的潮汐加热效应，可能适用于木卫二和整个太阳系中潮汐加热的其他天体。在其他星球上，研究这个基本的行星运动过程要困难得多，因为不会产生如此容易观察到的火山。木卫一就像一个实验室，可以洞察这个过程，然后将其应用到太阳系的其他行星卫星上。
博科园｜研究/来自：美国地球物理联盟
参考期刊《地球物理研究快报》
DOI: 10.1029/2019GL082691
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