A atmosfera na lua de Júpiter, Io, é uma mistura de bruxas, composta principalmente das exalações de enxofre de mais de 400 vulcões que pontilham a superfície.
Até agora, no entanto, não estava claro se os vulcões que expelem dióxido de enxofre quente (SO2) são os principais contribuintes para a atmosfera, ou se o principal componente é o SO2 frio acumulado, grande parte do qual está congelado na superfície, mas na luz solar evapora ou sublima na atmosfera.
Novas observações com o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) no Chile, liderado pelo astrônomo Imke de Pater, da Universidade da Califórnia, Berkeley, resolvem parcialmente essa questão.
“Não se sabia qual processo impulsiona a dinâmica na atmosfera de Io”, disse de Pater, que é professor da Escola de Pós-Graduação nos departamentos de astronomia e ciências terrestres e planetárias da UC Berkeley. “É a atividade vulcânica ou o gás que se sublima da superfície gelada quando Io está sob a luz do sol? O que mostramos é que, na verdade, os vulcões têm um grande impacto na atmosfera.”
Como a lua mais vulcanicamente ativa em nosso sistema solar, Io (“EYE oh”) fornece um laboratório para ambientes exóticos diferente de tudo na Terra. E como não podemos sondar o interior de Io, a atmosfera – cerca de um bilhão de vezes mais fina que a atmosfera da Terra – fornece uma janela para o interior turbulento da lua e os reservatórios de magma internos que alimentam os vulcões.
Sem nenhum satélite próximo atualmente observando a lua – a missão Juno da NASA se concentra principalmente em Júpiter e terminará em julho próximo -, astrônomos como de Pater devem contar com telescópios baseados na Terra para sondar a atmosfera. Ela tem observado a atmosfera de Io por 30 anos com radiotelescópios como o ALMA e telescópios ópticos e infravermelhos, principalmente os telescópios Keck no Havaí.
Uma surpresa com as novas observações é que a atmosfera se torna dramaticamente instável quando Io passa pela sombra de Júpiter a cada 42 horas enquanto orbita o planeta. Em um artigo aceito para publicação no Planetary Science Journal, de Pater e seus colegas relataram que as emissões de rádio do gás dióxido de enxofre (SO2) caíram exponencialmente quando Io foi eclipsado por Júpiter em 20 de março de 2018, indicando que a atmosfera inferior – abaixo de 10 a 20 quilômetros de altitude – essencialmente desabou, congelando rapidamente na superfície.
Embora a superfície de Io seja sempre fria – cerca de 150 graus Celsius abaixo do ponto de congelamento, ou -230 F -, uma queda adicional na temperatura de algumas dezenas de graus, para -270 F, traz a temperatura abaixo do ponto de congelamento de SO2.
Quando a lua ressurgiu da sombra de Júpiter durante as observações em 2 e 11 de setembro de 2018, as emissões de dióxido de enxofre frio retornaram em cerca de 10 minutos.
“Assim que Io entra na luz do sol, a temperatura aumenta, e você obtém todo esse gelo SO2 sublimando em gás, e você reforma a atmosfera em cerca de 10 minutos, mais rápido do que os modelos haviam previsto”, disse de Pater.
Ela notou que nem todo o SO2 frio congelou quando a temperatura caiu na sombra de Júpiter. Durante o eclipse, além do gás SO2 abundante sobre alguns vulcões, o ALMA também detectou baixos níveis de SO2 globalmente na atmosfera de Io, sugerindo que muitos vulcões invisíveis – os chamados vulcões furtivos, porque eles não emitem fumaça ou outras partículas que podem ser facilmente vistos – estão constantemente vomitando SO2 na atmosfera que permanece quente demais para condensar.
Também houve indícios de vulcanismo furtivo em observações relatadas por de Pater e seus colegas em julho, com base nas observações de Keck. Eles viram o gás monóxido de enxofre (SO) generalizado na atmosfera – não, como esperado, apenas sobre vulcões ativos. Como de Pater mostra em seu novo artigo, o SO é provavelmente produzido quando a luz do sol quebra a ligação enxofre-oxigênio no SO2, que foi ejetado centenas de quilômetros acima da superfície.
“O SO2 que vemos com o ALMA quando Io está em eclipse está em um nível muito baixo, e não podemos dizer se é vulcanismo furtivo ou causado pelo SO2 não condensando completamente”, disse ela. “Mas então, quando olhamos para o SO com Keck, só podemos explicar as emissões de SO, que estão disseminadas na superfície, por meio desse vulcanismo furtivo, porque a excitação do SO requer uma temperatura muito alta.”
Io em Eclipse
Com uma atmosfera tão fina, Io está exposto ao frio do espaço, bem como ao plasma quente ao redor de Júpiter. O puxão das marés que Júpiter e duas de suas maiores luas, Ganimedes e Europa, exercem em Io aquece o interior da lua, criando os vulcões que banham a superfície em vapores quentes de dióxido de enxofre. O maior vulcão de Io, Loki Patera, se estende por mais de 200 quilômetros (124 milhas).
O SO2 vulcânico eventualmente condensa na superfície para formar uma espessa camada congelada de gelo de dióxido de enxofre, recentemente mapeada globalmente por de Pater e seus colegas. Esse SO2 congelado, frequentemente coberto por uma camada de poeira vulcânica, é o que dá a Io suas cores características de amarelo, branco, laranja e vermelho.
Embora o domínio do SO2 na atmosfera de Io fosse bem conhecido – de Pater foi um membro da primeira equipe a observar o SO2 global em 1990 – ainda não estava claro se o SO2 quente recentemente emitido ou a sublimação do gelo de SO2 acumulado (referido como SO2 frio) dominou a atmosfera.
Para separar as contribuições do SO2 quente e frio, de Pater e seus colegas, incluindo Statia Luszcz-Cook da Universidade de Columbia em Nova York e Katherine de Kleer do Instituto de Tecnologia da Califórnia, escolheram observar Io durante sua transição da luz do sol para a escuridão durante um eclipse e novamente quando ressurgiu à luz do eclipse. Por causa do alinhamento de Io e da Terra em relação a Júpiter, é impossível observar a entrada e a saída da lua de Júpiter no mesmo eclipse, então as duas observações ocorreram com seis meses de intervalo.
“Quando Io passa para a sombra de Júpiter e está fora da luz solar direta, é muito frio para o gás dióxido de enxofre e condensa na superfície de Io. Durante esse tempo, só podemos ver o dióxido de enxofre de origem vulcânica. Podemos, portanto, ver exatamente quanto da atmosfera é impactado pela atividade vulcânica “, disse Luszcz-Cook.
Graças à resolução e sensibilidade requintadas do ALMA, os astrônomos puderam, pela primeira vez, ver claramente as plumas de SO2 e SO subindo dos vulcões, dois dos quais – Karei Patera e Daedalus Patera – entraram em erupção em março, enquanto um terceiro vulcão estava ativo em setembro. Com base nos instantâneos, eles calcularam que vulcões ativos produzem diretamente de 30% a 50% da atmosfera de Io.
As imagens do ALMA também mostraram um terceiro gás saindo dos vulcões: cloreto de potássio (KCl). Tanto o KCl quanto o cloreto de sódio – NaCl, ou sal de mesa comum – são componentes comuns do magma.
“Vemos KCl em regiões vulcânicas onde não vemos SO2 ou SO”, disse Luszcz-Cook. “Esta é uma forte evidência de que os reservatórios de magma são diferentes em diferentes vulcões.”
“Ao estudar a atmosfera e a atividade vulcânica de Io, podemos entender mais sobre os vulcões, o processo de aquecimento das marés e o interior de Io”, acrescentou de Kleer.
De Pater e seus colegas também esperam observar Io em outros comprimentos de onda de rádio que podem sondar vários centímetros abaixo da superfície, potencialmente revelando o conteúdo e a temperatura do magma subjacente aos vulcões.
Uma grande incógnita continua sendo a temperatura na baixa atmosfera de Io. Em pesquisas futuras, os astrônomos esperam medir isso com o ALMA.
“Para medir a temperatura da atmosfera de Io, precisamos obter uma resolução maior em nossas observações, o que requer que observemos a lua por um período mais longo de tempo. Só podemos fazer isso quando Io está sob a luz do sol, uma vez que não passa muito tempo em eclipse “, disse de Pater. “Durante essa observação, Io irá girar dezenas de graus. Precisamos aplicar um software que nos ajude a fazer imagens não distorcidas. Fizemos isso anteriormente com imagens de rádio de Júpiter feitas com ALMA e o Very Large Array.”
Publicado em 25/10/2020 00h20
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