Fenómenos Volcánicos en el sistema solar: Io.

Por Ángel Ferrer Rodriguerz . Coordinador sección planetaria

Seguramente, cuando Galileo descubrió cuatro pequeñas lunas entorno a Júpiter, poco podía imaginar que cada una era un mundo diferente y enigmático. El más interno de ellos es Io. Visto desde la Tierra es un punto de un segundo de arco y sin embargo es el cuerpo del sistema solar con un vulcanismo más activo. Tiene una superficie plagada de volcanes, calderas,  ríos de lava y géiseres de tamaños descomunales. Se intuyó que podía tener una superficie caliente poco antes de que las naves Voyager lo sobrevolasen. Las imágenes fueron increíbles. Desde 1995 una nueva nave espacial, La Galileo, nos está enviando fotografías que nos siguen sorprendiendo y con la ventaja, que gracias a Internet las podemos ir contemplando casi en directo. No dejéis de visitar el sitio oficial de la misión: http://www.jpl.nasa.gov/galileo. (Figura 1).  

Io es el satélite más próximo a Júpiter. Comparte muchas características con nuestra Luna. Tiene un diámetro parecido, una distancia al planeta similar, siempre le presentan la misma cara y tienen una órbita casi circular. Pero las semejanzas acaban ahí. Júpiter tiene una masa 318 veces mayor que la Tierra, lo que obliga a girar a Io en poco mas de día y medio, en comparación con los 29 días de nuestra Luna. La otra gran diferencia es que tiene otros tres “hermanos” muy próximos y que como sabéis son Europa, Ganímedes y Calixto. (todos ellos eran amantes de Júpiter). Estos tres satélites, pero sobre todo Europa, ejercen una influencia gravitatoria muy importante sobre Io.

 En un artículo anterior, (Ferrer, Huygens 27, 2000) sobre volcanes en el sistema solar, vimos que el calor de un cuerpo planetario tiene varios orígenes: el impacto de planetésimos en el comienzo del sistema solar, la energía potencial gravitatoria cuando se va formando el núcleo más denso y en tercer lugar de la desintegración de elementos radiactivos, primero los de vida corta como el aluminio 26 y posteriormente los de vida más larga como el uranio, torio y potasio. Estas fuentes de calor van disminuyendo con el tiempo y el cuerpo planetario se va enfriando. En cuerpos pequeños como la Luna o Mercurio prácticamente el calor se pierde por conducción sin crear fenómenos volcánicos. Pero comentamos que también se genera calor por efecto de las mareas. El exponente máximo de este mecanismo es Io.

 Los tres satélites más interiores: Io, Europa y Ganímedes mantienen una relaciones entre ellos muy especiales. Hay una resonancia de sus órbitas de forma que no pueden estar alineados en la misma dirección. El periodo orbital de Europa es el doble que el de Io. Continuamente está deformando su órbita. Estas fuerzas de marea hacen que el satélite presente un abultamiento, según estén situados los otros satélites, de hasta 100m. que va rotando cada pocas días. Todo Io sufre un movimiento de elongación y aplastamiento, lo que origina una fricción muy grande y por consiguiente un calentamiento. Es algo así como cuando queremos romper un alambre flexionándolo muchas veces, que vemos que se calienta. Este mismo fenómeno sucede en la Tierra y en la Luna pero a muchísima menor escala. Se calcula que la superficie de Io irradia del orden de varios centenas de billones (de los españoles) de vatios, lo que corresponde a unos 2.5 vatios por metro cuadrado. Para hacernos una idea el promedio de la Tierra es de 0.06 y en zonas termales puede llegar a 1.7 vatios por metro cuadrado. La Luna solo produce 0.02 w/m2. Este efecto de la mareas también calienta a Europa y Ganímedes pero en menor escala. Calixto no participa en fenómeno. 

Desde hace muchos años había sospechas que Io podía estar caliente. Se basaba en observaciones desde la Tierra de la temperatura del satélite cuando entraba en un eclipse. La temperatura bajaba muy considerablemente, pero no tanto como correspondía a un cuerpo inerte. Stanton J. Peale, Ray T. Reynolds y Parick Cassen basados en la resonancia de las orbitas, se atrevieron a pronosticar que en Io habría volcanes activos. Su hipótesis fue confirmada una semana después cuando pasó la nave Voyager 1 por el sistema Joviano. Nunca una predicción de esa magnitud se confirmó tan rápidamente.

Las imágenes de Io envidadas en 1979 por las Voyager 1 fueron impresionantes. Toda su superficie estaba plagada de volcanes, ríos de lava, calderas que sugería un fuerte vulcanismo. Pero fue unos días después de recibir las imágenes cuando la ingeniero Linda Morabito descubrió una especie de surtidor en el limbo del satélite. No solo había volcanes, sino que ¡estaban activos¡ (Figura 2).

Fue el primer cuerpo del sistema solar con volcanes activos, excluyendo nuestro planeta.  A los pocos meses pasó el Voyager 2 que no solo confirmó la existencia de los volcanes, sino que detectó otros y sobre todo apreció cambios en la superficie con tan escasa diferencia de tiempo. (Figura 3).

Pasaron 20 años hasta que Júpiter tuvo una nueva visita. La nave Galileo. Veamos las aventuras de esta nave. El equipo dirigido por James Van Allen, de la Universidad de Iowa, presentó a la NASA en 1976, el proyecto de una misión doble: una sonda que penetraría en la atmósfera y un orbitador, que durante dos años describiese 12 órbitas en torno a Júpiter. La fecha de lanzamiento anunciada era en enero de 1982 pero diversos fallos lo pospusieron. Estaba previsto que fuera la primera nave planetaria lanzada por el trasbordador espacial, pero este proyecto se retrasó. El cohete de la propia Galileo, de combustible sólido en tres fases, se descartó también. El cohete escogido era un potente propulsor de hidrógeno líquido que debía lanzarlo en Mayo de 1986. Ya había sido trasportada toda la nave desde el Laboratorio de Propulsión a Chorro de Pasadena (JPL) hasta Cabo Cañaveral, cuando sucedió el trágico accidente del Challeguer y consiguiente atraso de todos los programas. El cohete inicial se consideró muy peligroso y debía utilizarse otro menos potente: un propulsor sólido de dos fases. Pero este nuevo cohete no tenía potencia suficiente para alcanzar directamente a Júpiter. Propusieron una trayectoria muy compleja que aprovechara el impulso gravitatorio de Venus y dos veces el de la Tierra antes de llegar a Jupiter. Tenían que volverlo a llevar al JPL y adaptar la nave al cambio de trayectoria y sobre todo protegerla de las proximidades del Sol. Por fin el lanzamiento tuvo lugar el 18 de Octubre de 1989, situándolo en la bodega de carga del Atlantis. Una vez en órbita terrestre, activó sus motores con destino a Venus al que llegó el 10 de Febrero de 1990. El impulso de Venus la lanzó hasta las proximidades de la Tierra que llegó por primera vez el 8 de diciembre de 1990. Realizó numerosas fotografías de la pareja Tierra-Luna y descubrió la cuenca de impacto mayor que existe en la Luna, próxima al polo sur, denominada cuenca de Sur-Aitken. La órbita de la nave la alejaba ya del Sol y los técnicos decidieron desplegar la antena principal que hasta el momento estaba cerrada y protegida del Sol. El sistema era como un paraguas, pero los motores de apertura funcionaron mal y 2 o 3 de las varillas se atascaron. No se pudo desplegar la antena. Las comunicaciones con la Tierra se presumían imposibles al alejarse la nave. La antena principal tenía una capacidad de trasmisión de datos de 134.000 bits por segundo y era potente. La secundaria trasmitía a 40 bits y mucho más debil. El fallo estuvo en que con tanto trasporte en la tierra se había quedado sin fluido en las varillas. ¡La Galileo perdía aceite!

  En esas precarias condiciones, consiguió fotografiar por primera vez una asteroide. Fue Gaspra el 29 de Octubre de 1991. Pasó de nuevo por la Tierra el 9 de diciembre de 1992 y ahora si que se puso camino a Júpiter. Pero antes visito al segundo asteroide: Ida, que tuvo la sorpresa de poseer una pequeña lunita (Dactylo). 

  El 7 de diciembre de 1995 llegó a Júpiter la sonda que tenía que explorar su atmósfera. Se había separado de la nave principal unos meses antes. Los resultados fueron tan sorprendentes que se piensa que cayó en el centro de un huracán y los dados no son fiables para la generalidad de la atmósfera joviana. 

Unos días después la Galileo aprovechó la gravedad de Io para frenar su trayectoria y ponerse en órbita de Júpiter. El campo gravitatorio, junto al intensísimo campo magnético y una lluvia de partículas ionizadas hizo que la grabadora de la nave también fallase y no se pudiera recoger imágenes próximas de Io.  A pesar de todas estas limitaciones ¡ la Galileo se mueve! ¡Y vaya que si se mueve! Estaban previstas 12 órbitas en dos años, aproximándose a los principales satélites y ya llevamos 29 órbitas en 5 años. ¡y sigue funcionando! Las últimas han sido temerarias con una aproximación a Io sin precedentes. Desafiando al campo magnético, gravitatorio y a partículas ionizadas a una velocidad de varios kilómetros por segundo ha llegado a aproximarse a 600 Km. de su superficie obteniendo imágenes con una resolución de 9 m. Gracias a antenas más sensibles en la Tierra y a una mejor trasmisión y compresión de los datos se ha salvado la misión, con unas imágenes realmente impresionantes. No me imagino toda la información que nos hubiera llegado si se hubiera desplegado la antena principal.

  La superficie de Io es muy peculiar. Deducida de espectros infrarrojos, ya desde la Tierra, se sabe que la superficie es extremadamente seca. No tiene nada de agua. No tiene cráteres de impacto, lo cual la hace única en el sistema solar. Es debido a que su superficie es tremendamente joven. Se calcula que es inferior a un millón de años, lo que significa que cada año en promedio se recubre con una capa de material volcánico que según las teorías oscila entre 1 mm y 1 cm. La cantidad de lava que produce Io es 500 veces mayor que la de la Tierra. Las imágenes son espectaculares: se ven penachos eruptivos a modo de paraguas, grandes calderas, ríos de lava, lagos de lava con “islas” flotando.(Figura 4).  Vamos a distinguir dos grandes grupos de fenómenos volcánicos: las calderas y los penachos.

Calderas

  Son los fenómenos volcánicos mas frecuentes. Tiene más de 200 con un diámetro superior a los 20 Km. La superficie de la Tierra es 3.5 veces la de Io y solo cuenta con 15 de este tamaño.Los volcanes surgen cuando le material fundido asciende a través de una brecha en la superficie, produciendo una erupción y consiguiente flujo de lava. Una caldera es una depresión formada por el hundimiento del cono volcánico a consecuencia del vaciado de la cámara magmática. Miden muchos kilómetros de diámetro y pueden tener varios miles de metros de profundidad.  En torno a las calderas hay coladas de lava que cubre extensiones muy grandes. En algunas calderas se aprecia la salida de lava bien de forma circular o a través de un brecha longitudinal de incluso varios kilómetros. (Figuras 5 y 6).

 Estos cambios se pueden apreciar en el trascurso de pocos meses. El contacto de la lava con otros materiales, posiblemente dióxido de azufre en estado sólido, origina nubes o surtidores de gas a modo de penachos. Es algo parecido a lo que sucede en la Tierra cuando la lava incandescente alcaza el mar, que surge una columna de vapor de agua hasta grandes alturas.

 La caldera llamada caldera Loki Patera es inmensa. (Figura 7).

Tiene un lago de material fundido (probablemente  azufre) de 200 Km. de diámetro. En este lago se encuentra como flotando una superficie cuarteada como se ve en la imagen. La temperatura medida  no es muy alta, aproximadamente unos 340 grados kelvin, pero muy superior a la temperatura media de la superficie de Io que es de unos 130 grados Kelvin. 

Próximas a las calderas existen grandes coladas de lava que cubren superficies de cientos de kilómetros cuadrados. También se han visto ríos de lava largos y finos.  Las imágenes son similares a las que vemos en la Tierra. Difieren en el variopinto colorido que tienen. La superficie tiene colores muy variados. Oscilan desde el amarillo claro, naranja, casi rojo e incluso verde o negro. (Figura 8).

Un gran interrogante que se plantean los científicos es el tipo de vulcanismo que existe en Io. No sabemos a ciencia cierta si es un vulcanismo basado en el azufre o bien en silicatos fundidos como en la Tierra. Un gran propulsor de la primera idea ha sido el conocido divulgador de  astronomía Carl Sagan.

  A favor del vulcanismo basado en el azufre tenemos varios hechos:  Los análisis ultravioletas indican una superficie en la que predominan los compuestos de azufre, tanto azufre libre como dióxido de azufre. El azufre es un elemento muy frecuente en el universo. Esto condujo a suponer que en los volcanes de Io predominan los compuestos de azufre sobre los compuestos de silicatos. En nuestro planeta casi todo el vulcanismo es de tipo basáltico, con hierro, magnesio y silicatos de calcio ricos en olivino y piroxeno. Hay muy pocos ejemplo de ríos de lava de azufre. En la Tierra, se supone que el azufre está “atrapado” en el  núcleo en forma de Sulfuro de Hierro. (Figura 9).

La física del azufre es muy peculiar: a nuestra temperatura ambiente es un sólido de color amarillo de todos conocido (es el polvillo que se pone en las esquinas para evitar “emanaciones” caninas). A 400 grados Kelvin es un líquido amarillo de baja viscosidad. Si se va calentando adquiere un color naranja y a 430 grados es de color rosa claro. Si seguimos calentando se vuelve rojo oscuro y se espesa. A 500 grados es una especie de alquitrán negruzco y espeso. A 600 grados su viscosidad decrece y a 650 grados se vuelve fluido de nuevo pero sigue negruzco. Si seguimos calentando de evapora. Pero la variedad no solo está en el azufre líquido sino también en el sólido. Dependiendo de las condiciones físicas, el azufre puede formar moléculas de 2, 4, 6 o lo que es más corriente en la Tierra de 8 átomos. Cada variedad presenta unas características físicas y de color, con lo cual puede darse una variedad muy grande de “paisajes”. A demás del azufre se ha detectado el dióxido de azufre. Tiene un comportamiento diferente, en estado líquido tiene una bajísima viscosidad. De todas formas el comportamiento tanto del azufre como de su oxido se ve modificado por la impurezas, contaminantes, por la gravedad ( la sexta parte que en la Tierra), la practica ausencia de atmósfera, etc. Esto condiciona que sea muy difícil experimentar con una geología basada en esos componentes.

  Las primeras estimaciones de temperatura realizadas por los Voyager oscilaban  300 y 600 grados Kelvin y por tanto favorecían un vulcanismo de azufre.

  Pero hay datos que no cuadran. A favor de la teoría de un vulcanismo similar al terrestre hay varios hechos. La apariencia de los volcanes son tan parecidas a los terrestres que difícilmente cabe pensar que la composición sea totalmente diferente. Se han medido montañas de más de 10 Km. de altura que no pueden explicarse si fueran de azufre pues no aguantarían su propio peso. Pero la prueba que favorece más el vulcanismo de silicatos son las temperaturas registradas. Desde la Tierra se habían medido temperaturas de 1.500 a 1.800 grados Kelvin. Posteriormente la nave Galileo ha llegado a medir lavas con temperaturas entre 1.700 y 2000 grados Kelvin. Es la temperatura más alta del sistema solar fuera del Sol. En la Tierra ya no se alcanzan esas temperaturas. En la actualidad las lavas terrestres están entre los 1300 y 1450 grados Kelvin.  Sí sucedía hace muchos millones de años cuando la Tierra tenía más calor primordial y estaba más caliente. Lo que vemos en Io actualmente es como si retrocediésemos en el tiempo al principio de la Tierra. Actualmente se piensa que se trata de volcanes con magmas fundidos de silicatos pero con mayor proporción de compuestos de azufre.

  Penachos  (también se les llama plumas o Surtidores).

  Los penachos son uno de los fenómenos más bellos del sistema solar. (Figura 10). Una especie de paraguas gigantescos que llegan a medir 300 Km. de altura y un diámetro de más de 1000 Km. Salen de un punto, suben sus partículas hasta alcanzar muchos kilómetros y van cayendo como si describieran una trayectoria balística formando un circulo u ovalo de distinto color. Se pueden ver muy bien cuando están en el horizonte o limbo del satelite. (Fig 11)

  Cuando se descubrieron, pensaron que eran un fenómeno volcánico eruptivo. Una formidable erupción volcánica, que lanzaba finas partículas hasta grandes alturas. El Voyager 1 descubrió 8 de estos surtidores. Cuando pasó su compañero del Voyager 2, unos meses más tarde,  seguían activas 7. En la Tierra, este tipo de erupciones son violentas y breves. En Io parecían mucho más duraderas. Por otra parte en la Tierra no alcanzan velocidades superiores a los 100 /s mientras que en Io llegan a los 500 e incluso 1000m/s.

  La mejor explicación a estos surtidores es compararlos con un raro fenómeno geológico: los géiseres. En la Tierra el fenómeno geiser se produce por cambios bruscos en las propiedades del agua. En un terreno geotérmico caliente se acumula agua en una pequeña cavidad. Se va calentando hasta la ebullición y sale despedida por una pequeña grieta en la superficie. Surge como una fuente que alcanzar varias decenas de metros.  El vapor de agua asciende unos pocos cientos de metros. La cavidad se vacía  hasta que otra vez se va llenando de agua y se repite el proceso periódicamente, cada pocos minutos. Hay varios géiseres famosos en nuestra Tierra, en Nueva Zelanda, en el valle de los Géiseres, parque Yellowstone, etc. Si nos trasladásemos a Io, con 1/6 de la gravedad terrestre y sin atmósfera, el geiser de Yellowstone alcanzaría los 35 Km. de altura.

Pero en Io no hay agua. Los “líquidos” implicados son el azufre y sobre todo el SO2. El dióxido de azufre líquido, entraría en contacto con rocas de magma muy calientes a escasa profundidad. El líquido supercalentado saldría al exterior por pequeñas fisuras de la corteza hasta alcanzar la superficie. La ausencia de atmósfera y el vacío existente lanzaría el líquido hasta grandes alturas. Al enfriarse se solidificaría formando pequeños partículas sólidas que caería nuevamente a muchos kilómetros de distancia. Si caen en un sitio frío se formará como un anillo más oscuro y si caen en una zona caliente se volverán a licuar y llenará nuevamente los “acuíferos” de dióxido de azufre como vemos en el esquema. Otras hipótesis basándose en azufre líquido tienen parámetros diferentes  pero el proceso es similar.

  Me imagino que no se le habrá escapado al lector el siguiente hecho: si en la Tierra se lanzasen partículas a esa altura, quedarían en orbita. Una órbita baja con tendencia a caer, pero en órbita. Pues en Io pasa algo parecido. La diferencia está en que Júpiter impide que se pongan en órbita entorno a Io, pero si lo hacen entorno a Júpiter. Io desprende alrededor de 1 tonelada de gas cada segundo, sobre todo de azufre y derivados. Va formando como un anillo toroidal centrado en Io. Este anillo se ve solamente en las imágenes de las naves espaciales. A su vez el campo magnético ioniza estas partículas y se forma una corriente eléctrica de un millón de amperios.

  Con estas temperaturas, campos magnéticos, corrientes eléctricas, sequedad, y lluvia de azufre, etc, creo que no es el mejor sitio para pasar unas vacaciones. 

  Es posible que alguien recuerde las magnificas imágenes de los Voyager y aprecie cambios de color muy manifiestos. No es el satélite el que cambia sino la captura de las imágenes. Los Voyager eran casi ciegos para el rojo y como vemos la superficie de Io tiene un componente rojizo muy acusado. Las imágenes antiguas tienen un tinte azul- verdoso. Este Boletín en escala de grises no es lo mas adecuado para apreciar bien las imágenes. Remito al lector  al sitio web de la misión Galileo. Pero pongamos unas cuantas imágenes representativas.

Caldera del Volcan Prometeo.  (Figura 12 y 13)

Prometeo es un volcán que esta activo al menos desde que pasaron los Voyager hace 20 años. Su caldera mide nada menos que 28 Km. de largo por 14 Km. de ancho. Esta imagen fue obtenida por la nave Galileo el 10 de octubre de 1999, desde unos 12.000 Km. de distancia. Tiene una resolución de 120 m/pixel.

  Pillan Patera. (Figura 14)

Son unas magnificas imágenes en las que se aprecian los espectaculares cambios que se han producido entre la séptima órbita (imagen de la izquierda) y la décima órbita (imagen de la derechas. Han trascurrido solamente 5 meses. Alrededor de Pillan Patera ha aparecido una zona oscura de 400 Km. de diámetro. Los materiales rojizos que se aprecian en el volcán Pele también han cambiado de aspecto. La imagen de la izquierda se ha obtenido el 4 de abril de 1997 desde una distancia de 563.000 Km. y la de la derecha el 19 de septiembre de 1997 desde 505.000 Km.

  Culann Patera. (Figura 15)  

Imagen en color de las calderas Culann (arriba) y Tohil (abajo, derecha), en Io. Se obtuvo el 25 de noviembre de 1999 durante la órbita 25, desde 20.000 Km. Las zonas oscuras de arriba a la izquierda (noroeste) son coladas de silicatos. Las del lado opuesto, de color marrón, podrían ser coladas de silicatos antiguas y alteradas. El interior de ambas calderas, de color verde brillante, quizá consista en una capa de compuestos de azufre recubriendo la corteza caliente de silicatos. 

  Erupción en Tvashtar Catena  (Figura 16)  

La cadena de calderas Tvashtar ocupa una depresión rodeada por una meseta de unos 1000 m de altura, de bordes escarpados. Este tipo de acantilados suele formarse en la Tierra por hundimiento cuando brota agua en la base. En este caso, el fluido debe ser dióxido de azufre, que se evapora casi inmediatamente al llegar a la superficie.

  Bibliografía:

Sitio oficial de la Galileo: http://www.jpl.nasa.gov/galileo

Ferrer, Huygens 27, 2000

Torrence V. Johnson y Soderblom. Io.  Investigacion y ciencia: Febrero 1984.

Torrence V Jonson. La cosecha de la Nave Galileo. Investigación y ciencia Abril 2000

Kelly Beatty y cols. The Solar System. Cap 19 Io. Sky Publishing Corp. 1999

Las imagines están obtenidas del sitio oficial de la Galileo y de la bibliografía previa.