Io (Mond)

Überblick und Bahn

Io (auch Jo; systematische Bezeichnung Jupiter I) ist der innerste der vier großen Monde Jupiters, der Galileischen Monde. Mit einem mittleren Durchmesser von 3643,2 km ist sie der drittgrößte Jupitermond und der viertgrößte Mond des Sonnensystems. Ihre herausragende Eigenschaft ist der außergewöhnlich starke Vulkanismus: Io ist der vulkanisch aktivste Körper des Sonnensystems.

Io umkreist Jupiter in 1 Tag, 18 Stunden und 27,6 Minuten und rotiert in genau derselben Zeit. Deshalb zeigt sie Jupiter stets dieselbe Seite; dies heißt gebundene Rotation. Die Bahn ist leicht elliptisch: Im Text werden ein mittlerer Abstand von 421.600 km, eine Exzentrizität von 0,004 und eine Bahnneigung von 0,04° genannt; die Infobox nennt 421.800 km und 0,0041. Die Umlaufzeiten von Io, Europa und Ganymed stehen im Verhältnis 1:2:4. Diese Bahnresonanz hält Ios Bahn leicht elliptisch und ist entscheidend für ihre Erwärmung.

Entdeckung und Benennung

Galileo Galilei entdeckte Io 1610 mit einem einfachen Fernrohr, zusammen mit Europa, Ganymed und Kallisto. Nach ihm heißen diese vier Monde Galileische Monde. Der Name bezieht sich auf Io aus der griechischen Mythologie, eine Geliebte des Zeus, der dem römischen Jupiter entspricht. Simon Marius hatte den Namen kurz nach der Entdeckung vorgeschlagen; allgemein gebräuchlich wurde er erst wieder Mitte des 20. Jahrhunderts. Zuvor bezeichnete man Io meist als Jupitermond I.

Beobachtungen der Verfinsterungszeiten Ios ermöglichten Ole Rømer 1676 die erste Messung der Lichtgeschwindigkeit: Die beobachteten Zeiten hingen von der Entfernung Jupiters zur Erde ab.

Eigenschaften und Oberfläche

Io hat eine hohe mittlere Dichte. Der Fließtext nennt 3,56 g/cm³, die Infobox 3,528 g/cm³. Sie ist damit etwas dichter und etwas größer als der Erdmond. Anders als die übrigen Galileischen Monde enthält Io so gut wie kein Wasser. Als mögliche Erklärung nennt der Artikel hohe Temperaturen des jungen Jupiter, durch die Wasser und andere flüchtige Stoffe vom innersten Mond entweichen konnten.

Die Oberfläche reflektiert viel Sonnenlicht: Die Albedo wird mit 0,61 beziehungsweise 0,62 angegeben; Albedo bezeichnet den reflektierten Anteil des einfallenden Sonnenlichts. Die mittlere Oberflächentemperatur beträgt −143 °C. Ios Oberfläche ist nur wenige Millionen Jahre alt, nach einer Schätzung etwa 10 Millionen Jahre, und wird fortlaufend erneuert. Daher besitzt sie fast keine Impaktkrater.

Sie ist überwiegend eben, mit Höhenunterschieden unter einem Kilometer, besitzt aber vermutlich tektonisch entstandene Berge bis 9 km Höhe. Typisch sind hunderte vulkanische Calderen, bis 400 km groß und teils mehrere Kilometer tief, sowie Seen aus geschmolzenem Schwefel. Schwefel und seine Verbindungen verursachen die auffallend bunte Färbung. Lavaflüsse können sich über mehrere hundert Kilometer erstrecken. Ihre Zusammensetzung ist nicht abschließend geklärt: Voyager-Daten deuteten auf Schwefelverbindungen, Hot Spots bis 2000 K sprechen dagegen möglicherweise für geschmolzene Silikate; Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops deuten auf natriumreiches Material hin.

Vulkanismus und innerer Aufbau

Bei Ausbrüchen werden flüssiger Schwefel und Schwefeldioxid mit bis zu 1 km/s sowie bei 1000 bis 1300 °C ausgestoßen. Wegen der geringen Schwerkraft können die Auswürfe bis 300 km hoch steigen und anschließend Ablagerungen bilden. Voyager 1 wies aktiven Vulkanismus 1979 erstmals auf einem anderen Himmelskörper als der Erde nach. Schon in den vier Monaten bis zum Vorbeiflug von Voyager 2 endeten manche Eruptionen, während andere neu begannen. Beispiele bedeutender Vulkanberge sind Culann Patera, Tupan Patera, Ra Patera und Loki Patera.

Die Energiequelle sind Gezeitenkräfte, also wechselnde Gravitationskräfte, die Io verformen und erwärmen. Jupiters Gezeitenkräfte auf Io sind mehr als 6000-mal stärker als die des Erdmondes auf die Erde. Wegen der gebundenen Rotation ist vor allem ihre Änderung wichtig. Die durch die Resonanz erzwungene elliptische Bahn bewirkt eine besonders starke Änderung; allein diese ist noch 1000-mal größer als die Gezeitenwirkung des Mondes auf die Erde. Wandernde Gezeitenberge erreichen etwa 300 m, während die Erdkruste nur 20 bis 30 cm deformiert wird. Bei einer kreisförmigen Bahn wären die Gezeitenberge unbewegt und es gäbe keinen Vulkanismus.

Io besteht überwiegend aus silikatischem Gestein. Galileo-Daten lassen auf einen mindestens 900 km großen Kern aus Eisen, möglicherweise mit Eisensulfiden, schließen. Unter der gesamten Oberfläche liegt nach einer erneuten Datenauswertung eine 50 km dicke Magmaschicht, die zu 20 % geschmolzen ist.

Atmosphäre, Magnetfeld und Strahlung

Io besitzt eine äußerst schwache Atmosphäre aus Schwefeldioxid und möglicherweise Spuren weiterer Gase. Sie reicht 120 km hoch; der Bodendruck liegt unter einem Milliardstel Bar. Während der etwa zwei Stunden im Schatten Jupiters gefriert sie zu einer weniger als 1 mm dicken Schwefeldioxidschicht und verdampft bei Sonnenwärme wieder. Die bis 700 km reichende Ionosphäre enthält Schwefel-, Sauerstoff- und Natriumionen und wird durch Vulkanismus erneuert.

Beim Durchgang durch Jupiters starkes Magnetfeld werden vor allem Schwefel- und Sauerstoffatome ionisiert und ins All geschleudert. Io verliert dadurch mehrere Tonnen Masse pro Sekunde. Die Ionen bilden entlang ihrer Bahn einen Torus um Jupiter, der extrem ultraviolette Strahlung aussendet. In der Magnetosphäre werden Teilchen so stark beschleunigt, dass die Strahlung selbst die 2011 strahlungssicherste Raumsondenelektronik lahmlegen würde. Die Leistung der induzierten Polarlichter beträgt etwa 100 Terawatt. Ein eigenes Dipolfeld Ios wurde durch Galileo widerlegt.

Erkundung durch Raumsonden

Pioneer 10 und Pioneer 11 begannen die Erkundung bei Jupiter-Vorbeiflügen 1973 und 1974. Voyager 1 und Voyager 2 lieferten 1979 erstmals genauere Beobachtungen. Den größten Teil des Wissens über Io lieferte der Galileo-Orbiter, der 1995 das Jupitersystem erreichte und in den folgenden acht Jahren mehrere nahe Vorbeiflüge ausführte.

New Horizons beobachtete Io am 28. Februar 2007 auf dem Weg zu Pluto und dokumentierte einen Vulkanausbruch mit einer Fotoserie. Juno startete am 5. August 2011 und trat am 5. Juli 2016 in eine Jupiterumlaufbahn ein; sie kann Io fotografieren, aber mit geringerer Auflösung, weil Io kein Hauptziel ist. Die ESA-Mission JUICE soll Ganymed und Kallisto erforschen und an Europa vorbeifliegen; Io-Vorbeiflüge sind nicht vorgesehen. Für eine Sonde namens Io Observer gibt es eine Studie für mehrere dichte Vorbeiflüge, ihre Verwirklichung ist aber offen.