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Salt on Io

1er janvier 2003

A team of French and American astronomers, led by E. Lellouch, from Paris-Meudon Observatory, has observed the presence of salt (NaCl) in Jupiter’s moon Io’s tenuous atmosphere. This species is most probably produced through volcanic emission. Its presence provides an explanation to the "clouds" of atomic sodium that have been observed to surround Io for almost 30 years.

Figure 1. Two views of Jupiter’s satellite Io and its environment by the Galileo spacecraft. Left : Color mosaïc showing the global aspect of Io’s surface and several manifestations of its volcanic activity. Note the presence of two volcanic plumes, one at the limb (Pillan, 140 km altitude), and the other near the center (Prometheus, seen from above). http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA01081 Right : A view of the atomic sodium cloud scattering solar light at 589 nm. The very bright spot on Io is the Prometheus plume, also seen is scattered light. http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA00593 The atmosphere of Jupiter’s moon Io is one of the most peculiar of the Solar System. In 1979, theVoyager spacecraft revealed active volcanism (Figure 1, left) at the surface of the satellite and discovered a local, tenuous SO2 atmosphere. Since 1990, millimeter-wave observations acquired at IRAM (French-German-Spanish telescope) and UV observations with HST provided a somewhat more detailed description of this atmosphere. The typical surface pressure is about 1 nanobar, and, in a unique fashion in the Solar System, the atmosphere exhibits strong horizontal variations, being apparently concentrated in an equatorial band.The main atmospheric compounds are SO2, SO and S2. The atmosphere is probably produced, on the one hand by direct volcanic output, and on the other hand by the sublimation of SO2 ices that cover Io’s surface. However, it has been long suspected than Io’s atmosphere must contain other chemical species. As early as 1974, visible imaging and spectroscopy revealed a "cloud" of atomic sodium (Figure 1, right), roughly centered about Io’s orbit. Detailed subsequent studies of this cloud indicated a complex structure, including notably "fast sodium" features, for the production of which the role of molecular ions (NaX+ ) was evidenced. These discoveries naturally raised the question of the origin of sodium in Io’s environment. From the brightness of the optical emissions of Na, one can estimate that about 1026-1027 sodium atoms leave Io each second. In 1999, chlorine in atomic and ionized form was discovered around Io, with an abundance comparable to that of sodium (while the cosmochemical abundance of Na is about 15 times that of Cl). This suggests a common origin, NaCl being a natural plausible parent of both. At the same time, on the basis of thermochemical equilibrium calculations, NaCl was proposed to be an important compound of Io’s volcanic magmas, with an abudance relative to SO2 as high as several percent.

Figure 2. The spectral lines of the salt molecule NaCl at frequencies of 143 and 234 GHz detected with the 30m telescope of IRAM on 15-17 january 2002. The spectral resolution is 40 kHz. Based on these discoveries and predictions, an observing campaign was conducted by E. Lellouch, from Paris Observatory, and several French and American colleagues at the IRAM 30-m radiotelescope in January 2002. Two rotational lines of NaCl at 143 and 234 GHz were unambiguously detected (Figure 2.). Because the vapor pressure of this salt is entirely negligible, NaCl cannot be in sublimation equilibrium with Io’s surface and its presence must directly result from continuous volcanic output. It appears to be a minor armospheric species. The most plausible physical model depicts the NaCl atmosphere as more localized than SO2, due to its very short lifetime (a few hours at most), and probably restricted to the volcanic centers. The local NaCl abundance in this model is 0.3-1.3 % of SO2, significantly lower than predicted. From the line strengths, volcanic emission rates of (2-8)x1028 NaCl molecules per second can be derived. According to photochemical and escape models, only a small fraction of these molecules escape from Io (about 0.1 %). A somewhat larger amount (1-2 %) leaves Io in atomic form after being photolyzed to Na and Cl. The vast majority of the volcanically-emitted NaCl molecules fall back to the surface where they condense out, potentially contributing to the white color of some of Io’s terrains. In conclusion, it appears that NaCl provides an importante source of sodium and chlorine in Io’s environment ; however the precise chemical nature of the NaX+ molecular ions remains to be elucidated.

Reference : E. Lellouch, G. Paubert, J.I. Moses, N.M. Schneider, and D.F. Strobel. "Volcanically-emitted sodium chloride as a source for Io’s neutral clouds and plasma torus" Nature, 2 January 2003, 421, p. 45-47

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Emmanuel Lellouch (Observatoire de Paris, LESIA)

Dernière modification le 4 mars 2013

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Du sel sur Io

1er janvier 2003

Une équipe d’astronomes français et américains animée par E. Lellouch, de l’Observatoire de Paris-Meudon, a détecté la présence de sel (NaCl) dans l’atmosphère ténue du satellite de Jupiter Io. Ce composé est très certainement produit par émission volcanique. Sa présence fournit une explication aux "nuages" de sodium atomique qui entourent Io et sont observés depuis près de 30 ans.

Figure 1. Deux visions du satellite de Jupiter Io, et de son environnement, par la sonde Galileo. A gauche : Mosaïque montrant l’aspect général de la surface de Io et les manifestations de l’activité volcanique. On notera en particulier la présence de deux panaches volcaniques, l’un au limbe (Pillan, 140 km de haut), et l’autre près du centre de l’image (Prometheus, vu de dessus). http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA01081 A droite : Vue du nuage de sodium atomique diffusant la lumère solaire à 589 nm. La tache très brillante sur Io est le panache de Prometheus, vu également en diffusion. http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA00593 L’atmosphère de Io est l’une des plus étonnantes du Système Solaire. En 1979, la sonde Voyager révéla que le satellite est le siège d’une intense activité volcanique (figure 1, gauche) et découvrit localement une atmosphère ténue de dioxyde de soufre (SO2). Par la suite, depuis 1990, des observations millimétriques conduites à l’IRAM (télescope Franco-Allemand-Espagnol) et des observations U.V. avec HST ont permis une description un peu plus précise de cette atmosphère. La pression caractéristique au sol est de l’ordre du nanobar, et, fait unique dans le Système Solaire, l’atmosphère présente de fortes variations horizontales, étant apparemment concentrée dans une bande équatoriale. Ses composants principaux sont SO2, SO et S2. Elle est produite sans doute en partie directement par émission volcanique et en partie par l’évaporation des glaces de SO2 qui recouvrent la surface de Io. Cependant, on se doute depuis longtemps que l’atmosphère de Io doit comporter d’autres espèces chimiques. Dès 1974, on découvrit par spectroscopie et imagerie visible un "nuage" de sodium atomique (figure 1, droite), grossièrement centré sur l’orbite de Io. L’étude détaillée de ce nuage révéla par la suite une structure complexe, avec en particulier du sodium "rapide", dans la production duquel le rôle d’ions moléculaires (NaX+) fut mis en évidence. La question de l’origine du sodium dans l’environnement de Io se posait naturellement. La brillance des émissions de Na permet d’estimer qu’environ 1026-1027 atomes de sodium quittent Io chaque seconde. En 1999, le chlore sous forme atomique et ionisé fut détecté autour de Io, avec une abondance comparable à celle du sodium (alors que l’abondance cosmochimique de Na est environ 15 fois supérieure à celle de Cl). Ceci suggère une origine commune, avec NaCl comme candidat de choix. Dans le même temps, des calculs d’équilibre thermochimique indiquèrent que NaCl doit être un composant important des magmas volcaniques de Io, pouvant atteindre plusieurs pour cents de SO2.

Figure 2. Les raies de la molécule de sel NaCl à 143 et 234 GHz de fréquence détectées sur le téléscope de 30-m de l’IRAM les 15-17 janvier 2002. La résolution spectrale est de 40 kHz. Sur la base de ces considérations, E. Lellouch, de l’Observatoire de Paris et des collègues français et américains conduisirent une campagne d’observations avec le radio-télescope de 30-m de l’IRAM en janvier 2002, et détectèrent deux raies rotationnelles de NaCl à 143 et 234 GHz. Dans la mesure où la pression de vapeur du sel est totalement négligeable, NaCl ne peut être à l’équilibre avec la surface et sa présence doit être la conséquence directe de l’activité volcanique. Il apparaît comme un constituant atmosphérique mineur. Le modèle physiquement le plus plausible décrit l’atmosphère de NaCl comme plus localisée que celle de SO2, en raison d’une durée de vie très courte (au plus quelques heures) et restreinte aux centres volcaniques. L’abondance locale de NaCl serait de 0.3 à 1.3 % de SO2, donc notablement moins que dans les prédictions. L’intensité des raies permet d’estimer que les volcans de Io émettent (2-8)x1028 molécules de NaCl par seconde. Les modèles photochimiques et d’échappement indiquent qu’une faible proportion de ces molécules quittent Io sous forme moléculaire (0.1 %) ou atomique après photolyse (1-2 %), la majorité d’entre elles retombant au sol où elles condensent, pouvant contribuer à la couleur blanche de certains terrains. Il en découle que NaCl fournit une source importante d’atomes de sodium et de chlore dans l’environnement de Io, mais que la nature des ions NaX+ reste encore à élucider.

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Référence : E. Lellouch, G. Paubert, J.I. Moses, N.M. Schneider, and D.F. Strobel : "Volcanically-emitted sodium chloride as a source for Io’s neutral clouds and plasma torus" Nature, 2 Janvier 2003, 421, p. 45-47

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Emmanuel Lellouch (Observatoire de Paris, LESIA)

Dernière modification le 22 février 2013