Io, satellite de Jupiter : quarante-cinq ans d’observation d’éruptions volcaniques

À droite, une image de Galileo. À gauche une vue de Voyager 1, en fait constituée d’une mosaïque d’images reprojetées pour avoir le même type de géométrie que l’image Galileo. Les principaux changements, détaillés à la figure suivante, sont localisés par les cadres noirs où se trouvent les volcans Prometheus et Culann Patera.

On voit un changement d’aspect des dépôts et/ou des panaches éruptifs et l’apparition de nouvelles coulées refroidies (noires). La taille de ces coulées s’apprécie avec la vue d’ensemble de la figure précédente.

Des coulées noires (froides), plus ou moins recouvertes de dépôts colorés soufrés, s’écartent des bords d’une caldeira centrale (remplie/recouverte d’un dépôt jaune-verdâtre).

Le cadre blanc localise la figure suivante.

L’image de droite représente le “rapport” entre les images de février et d’octobre. Ce qui est figuré en blanc sur l’image de droite s’est éclairci entre octobre 1999 et février 2000 (dépôts d’aérosols ?). Ce qui est figuré en noir s’est assombri entre ces deux dates (nouvelles coulées ?).

En plus de cet ensemble de coulées (de basalte ou de komatiite), cette image (datant de 1999) montre des dépressions circulaires (des caldeiras), des zones de couleurs différentes et souvent en forme d’arcs de cercles (des dépôts de composés soufrés plus ou moins concentriques aux points de sortie des panaches), des reliefs et des escarpements parfois rectilignes montrant qu’il y a des mouvements tectoniques (des failles) sur Io. Le cadre blanc localise la figure suivante.

On voit des coulées parfaitement noires, et d’autres plus ou moins jaunes. Les coulées noires sont “récentes”. Plus elles sont “vieilles”, plus elles sont claires et jaunes car recouvertes de composés soufrés.

Les deux figures de droite montrent (en rouge) les coulées de lave apparues en 4 mois entre octobre 1999 et février 2000. Au moins deux de ces coulées ont une longueur voisine de 50 km.

Une émission infrarouge autour de 5 μm correspond à une température d’environ 580 K, soit environ 300°C (voir la loi de Wien). Les zones colorées en bleu ont probablement la température “normale” du sol d’Io (−150 à −200°C). Les zones rouges et blanches sont les plus chaudes (la NASA ne donne pas la température). Les coulées d’Amirani montrent trois zones chaudes ce 6 août 2001. On voit aussi trois autres zones chaudes en dehors d’Amirani sensu stricto.

La brillance du panache a été augmentée par traitement d’image pour la rendre bien visible car cette luminosité est extrêmement faible dans la réalité. Des études ultérieures au 4 mars 1979 ont montré que ces panaches en forme de parapluie étaient majoritairement constitués d’aérosols (solides) de composés soufrés issus de la condensation de volatils dans le froid à cette distance du Soleil (5 u.a.). C’est à cause la détection de composés soufrés, et avant la mesure de haute température (le soufre se sublime à une température supérieure à 100°C dans le vide) qu’on a proposé au début de 1979 que ce volcanisme était un volcanisme exclusivement soufré et non pas un volcanisme silicaté riche en composés soufrés. Cette “croyance” se retrouve encore dans certains milieux pas forcément « à la page ».

Comme pour l’image précédente, la brillance du panache a été augmentée par traitement d’image pour la rendre bien visible car cette luminosité est extrêmement faible dans la réalité. De tels panaches ont toujours été observés de 1979 à 2024. Le volcanisme est un phénomène permanent sur Io.

À gauche, vue d’ensemble (et de détail) d’un panache photographié par Galileo (entre 1995 et 2003, la NASA ne précise pas la date). La zone de sortie de ce panache correspond à un volcan découvert par Voyager 1, Ra Patera. Les images de droite (qui mesurent environ 500×600 km) correspondent à des vues verticales de Ra Patera. Les deux images supérieures correspondent à des images Voyager, image à haute résolution et N&B en haut, et image couleur avec une bien moins bonne résolution au centre. L’image du bas correspond à une image Galileo. En comparant les deux photos du bas, qui ont approximativement la même (mauvaise) résolution, on voit qu’en 1996, la région centrale de Ra Patera est recouverte d’un dépôt blanc et/ou orangé, dépôt absent en 1979.

Le panache vu “par la tranche” est visible sur le limbe de Io (à gauche) et se situe au-dessus du volcan Pillan Patera. L’autre panache est situé au-dessus du volcan Prometheus, déjà vu aux figures 3, 4, 6, 7 et 8. Au moment de la prise de vue, Prometheus se trouvait près du terminateur (limite jour/nuit) ; l’éclairage était presque rasant avec les rayons du Soleil arrivant de la gauche. On voit le panache “par dessus”, et son ombre qui s’étend à droite du volcan. Comme on voit l’ombre du panache, on est sûr que le volcan est en éruption et on voit la difficulté d’interpréter les cercles concentriques autour du volcan. Est-ce surtout le panache lui-même vu par-dessus, ou sont-ce surtout les dépôts d’aérosols retombés sur le sol les heures, jours, mois ou années qui précèdent, ou sont-ce les deux à la fois, mais dans quelles proportions ?

L’arrière-plan bleu correspond au disque de Jupiter devant lequel se trouve Io ce 2 juillet 1996. Cette image montre la dimension relative de Io et de ce panache dont la hauteur correspond approximativement au dixième du diamètre d’Io, soit environ 350 km. Sur Terre, des panaches de même dimension relative monteraient jusqu’à 1 200 km d’altitude, soit le double de l’altitude “de croisière“ des satellites d’Elon Musk (le réseau Starlink).

Le panache de Pélé est l’archétype des panaches d’Io, satellite de Jupiter. L’absence d’atmosphère (et donc de vent) fait que ce panache est symétrique (contrairement aux panaches terrestres) et a une forme de parapluie.

Panaches et dépôts de Pelé sont vus sous forme d’un gigantesque anneau rouge dont le diamètre est voisin du tiers du diamètre d’Io. En haut, une vue globale d’Io permet d’apprécier la taille de ce panache, de ces dépôts. En bas, cinq images montrant l’évolution de ce complexe panache/dépôts de composés soufrés. On peut noter entre autres (1) le changement de forme du dépôt entre mars et juillet 1979 ; (2) l’apparition d’un cercle de dépôts grisâtres de 400 km de diamètre à cheval sur l’Est de l’anneau rouge de Pélé, ce dépôt gris est dû à une éruption du volcan Pillan Patera qui a eu lieu entre avril et septembre 1997 ; (3) le recouvrement partiel sur au moins 100 km de large de l’Ouest des dépôts gris de Pillan Patera par les dépôts rouges de Pélé entre septembre 1997 et juillet 1999.

Quasi invisible au-dessus du sol (ou du moins difficilement distinguable de l’anneau de dépôts tombés les heures, jours ou mois précédents) mais bien visible sur le ciel noir (le contraste a été renforcé), le panache éruptif monte jusqu’à 300 km au-dessus de la surface d’Io. Près du centre du volcan, des trainées rayonnantes (le panache lui-même ou des dépôts ?) semblent partir d’une petite zone allongée particulièrement noire, interprétée comme un lac de lave à peine refroidi (il ne rayonne pas dans le spectre visible) mais dégazant encore. Ce point d’émission se trouve au bord d’une zone surélevée affectée par des failles semblant former des grabens. Le cadre rouge localise approximativement la figure suivante.

À gauche, la zone émissive de Pélé vue en 1979 par Voyager 1. À droite, des données du spectromètre infrarouge de Galileo (données du 22 février 2000, avec le code coloré classique : orange = chaud et bleu = froid) ont été superposées sur cette image de Voyager.

Sur l’image Voyager, on reconnait la zone noire allongée décrite à la figure précédente et interprétée (avant le survol de 2000) comme un lac de lave à peine refroidi (il ne rayonne pas dans le visible). Sur l’image, ce lac de lave occupe la partie inférieure droite de ce qui ressemble à une caldeira. Les données infrarouge montrent qu’il avait une température d’au moins 1400 K (≈ 1130°C) le 22 février 2000. Le lac de lave, refroidi en 1979, était très actif en février 2000 et devait émettre en longueur d’onde visible (voir la figure 10 de La région volcanique de Tvashtar (Io, satellite de Jupiter) et ses éruptions de 2007 et 1999-2000). La NASA n’indique pas à quelle température correspond le bleu.

L’image de gauche montre que la caldeira semble faite de trois types de compartiments, rouge et jaune au centre, orange (avec des taches noires) à gauche, et noir à droite. Le code de couleur de l’image de droite est classique (du blanc et rouge –chaud – au bleu – froid). L’observation infrarouge ayant été faite à 4,7 μm (maximum d’émission correspondant à environ 340°C d’après la loi de Wien), et bien que la NASA n’ait pas légendé l’échelle des températures de droite, on peut supposer que la température des zones chaudes est voisine de 340°C. Comme elle n’émet aucune lumière en longueur d’onde visible, c’est que sa température est supérieure à 680°C (température du début de l’incandescence en rouge sombre). On peut interpréter cette structure comme un ancien lac de lave. Le centre du lac est solidifié et refroidi (ancienne croute de lave qui devait former une “ile” au milieu du lac). La zone de droite correspond à la surface du lac de lave déjà solide mais encore chaude (T voisine de 300°C). La zone de droite est à une température intermédiaire. Les couleurs en lumière visible peuvent être interprétées en terme de dépôts de composés soufrés. Les zones noires sont trop chaudes pour que les composés soufrés émis par les volcans s’y soient déposés (ils ont été sublimés dès leur contact avec le sol). La zone centrale, froide depuis longtemps, est abondamment recouverte d’aérosols soufrés. La zone de gauche est dans une situation intermédiaire.

Il s’agit d’un lac de lave solidifié lors des survols de Voyager, Galileo et Juno (cf. NASA’s Juno Gives Aerial Views of Mountain, Lava Lake on Io) mais dont la température superficielle varie dans l’espace et dans le temps entre −50°C et +560°C lors des survols de Galileo (cf. PIA02595: Io’s Loki in Infrared: Hot Edge, PIA02524: Galileo PPR Temperature Maps of Loki in October 1999…). Nous montrons ici deux cartes datant de février 2000 et octobre 1999 où la NASA donne des valeurs de température. Ces températures (exprimées en Kelvin sur les cartes) varient de 220 à 320 K (≈ de −50 à +50 °C) à la surface solidifiée du lac. La zone chaude qui était au Sud-Ouest du lac en octobre 1999 a migré vers l’Est en février 2000. Cela semble indiquer des migrations de lave chaude encore liquide sous la croute solidifiée.

Une émission infrarouge autour de 5 μm correspond à une température d’environ 580 K, soit environ 300°C (voir la loi de Wien). Les zones colorées en vert et bleu ont probablement la température “normale” du sol d’Io (−150 à −200°C). Les zones rouges et blanches sont les plus chaudes (la NASA ne donne pas la température). On peut localiser, entre autres, les volcans Prometheus (P), Culann (C), Amirani (A) et Tupan (T).

Ces cartes sont le résultat de l’analyse de décennies d’observations provenant d’engins spatiaux et de télescopes au sol. Elles montrent l’émission thermique habituelle d’Io, à l’exclusion des éruptions “éclatantes” occasionnelles, massives mais transitoires. Le flux thermique le plus “fréquent”/“répandu” à la surface de Io est de 1 à 2 W/m². Rappelons que le flux thermique le plus “fréquent” sur Terre est de 0,06 W/m² (60 mW/m²), soit 25 fois moins (le flux moyen étant plutôt de l’ordre de 90 mW/m² du fait des zones de très fort flux). La zone où le flux est le plus fort (44 W/m², en jaune), au centre gauche de la carte du bas, correspond au volcan Loki (cf. figure 23).

On devine le visage de Jupiter juste au-dessus de celui de Io. Io a l’air parfaitement consentante et heureuse.

Cela trompera-t-il Junon qui surveille cela du ciel ?