Catégorie : Science

Islande : la géothermie au cœur d’un volcan // Iceland : geothermy at the heart of a volcano

Des chercheurs et des scientifiques ont élaboré un projet visant à repousser les limites de l’énergie renouvelable en forant au cœur de la chambre magmatique d’un volcan. Initié en 2014, l’ambitieux projet, baptisé Krafla Magma Testbed (KMT), vise à exploiter la chambre magmatique du Krafla, dans le nord de l’Islande, d’ici 2026.

Pour mener le projet à son terme, KMT recherche un financement de 100 millions de dollars et prévoit de commencer les forages d’ici 2027. KMT est une alliance internationale qui vise à réaliser « la première entreprise de recherche sur le magma pour effectuer des études et des expériences de pointe ». Le projet est porté par des scientifiques et des ingénieurs de 38 instituts de recherche et entreprises de onze pays dont les Etats-Unis, le Royaume-Uni et la France. Si elle réussit, cette stratégie permettra une production d’énergie géothermique sans précédent et ouvrira la voie à une alimentation énergétique illimitée dans toute l’Islande.
Le Krafla présente une caldeira volcanique d’une dizaine de kilomètres de diamètre et une zone de fissures de 90 kilomètres de long. Le volcan est l’un des systèmes géothermiques les plus étudiés. C’est le site de la première centrale géothermique du pays.

La chambre magmatique du Krafla se trouve à une profondeur relativement faible, entre 1,5 et 3 km seulement sous la surface, avec des températures atteignant 1 300°C. Elle  a attiré l’attention de manière tout à fait inattendue en 2009 lors d’un projet de forage géothermique pour le compte de la société Landsvirkjun. Un trépan a rencontré par hasard une poche magmatique près du Krafla, à 2,1 km de profondeur. L’incident n’a pas provoqué d’éruption volcanique, ce qui montre qu’un forage directement dans le magma peut être effectué en toute sécurité. A des kilomètres sous terre, la roche atteint des températures si extrêmes que les fluides rencontrés sont dits « supercritiques », c’est-à-dire au comportement intermédiaire entre l’état liquide et gazeux. L’énergie produite y est cinq à dix fois plus importante qu’avec un puits conventionnel. Lors de l’accident de 2009, la vapeur remontant à la surface a atteint 450°C. Deux puits supercritiques suffiraient pour atteindre la puissance de 60 mégawatts, ce que génère la centrale actuellement avec 18 puits conventionnels.
Le financement de 100 millions de dollars permettra d’accélérer l’avancement de ce projet grâce à l’acquisition des équipements de forage les plus performants, capables de résister à des températures extrêmement élevées. KMT a également l’intention de déployer un ensemble de capteurs haute technologie pour surveiller en permanence différents paramètres du magma, notamment sa température. L’équipe KMT s’est fixé un calendrier ambitieux, visant à exploiter la chambre magmatique du Krafla d’ici 2026.
D’un coût de 25 millions de dollars, la première phase de forage prévoit plusieurs trous d’exploration autour  du magma. Le forage, maintenu ouvert, permettra ensuite d’atteindre le magma et de prélever des échantillons. Grâce à cette exploration directe, les scientifiques de KMT espèrent améliorer leur compréhension du magma et de ses propriétés. KMT prévoit de procéder ensuite à un deuxième forage pour examiner la faisabilité de l’exploitation de l’énergie géothermique.
L’énergie géothermique est utilisée en Islande depuis plusieurs années grâce à un processus qui suppose des forages dans des régions dont le sous-sol est à haute température afin d’exploiter la chaleur naturelle de la Terre. La chaleur en provenance de l’intérieur de la Terre chauffe l’eau des réservoirs souterrains et la transforme en vapeur. Cette vapeur est ensuite canalisée à l’aide d’une tuyauterie vers des turbines reliées à des générateurs qui convertissent l’énergie en électricité. En Islande, cette stratégie s’est avérée efficace pour produire de l’électricité et répondre à une grande partie des besoins énergétiques de la population.

Avec la réussite du projet, l’Islande anticipe un bouleversement de son paysage énergétique. Le projet KMT pourrait non seulement transformer la production d’énergie en Islande, mais aussi servir de modèle pour d’autres régions volcaniques à travers le monde, tant sur terre qu’en mer.
Source  : Interesting Engineering.
Remarque personnelle : le projet KMT est ambitieux, mais il ne devra pas oublier que le Krafla est un volcan actif dont les éruptions peuvent être très spectaculaires. Le choix des emplacements des forages et des infrastructures devra se faire avec le plus grand soin pour éviter leur destruction par un accès de colère du volcan.

Photos: C. Grandpey

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Researchers and scientists have worked out a project to transform the renewable energy landscape by drilling into the heart of a volcano’s magma chamber. Initiated in 2014, the ambitious Krafla Magma Testbed (KMT) project aims to tap into the magma chamber of Krafla in northern Iceland by 2026.

To make this vision a reality, KMT is actively seeking 100 million dollars in funding, with plans to begin drilling by 2027. KMT is an international initiative that seeks to construct the « world’s first magma research facility for advanced studies and experiments. » The project is led by scientists and engineers from 38 research institutes and companies from eleven countries including the United States, the United Kingdom and France. If successful, this strategy would allow for unparalleled geothermal energy output, opening the path to provide a limitless energy supply to houses across Iceland.

Krafla evinces a volcanic caldera with a diameter of around ten kilometers and a 90-kilometer-long fissure zone. It is recognized as one of the most extensively studied geothermal systems. It is the site of the country´s first geothermal power station.

Krafla’s magma chamber is located at a relatively short depth of only 1.5 – 3 km below the surface, with temperatures reaching 1,300°C.

The shallow depth of Krafla’s magma chamber gained attention unexpectedly in 2009 during a geothermal drilling project for the Iceland energy company Landsvirkjun. The project unexpectedly encountered a magma chamber near the Krafla volcano, at a depth of 2.1 km. The fact that the crew was not immediately faced with a volcanic eruption provided reassuring evidence that drilling into magma could be done safely. Kilometers underground, the rock reaches temperatures so extreme that the fluids encountered are called « supercritical », that is to say with intermediate behavior between the liquid and gaseous state. The energy produced there is five to ten times greater than in a conventional well. During the 2009 accident, the steam rising to the surface reached 450°C. Two supercritical wells would be enough to reach the power of 60 megawatts that the plant currently generates with 18 conventional wells.

The 100-million-dollar funding will expedite the advancement of this project by enabling the acquisition of advanced drilling equipment capable of withstanding higher temperatures.  KMT also intends to deploy a set of high-tech sensors to continually monitor different magma parameters, including temperature.

The first phase of drilling should be carried out by 2026 or 2027. Costing $25 million, it includes several exploration holes around and below the magma. The drilling, kept open, will make it possible to reach the magma and take samples.

The first borehole is likely to be drilled by either 2026 or 2027. Through this direct exploration, KMT scientists aim to enhance their understanding of magma and its properties. Following this, KMT plans to drill a second borehole to examine the feasibility of harnessing geothermal energy.

Geothermal energy has been utilized in Iceland for several years through a process that involves drilling into hot underground regions to tap into the Earth’s natural heat. The heat from the Earth’s interior causes water in these underground reservoirs to become hot and turn into steam. This steam is then channeled to drive turbines connected to generators, converting the energy into electricity. In Iceland, this strategy has proven effective in producing power and meeting a large amount of the country’s energy requirements.

As the project unfolds, Iceland anticipates a revolutionary shift in its energy landscape, harnessing the power of volcanoes to provide a renewable and sustainable source of electricity for homes and industries. The KMT project could not only transform energy production in Iceland, but also serve as a model for other volcanic regions around the world, both on land and at sea.

Source : Interesting Engineering.

Personal note: the KMT project is ambitious, but it should not forget that Krafla is an active volcano whose eruptions can be very spectacular. The choice of drilling and infrastructure locations should be made with the greatest care to avoid their destruction by the volcano’s anger.

Les chambres magmatiques du Kilauea (Hawaii) // The magma chambers of Kilauea Volcano (Hawaii)

Le Kilauea n’est pas en éruption en ce moment sur la Grande île d’Hawaï. Le HVO explique que le sol de la zone sommitale se gonfle et se dégonfle en fonction de l’alimentation magmatique. Cette situation peut perdurer jusqu’à ce qu’une activité éruptive se déclenche, sans prévenir ou presque.

Dans un récent article « Volcano Watch », le HVO nous explique le comportement des chambres magmatiques qui se trouvent sous le Kilauea. Pour commencer, il faut savoir que la partie supérieure d’une chambre magmatique active contient une roche liquide à très haute température. Un peu plus en profondeur dans la chambre s’opère une transition avec un matériau moins liquide, riche en cristaux, avec une température un peu moins élevée. Encore en dessous, on aboutit à une roche relativement froide et friable.
La quantité de magma dans un réservoir fluctue dans le temps, comme on peut le constater en ce moment sur le Kilauea. Ces fluctuations de la quantité de magma dans un réservoir provoquent des variations de pression qui, à leur tour, génèrent des séismes et des déformations du sol. Les séismes ne se produisent pas dans le magma liquide, mais leur emplacement permet de délimiter les zones de stockage. Les séismes affectent également une zone plus large du volcan en raison des variations de contraintes dues à la pression du magma et aux forces gravitationnelles.
Parallèlement aux séismes, le comportement de la surface du sol au-dessus d’une zone de stockage peut être un indicateur intéressant des conditions à l’intérieur du réservoir magmatique. De petits changements à la surface du sol sont enregistrés par des inclinomètres au sol, ainsi que par les satellites avec, en particulier, la technologie InSAR.

Source: USGS / HVO

Les emplacements des séismes et les données de déformation du sol donnent des indications sur l’endroit et la quantité de magma stocké sous la surface. Ces données peuvent être utiles pour modéliser la profondeur et le volume des chambres magmatiques.
Il existe plusieurs zones de stockage du magma sur le Kilauea, définies à partir des données accumulées pendant des décennies. On peut les voir sur cette coupe du volcan :

Source: USGS / HVO

Le magma est stocké dans le réservoir de Halema’uma’u (H sur l’image), qui se trouve à environ 1,5 km sous le cratère. On pense que les événements de déflation-inflation enregistrés par les inclinomètres correspondent aux variations de pression exercées sur cette zone de stockage. Ce réservoir peut se vidanger lors d’intrusions et d’éruptions. Ainsi, l’éruption de 2018 a fait évacuer tellement de magma du réservoir situé sous l’Halema’uma’u que la caldeira sommitale s’est effondrée.

Halema’uma’u avant et après l’effondrement de 2018 (Crédit photo: HVO)

Un autre réservoir peu profond, actif seulement par intermittence, se trouve près de Keanakāko’i (K sur l’image). Il y a aussi probablement du magma stocké dans le secteur reliant le réservoir de l’Halema’uma’u au Kīlauea Iki, à environ 1,5 km de la surface (HKIT sur l’image). L’éruption de septembre 2023 s’est produite à partir de ce système.

Kilauea Iki (Photo: C. Grandpey)

Au-dessous du réservoir de l’Halema’uma’u et légèrement au sud se trouve la chambre magmatique principale du Kīlauea, baptisée réservoir de la caldeira sud (SC dans l’image). Ce magma se trouve à environ trois kilomètres sous la surface ; il est alimenté par le point chaud et alimente à son tour le réservoir de l’Halema’uma’u, même si les deux réservoirs se manifestent parfois indépendamment, ce qui montre que leur connexion n’est pas parfaite. Le réservoir de la caldeira sud (SC) alimente également les principales zones de rift du Kilauea.
Il arrive aussi que le magma soit stocké dans une zone appelée zone sismique du rift sud-ouest (SWRZ sur l’image), qui se trouve à environ 3 km sous la surface entre la caldeira du Kīlauea et le système de failles de Koa’e. Les épisodes d’accumulation de magma dans cette zone sont fréquents, comme en 2006, 2015, 2021, et en octobre-novembre 2023 ; mais les éruptions dans cette zone son rares.
L’emplacement des séismes et les schémas de déformation du sol au cours des derniers mois laissent supposer que plusieurs zones d’accumulation du magma au sommet du Kilauea ont été actives. En plus des réservoirs de l’Halema’uma’u et de la caldeira sud, le magma semble s’infiltrer dans la zone sismique de Keanakāko’i et du rift sud-ouest.
On ne sait pas trop pourquoi certaines zones de stockage du magma sont plus actives que d’autres , mais des observations récentes confirment que le sommet du Kīlauea est de plus en plus sous pression au fil du temps. Comme je l’ai écrit plus haut, une activité éruptive pourrait se déclencher dans un avenir proche, sans prévenir ou presque..
Source : USGS/HVO.

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Kilauea is not erupting these days on Hawaii Big Island. HVO explains that the ground in the summit area is inflating and deflating with the fluctuating input of magma to the area. This activity may continue tp fluctuate and eruptive activity could occur in the near future with little or no warning.

In a recent ‘Volcano watch ‘ article, HVO explains the behaviour of magma chambers beneath Kilauea. To begin with, one should know that the top of an active magma chamber is hot with liquid rock. Deeper in the chamber, it transitions to slightly cooler, partially molten/partially solid, crystal-rich material, and eventually to relatively cold and brittle rock.

The amount of magma in a reservoir fluctuates over time, as can be seen right now on Kilauea. These fluctuations in the amount of magma in a reservoir cause changes in pressure that can be detected through earthquakes and ground deformation. Earthquakes don’t occur in liquids such as magma, but their locations can approximately outline storage zones. Earthquakes also occur over a wider area of the volcano because of changing stresses from magma pressure and gravitational forces.

Along with earthquakes, the behavior of the ground surface above an area of magma storage can be an important indicator of conditions in the magma reservoir. Small changes in the ground’s surface are recorded by tiltmeters on the ground, and also by satellite with the InSAR technology.

Earthquake locations and patterns of ground deformation give clues as to where and how much magma is stored beneath the surface. The data can be used to model the depth and volume of magma storage regions.

At Kilauea, there are several storage regions hypothesized from decades of monitoring data (see cross section above). Magma is stored in the Halema‘uma‘u reservoir(H in the image) , which lies about one 1.5 km below the crater. Deflation-inflation events recorded by the tiltmeters are thought to show changes in pressurization of this magma storage region. This reservoir can drain during intrusions and eruptions. For example, the eruption in 2018 removed so much magma from the Halema‘uma‘u reservoir that the summit caldera collapsed!

Another shallow reservoir, which is only intermittently active, is located near Keanakāko‘i (K in the image). There is also probably some magma stored in the Halema‘uma‘u-Kīlauea Iki trend about 1.5 km from the surface, connecting the Halema‘uma‘u reservoir to Kīlauea Iki (HKIT in the image). The September 2023 eruption occurred from this system.

Below the Halema‘uma‘u reservoir and slightly to the south is the larger main magma chamber for Kīlauea, referred to as the south caldera reservoir (SC in the image). This body of magma is about three kilometers below the ground surface; it is fed by the hot spot and feeds the shallower Halema‘uma‘u reservoir, although the two reservoirs sometimes act independently, so the connection is not perfect. The south caldera reservoir also supplies magma to Kilauea’s main rift zones.

Magma can also be stored in an area referred to as the seismic Southwest Rift Zone (SWRZ in the image), which lies about 3 km beneath the surface between Kīlauea caldera and the Koa‘e Fault System. Episodes of magma accumulation in this region are frequent, like in 2006, 2015, 2021, and in October–November 2023 ; eruptions from this area, however, are rare.

Earthquake locations and patterns of ground deformation over the past several months suggest that several zones of magma accumulation at the summit have been recently active. In addition to the Halema‘uma‘u and south caldera reservoirs, magma appears to be leaking into the Keanakāko‘i and seismic Southwest Rift Zone.

Why certain magma storage regions activate over others is not well-understood, but recent observations continue to suggest that the summit of Kīlauea is becoming increasingly pressurized over time. As I put it above, eruptive activity could occur in the near future with little or no warning.

Source : USGS / HVO.

Rencontre rapprochée avec Io, la lune de Jupiter (suite) // Close encounter with Io, Jupiter’s moon (continued)

Dans une note publiée le 29 décembre 2023, j’écrivais que le vaisseau spatial Juno de la NASA devait effectuer un survol rapproché de Io, la lune de Jupiter, ce qu’aucun vaisseau spatial n’avait réalisé depuis plus de 20 ans. À environ 1 500 kilomètres de la surface de la planète volcanique, le survol devait permettre aux instruments de Juno de fournir une mine de données.
Comme prévu, le vaisseau spatial de la NASA s’est approché de Io et est passé à environ 1 500 kilomètres de sa surface le 30 décembre 2023. Juno a pu capturer des images incroyablement détaillées de la lune de Jupiter.

 

La seule fois où un vaisseau spatial de la NASA s’est rapproché d’Io, c’était en 2001, lorsque Galileo est passé à 181 kilomètres au-dessus du pôle sud d’Io.
Juno a été lancée le 5 août 2011 et a atteint Jupiter et son système lunaire le 4 juillet 2016 après un voyage de 2,8 milliards de kilomètres.
Le but de ce survol à basse altitude n’était pas seulement de prendre des photos spectaculaires, mais aussi de collecter des données importantes sur Io et son volcanisme. Comme je l’expliquais dans ma note du 29 décembre, « en combinant les données de ce survol avec des observations précédentes, l’équipe scientifique de Juno espérait étudier le comportement très fluctuant des volcans d’Io ». En particulier, les chercheurs voudraient savoir « à quelle fréquence ces volcans entrent en éruption, à quel moment ils sont sont brillants et atteignent de très hautes températures, comment change la morphologie des coulées de lave, et comment l’activité d’Io est liée au flux de particules chargées dans la magnétosphère de Jupiter ».

L’instrument JunoCam a acquis six images de Io au cours du survol à basse altitude. Une photo en noir et blanc a été prise à une altitude d’environ 2 500 kilomètres.

 

Io doit son statut de corps volcanique le plus actif du système solaire à l’immense gravité de Jupiter, la planète la plus volumineuse du système solaire, ainsi qu’à l’influence gravitationnelle des autres lunes de Jupiter —  Europe, Ganymède et Callisto. Ensemble, ces lunes et Jupiter exercent une traction et une poussée sur Io, ce qui génère des forces de marée. Ces forces sont si intenses qu’elles peuvent faire varier la surface d’Io avec des extrêmes allant jusqu’à 100 mètres. En conséquence, la surface d’Io, un corps à peu près de la même taille que notre Lune, est recouverte de centaines de volcans actifs qui crachent de la lave jusqu’à des dizaines de kilomètres au-dessus de sa surface.

Les lunes de Jupiter : Callisto, Ganymède, Europe et IO

Juno devrait effectuer un nouveau survol à basse altitude de Io (1 500 km) le 2 février 2023. En fait, ce ne sera pas la dernière fois que le vaisseau spatial s’approchera de Io, mais ces survols deviendront de plus en plus éloignés de la surface.
Juno atteindra la fin de sa mission en septembre 2025 lorsque la NASA fera s’écraser le vaisseau spatial dans l’atmosphère de Jupiter, concluant ainsi 9 années d’étude de la géante gazeuse et de ses lunes.
Le catalogue complet des images brutes d’Io prises par le vaisseau spatial en décembre 2023 est disponible sur le site web de la mission Juno :
https://www.missionjuno.swri.edu/junocam/processing?source=junocam&phases%5B%5D=PERIJOVE+57

Source : NASA, space.com.

Images transmises par la sonde Juno le 30 décembre 2023

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As I put it in a post released on December 29th, 2023, NASA’s Juno spacecraft was expected to make the closest flyby of Jupiter’s moon Io that any spacecraft had made in over 20 years. Coming within roughly 1,500 kilometers from the surface of the most volcanic world in our solar system, the pass was expected to allow Juno instruments to generate a firehose of data.

As predicted, NASA’s Juno spacecraft came close to the planet’s moon and passed within around 1,500 kilometers from its surface on December 30th, 2023, Juno was able to capture stunningly detailed images of the Jovian moon. The only time a spacecraft has come closer to Io was in 2001, when NASA’s Galileo spacecraft passed 181 kilometers above Io’s south pole.

Juno was launched on August 5th, 2011, and reached Jupiter and its system of moons on July 4th, 2016 after a 2.8-billion-kilometer journey.

The purpose of the close passage was not just to take some incredible images, but also to collect important data about Io and its volcanism. As I explained in my 29 December post, « by combining data from this flyby with previous observations, the Juno science team hoped to study how Io’s volcanoes vary. » In particular, researchers are looking for « how often they erupt, how bright and hot they are, how the shape of the lava flow changes, and how Io’s activity is connected to the flow of charged particles in Jupiter’s magnetosphere. »

The JunoCam instrument acquired six images of Jupiter’s moon Io during its close encounter today. This black-and-white view was taken at an altitude of about 2,500 kilometers.

Io gets its status as the solar system’s most volcanic body as a result of the immense gravity of Jupiter, the most massive planet in the solar system, in addition to the gravitational influence of the other large Jovian moons  —  Europa, Ganymede and Callisto. Together, the Jovian moons and Jupiter pull and push on Io, generating tidal forces. These tidal forces are so immense they can cause the surface of Io to rise and drop by extremes as great as 100 meters. As a result, the surface of Io, a body roughly the same size as Earth’s moon, is covered in hundreds of active volcanoes that spew lava as high as dozens of kilometers above its surface.
Juno is expected to make another close approach to Io (1,500 km) on February 2nd, 2023. Actually, that won’t be the last time Juno makes a close approach to Io, but these flybys will get subsequently more and more distant.

After the final approach to Io, Juno will reach the end of its mission in September 2025 when the spacecraft will be intentionally crashed into the atmosphere of Jupiter, concluding its 9-year study of the gas giant and its moons.

The full catalog of the spacecraft’s Decembe 2023 raw images of io are available on the Juno mission website :

https://www.missionjuno.swri.edu/junocam/processing?source=junocam&phases%5B%5D=PERIJOVE+57

Source : NASA, space.com.

Rencontre rapprochée avec Io, la lune de Jupiter // Close encounter with Io, Jupiter’s moon

Le samedi 30 décembre 2023, la sonde spatiale Juno de la NASA effectuera le survol le plus proche de la lune de Jupiter, Io, jamais réalisé depuis plus de 20 ans. Passant à environ 1 500 kilomètres au-dessus de la surface volcanique de Io, le vaisseau spatial et sa batterie d’instruments devraient permettre de générer une foule de données.
En combinant les données collectées lors de ce survol avec des observations précédentes, l’équipe scientifique en charge de Juno étudiera l’évolution de l’activité volcanique sur Io. Les chercheurs pourront analyser la fréquence des éruptions, le comportement des coulées de lave et dans quelle mesure l’activité d’Io est liée au flux de particules chargées dans la magnétosphère de Jupiter.
Un deuxième survol ultra-rapproché d’Io est prévu le 3 février 2024. Juno se retrouvera à nouveau à environ 1 500 kilomètres de la surface de la lune de Jupiter.
Jusqu’à présent, Juno a observé l’activité volcanique d’Io à des distances allant d’environ 11 000 à plus de 100 000 kilomètres et a fourni les premières vues des pôles nord et sud de la lune. Le vaisseau spatial a également effectué des survols rapprochés de Ganymède et Europe, les lunes glacées de Jupiter.
Avec les deux survols rapprochés de décembre et février, Juno étudiera la source de l’intense activité volcanique de Io, cherchera à savoir si un océan de magma existe sous sa croûte et étudiera l’impact des forces de marée de Jupiter, qui affectent sans relâche la lune.
Source : NASA.

Source: NASA

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NASA’s Juno spacecraft will on Saturday, December 30th, 2023 make the closest flyby of Jupiter’s moon Io that any spacecraft has made in over 20 years. Coming within roughly 1,500 kilometers from the surface of the most volcanic world in our solar system, the pass is expected to allow Juno instruments to generate a firehose of data.

By combining data from this flyby with previous observations, the Juno science team is studying how Io’s volcanoes vary. The researchers are looking for how often they erupt, how the shape of the lava flow changes, and how Io’s activity is connected to the flow of charged particles in Jupiter’s magnetosphere.

A second ultra-close flyby of Io is scheduled for February 3rd, 2024, in which Juno will again come within about 1,500 kilometers of the surface.

The spacecraft has been monitoring Io’s volcanic activity from distances ranging from about 11,000 to over 100,000 kilometers, and has provided the first views of the moon’s north and south poles. The spacecraft has also performed close flybys of Jupiter’s icy moons Ganymede and Europa.

With the two close flybys in December and February, Juno will investigate the source of Io’s massive volcanic activity, whether a magma ocean exists underneath its crust, and the importance of tidal forces from Jupiter, which are relentlessly affecting the moon.

Source : NASA.

Source: NASA