Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Таким образом, Меркурий не удается однозначно отнести ни к типу Земли, ни к типу Луны. Его поверхность похожа на лунную, но железное ядро не уступает земному.

Экзосфера Меркурия

С помощью «Маринера-10» у Меркурия было обнаружено подобие атмосферы. Ее правильнее называть экзосферой, по аналогии с верхними, весьма разреженными этажами плотных атмосфер других планет. Существование или отсутствие атмосферы у планеты определяется рядом обстоятельств. Прежде всего, это сила тяготения: чем больше скорость ухода с поверхности планеты, тем надежнее она удерживает легкие газы. Но чем меньше молекулярная или атомная масса газа, тем труднее удержать газ. Особенно трудно удержать легкие и подвижные молекулы водорода и атомы гелия.

Важную роль играет температура внешней части атмосферы — экзосферы. С повышением температуры скорость атомов газа может достичь второй космической скорости — тогда частица навсегда покидает планету. Именно так Земля ежесуточно теряет около 100 т. водорода (но практически не теряет кислород). Близость Меркурия к Солнцу вызывает высокую температуру дневной стороны экзосферы. Вместе со слабым притяжением планеты это определило быструю потерю ее первичной атмосферы. Первым ушел водород; за ним должен был последовать гелий. Но оказалось, что одна из основных составляющих нынешней атмосферы Меркурия — именно гелий. Причина в том, что гелий непрерывно притекает в разреженную атмосферу Меркурия вместе с плазмой солнечного ветра. Плазма эта очень разрежена, но и меркурианская атмосфера — тоже. Давление у поверхности планеты примерно в 500 млрд. раз меньше, чем у поверхности Земли. Атмосфера Меркурия непрерывно утекает в межпланетное пространство, но потери ее постоянно восполняются. Каждый атом гелия, захваченный Меркурием, находится в его атмосфере в среднем 200 дней, главным образом на ночной стороне планеты, после чего покидает ее.

Кроме гелия, в атмосфере Меркурия найдено ничтожное количество водорода. Его примерно в 50 раз меньше, чем гелия. Другие газы не обнаружены. Предполагая, что они там все же присутствуют, специалисты оценивают общее максимальное количество атомов и молекул газа в атмосфере как 2x10¹⁴ над 1см² поверхности. При высоте атмосферы в сотни километров это дает плотность у поверхности около 10⁷см^—3. Подобная степень разрежения пока недоступна земной вакуумной технике. Атомы и молекулы газов в такой атмосфере движутся по баллистическим траекториям и встречаются столь редко, что никакие реакции между ними невозможны. Соприкасаясь с поверхностью, они приобретают скорость, зависящую от ее температуры. Поэтому на ночной стороне Меркурия скорость атомов газа значительно меньше, чем на дневной. В результате в вертикальном столбе атмосферы ночью содержится в 30 раз большее число атомов гелия, чем днем. Но и при таких концентрациях сами понятия температуры и давления лишены смысла.

В 1985 г. методом наземной спектроскопии в составе меркурианской атмосферы были обнаружены пары щелочных металлов — натрия и калия — примерно в соотношении 25:1, в ничтожных, но спектроскопически измеримых количествах: до 10¹¹атомов/см² поверхности. Излучение в линиях натрия и калия прослеживается на больших высотах над планетой, причем его интенсивность непостоянна. По некоторым данным, испарение щелочных металлов происходит из коры планеты, с глубины до 10 км., причем наблюдалось повышение их концентрации над равниной Жары. Положение еще больше усложняется тем, что отмечена связь этих эмиссий с солнечной активностью.

Присутствию в экзосфере Меркурия паров щелочных металлов пока нет исчерпывающих объяснений. Из-за большого эксцентриситета его орбиты в коре планеты рассеивается значительная приливная энергия, что обязательно должно вызвать ее разогрев. Можно предположить, что такой разогрев вызывает истечение паров щелочных металлов и их солей через небольшие газовые вулканы — фумаролы.

Магнитное поле Меркурия

Плазма солнечного ветра состоит из заряженных частиц — электронов, протонов, ядер гелия. Достигая планеты, обладающей магнитным полем, потоки частиц сталкиваются с магнитосферой. Поскольку магнитное поле убывает с расстоянием, на некотором удалении от планеты его давление сравнивается с газодинамическим давлением солнечной плазмы, там она и останавливается. Именно вдоль этой границы расположен слой, по которому течет ток. Впереди слоя набегающая плазма образует ударную волну, в которой она сильно разогревается. В случае Земли эти события разыгрываются примерно на расстоянии 70 тыс. км. от планеты (со стороны Солнца).

Надежно установлено, что медленно вращающаяся Луна практически лишена магнитного поля. Тем более удивительным было обнаружение ударной волны и магнитного поля вблизи Меркурия. Правда, нельзя категорически утверждать, что все обнаруженное магнитное поле есть дипольное поле самой планеты. Представление магнитного поля Меркурия дипольным приближением несколько условно. Существуют сложные механизмы внедрения (имплантации) магнитного поля Солнца, перенесенного плазмой солнечного ветра, в магнитосферу планеты. Но предположение о поле самой планеты лучше объясняет наблюдаемые явления. Его напряженность на экваторе достигает 3,5x10^—3Гс., а у полюсов 7x10^—3Гс. Это примерно 0,7% от напряженности земного магнитного поля. Наклон оси диполя к оси вращения Меркурия 12° (у Земли 10°). Направление магнитных диполей у Меркурия и Земли одинаково.

Магнитное поле Меркурия — это поставленный самой природой чистый эксперимент. Отсутствие атмосферы в сочетании с заметным собственным полем планеты позволяет исследовать явления обтекания магнитосферы солнечным ветром в условиях, которые не реализуются больше ни у одной планеты Солнечной системы.

Существование магнитного поля у Меркурия должно быть связано с жидким состоянием его ядра, на которое приходится около 60% массы планеты. Вместе с тем, расчеты показывают, что за время жизни планеты жидкое вначале ядро должно было затвердеть; а в твердом ядре магнитное поле возбудиться не может. Более того, на остывание ядра хватило бы и значительно меньшего времени: всего 1,5—2,0 млрд. лет. Чтобы решить проблему, предполагают, что в металлическом ядре много серы, а у легированного серой железо-никелевого сплава значительно снижается температура затвердевания, и ядро может сохранить свое жидкое состояние. Тем не менее, многие противоречия остаются неразрешенными. В 1996 г. появилось сообщение о том, что магнитное поле аналогичного характера и интенсивности обнаружено у других медленно вращающихся небесных тел, более или менее близких к Меркурию по размерам и массе. Это спутники Юпитера Ганимед и, возможно, Европа.

О происхождении Меркурия

Желая понять природу планет, мы неизбежно возвращаемся к вопросу о формировании Солнечной системы. Процессы, происходившие 4,5 млрд. лет назад, к сожалению, известны недостаточно полно. Одна из проблем — источники тепла для образования жидкой лавы, заполнявшей ударные кратеры на Меркурии и Луне. Анализ лунных пород показывает, что возраст застывших на поверхности лав достигает 4 млрд. лет. Это говорит об очень высокой скорости, с которой такого рода планеты прошли гравитационную дифференциацию, разделившую легкие и плотные компоненты. На это ушло всего несколько сотен миллионов лет. Лавовые излияния происходили одновременно с формированием кратерированной поверхности планеты. Таким образом, в это время в недрах планеты уже имелись резервуары расплавленной лавы. Однако, хотя в гравитационной дифференциации и выделяется много энергии, для ее начала температура планеты уже должна быть достаточно высокой.

У планет группы Земли разогрев недр объясняется выделением тепла при распаде радиоактивных изотопов тория, урана, калия и других элементов. После завершения гравитационной дифференциации эти элементы оказались в основном сосредоточенными в мантии планеты, поэтому их современное содержание известно, а исходное количество вычисляется по известной скорости радиоактивного распада. Основанный на этом расчет показывает, что на предшествовавший гравитационной дифференциации разогрев Меркурия должно было уйти 1,0—1,5 млрд. лет, что противоречит возрасту лавы.

Еще одна гипотеза — попытка объяснить быстрый разогрев интенсивной метеоритной бомбардировкой — тоже опровергается расчетами. Излучаемый планетой в единицу времени поток тепла настолько велик, что метеоритная бомбардировка могла бы компенсировать его только в том случае, если бы планета формировалась за немногие тысячи, а не за 200 млн. лет. Но это представляется совершенно нереальным.

Количественные оценки показывают, что и в самом процессе формирования Меркурия из планетезималей много неясного. При их столкновении с поверхностью планеты происходит выброс вещества — продуктов взрыва. Обломки движутся по баллистическим траекториям и выпадают на поверхность планеты, образуя вторичные кратеры. Но если энергия первичного выброса очень велика, скорость обломков может превысить значение второй космической скорости. Тогда падение планетезималей может привести уже не к росту, а к уменьшению массы планеты. Недавно было показано, что при той скорости, которой обладали протопланетные тела вблизи орбиты Меркурия, энергия ударов была настолько велика, что выпадение метеоритного вещества должно было приводить не к росту, а к уносу продуктов выброса и к уменьшению массы образующейся планеты.

По-видимому, в период затухания метеоритной бомбардировки, как и на предыдущей стадии, продолжались местные излияния лавы, но общего плавления поверхности не происходило, хотя местные размягчения могли существовать. К этому периоду относится образование гигантской равнины Жары и других менее четко выраженных равнин.

Совсем другое происхождение, как предполагается, имеют эскарпы. Выделение массивного металлического ядра в процессе гравитационной дифференциации должно было привести к сильному — на 700К — разогреву и плавлению недр планеты с уменьшением ее радиуса примерно на 17 км. По-видимому, эти события произошли в столь давнее время, что их следы на поверхности Меркурия не сохранились. Согласно расчетам, дальнейшее плавление мантии привело, к дополнительному уменьшению радиуса на 2 км. и соответствующему сжатию коры. Именно в этом процессе наползания друг на друга отдельных блоков коры и возникли эскарпы.