9.5: Меркурій

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

• Охарактеризуйте орбіту Меркурія навколо Сонця
• Опишіть структуру і склад Меркурія
• Поясніть взаємозв'язок між орбітою Меркурія та обертанням
• Опишіть рельєф і особливості поверхні Меркурія
• Підсумуємо наші уявлення про походження та еволюцію Меркурія

Орбіта Меркурія

Планета Меркурій багато в чому схожа на Місяць. Як і Місяць, в ньому немає атмосфери, а її поверхня сильно кратереться. Як описано далі в цьому розділі, він також поділяє з Місяцем ймовірність насильницьких пологів.

Меркурій - найближча до Сонця планета, і, відповідно до третього закону Кеплера, має найкоротший період обертання навколо Сонця (88 наших днів) і найвищу середню орбітальну швидкість (48 кілометрів в секунду). Він відповідним чином названий на честь бога-вісника римлян. Оскільки Меркурій залишається близько до Сонця, його буває важко підібрати в небі. Як і слід було очікувати, найкраще видно, коли його ексцентрична орбіта займає його якнайдалі від Сонця.

Напіввелика вісь орбіти Меркурія - тобто середня відстань планети від Сонця - становить 58 мільйонів кілометрів, або 0,39 а.е. Однак, оскільки його орбіта має високий ексцентриситет 0,206, фактична відстань Меркурія від Сонця коливається від 46 мільйонів кілометрів на перигелії до 70 мільйонів кілометрів на афелії (ідеї та терміни, що описують орбіти, були введені в Орбітах і Гравітації).

Склад і структура

Маса Меркурія становить одну восьму від Землі, що робить її найменшою земною планетою. Меркурій - найменша планета (крім карликових планет), що має діаметр 4878 кілометрів, менше половини менше, ніж у Землі. Щільність ртуті становить 5,4 г/см3, що значно перевищує щільність Місяця, що свідчить про те, що склад цих двох об'єктів істотно відрізняється.

Композиція Меркурія є однією з найцікавіших речей про неї і робить її унікальною серед планет. Висока щільність ртуті говорить нам, що вона повинна складатися значною мірою з більш важких матеріалів, таких як метали. Найбільш вірогідні моделі для інтер'єру Меркурія припускають металеве залізо-нікелеве ядро, що становить 60% від загальної маси, а решта планети складається переважно з силікатів. Ядро має діаметр 3500 кілометрів і простягається в межах 700 кілометрів поверхні. Ми могли б думати про Меркурій як металеву кульку розміром з Місяць, оточену скелястою корою товщиною 700 кілометрів (рис.$\PageIndex{1}$). На відміну від Місяця, Меркурій має слабке магнітне поле. Існування цього поля узгоджується з наявністю великого металевого сердечника, і це говорить про те, що принаймні частина сердечника повинна бути рідкою, щоб генерувати спостережуване магнітне поле. ¹

Малюнок Внутрішня структура$\PageIndex{1}$ Меркурія. В інтер'єрі Меркурія переважає металеве ядро приблизно такого ж розміру, як і наша Місяць.

Приклад$\PageIndex{1}$: Щільності світів

Середня щільність тіла дорівнює його масі, поділеній на об'єм. Для сфери щільність становить:

$$\text{density }= \frac{\text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} \nonumber$$

Астрономи можуть точно вимірювати як масу, так і радіус, коли космічний корабель летить тілом.

Використовуючи інформацію в цьому розділі, ми можемо обчислити приблизну середню щільність Місяця.

Рішення

Для сфери,

$$\text{density } = \frac{ \text{mass}}{\frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{7.35 \times 10^{22} \text{ kg}}{4.2 \times 5.2 \times 10^{18} \text{ m}^3} = 3.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber$$

Таблиця$9.1.1$ дає значення 3,3 г/см ³, що становить 3,3 × 10 ³ кг/м ³.

Вправа$\PageIndex{1}$

Використовуючи інформацію, наведену в цій главі, обчислити середню щільність Меркурія. Покажіть свою роботу. Чи згоден ваш розрахунок з цифрою, яку ми наводимо в цьому розділі?

Відповідь

$$\text{density } = \frac{ \text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{3.3 \times 10^{23} \text{ kg}}{ 4.2 \times 1.45 \times 10^{19} \text{ m}^3} = 5.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber$$

Це відповідає значенню, наведеному в табл.,$9.1.1$ коли г/см ³ перетворюється в кг/м ³.

Дивне обертання Меркурія

Візуальні дослідження нечітких розміток поверхні Меркурія колись вважалося свідченням того, що планета тримається одним обличчям до Сонця (як Місяць робить з Землею). Таким чином, протягом багатьох років поширена думка, що період обертання Меркурія дорівнював періоду його революції в 88 днів, роблячи одну сторону постійно гарячою, а іншу завжди холодною.

Радіолокаційні спостереження Меркурія в середині 1960-х років, однак, остаточно показали, що Меркурій не тримає одну сторону, закріплену до Сонця. Якщо планета повертається, одна сторона, здається, наближається до Землі, а інша віддаляється від неї. Отриманий доплерівський зсув поширює або розширює точну передану радіолокаційну частоту в діапазоні частот у відбитому сигналі (рис.$\PageIndex{2}$). Ступінь розширення забезпечує точне вимірювання швидкості обертання планети.

Малюнок$\PageIndex{2}$ Допплерівський радар вимірює обертання. Коли радіолокаційний промінь відбивається від обертової планети, рух однієї сторони диска планети до нас, а іншої сторони від нас викликає доплерівські зрушення відбитого сигналу. Ефект полягає в тому, щоб викликати як червоне зсув, так і синє зсув, розширюючи поширення частот в радіопромені.

Період обертання Меркурія (скільки часу потрібно для повороту по відношенню до далеких зірок) становить 59 днів, що становить всього дві третини періоду революції планети. Згодом астрономи виявили, що ситуація, коли спін і орбіта планети (її рік) знаходяться в співвідношенні 2:3, виявляється стабільною. (Дивіться поле нижче, щоб дізнатися більше про вплив такого довгого дня на Меркурій.)

Меркурій, перебуваючи поруч із Сонцем, дуже жарко на денному світлі; але оскільки він не має помітної атмосфери, він стає дивно холодним протягом довгих ночей. Температура на поверхні піднімається до 700 К (430° C) вдень. Однак після заходу сонця температура падає, досягаючи 100 К (-170° C) безпосередньо перед світанком. (Ще холодніше в кратерах біля полюсів, які взагалі не отримують сонячного світла.) Діапазон температур на Меркурії, таким чином, становить 600 К (або 600° C), більша різниця, ніж на будь-якій іншій планеті.

ЯКА РІЗНИЦЯ В ДЕНЬ РОБИТЬ

Меркурій обертається тричі на кожні дві орбіти навколо Сонця. Це єдина планета, яка демонструє цей зв'язок між його спином і його орбітою, і є деякі цікаві наслідки для будь-яких спостерігачів, які можуть коли-небудь розміститися на поверхні Меркурія.

Тут, на Землі, ми сприймаємо як належне, що дні набагато коротші за роки. Тому два астрономічні способи визначення місцевого «дня» - скільки часу планеті потрібно для обертання і скільки часу потрібно Сонцю, щоб повернутися в те саме положення на небі - однакові на Землі для більшості практичних цілей. Але це не так з Меркурієм. Поки Меркурій обертається (обертається один раз) за 59 земних днів, час повернення Сонця в те ж місце в небі Меркурія виявляється два Меркурійних року, або 176 земних днів. (Зверніть увагу, що цей результат інтуїтивно не очевидний, тому не засмучуйтеся, якщо ви його не придумали.) Таким чином, якщо одного дня опівдні дослідник Меркурія пропонує своєму супутникові, що вони повинні зустрітися опівдні наступного дня, це може означати дуже довгий час один від одного!

Щоб зробити речі ще цікавішими, нагадайте, що Меркурій має ексцентричну орбіту, а це означає, що його відстань від Сонця значно змінюється протягом кожного ртутного року. За законом Кеплера планета рухається швидше за все по своїй орбіті, коли вона найближча до Сонця. Давайте розглянемо, як це впливає на те, як ми побачимо Сонце на небі протягом одного циклу 176-земного дня. Ми подивимося на ситуацію так, ніби ми стояли на поверхні Меркурія в центрі гігантського басейну, який астрономи називають Калоріс (рис.$\PageIndex{4}$).

У розташуванні Калоріс Меркурій найбільш віддалений від Сонця на сході сонця; це означає, що висхідне Сонце виглядає на небі менше (хоча все ж більш ніж в два рази більше розміру воно з'являється з Землі). Коли Сонце піднімається все вище і вище, воно виглядає все більшим і більшим; Меркурій зараз наближається до Сонця на його ексцентричній орбіті. При цьому видимий рух Сонця сповільнюється, оскільки більш швидкий рух Меркурія по орбіті починає наздоганяти його обертання.

Опівдні Сонце тепер в три рази більше, ніж дивиться з Землі і майже нерухомо висить на небі. У другій половині дня Сонце здається все меншим і меншим, і рухається все швидше і швидше в небі. На заході сонця, повний рік Меркурія (або 88 земних днів після сходу сонця), Сонце повертається до свого найменшого видимого розміру, коли воно опускається з поля зору. Потім потрібно ще один Меркурій рік, перш ніж Сонце знову сходить. (До речі, світанки і заходи сонця набагато раптовіші на Меркурії, так як немає атмосфери, щоб зігнути або розсіяти промені сонячних променів.)

Астрономи називають такі місця, як басейн Калоріс, «гарячими довготами» на Меркурії, оскільки Сонце найближче до планети опівдні, саме тоді, коли воно затримується над головою протягом багатьох земних днів. Це робить ці райони найгарячішими місцями на Меркурії.

Ми підносимо все це не тому, що точні деталі цього сценарію настільки важливі, а для того, щоб проілюструвати, скільки речей, які ми сприймаємо як належне на Землі, не однакові в інших світах. Як ми вже згадували раніше, одна з найкращих речей про прийняття класу астрономії повинна бути позбавлення вас назавжди від будь-якого «земного шовінізму», який ви могли б мати. Те, як відбувається на нашій планеті, є лише одним із багатьох способів, якими природа може організувати реальність.

Поверхня Меркурія

Перший крупний погляд на Меркурій прийшов в 1974 році, коли американський космічний корабель Mariner 10 пройшов 9500 кілометрів від поверхні планети і передав на Землю понад 2000 фотографій, розкривши деталі з роздільною здатністю до 150 метрів. Згодом планета була детально відображена космічним апаратом MESSENGER, який був запущений в 2004 році і здійснив кілька польотів Землі, Венери та Меркурія, перш ніж осісти на орбіту навколо Меркурія в 2011 році. Вона закінчила своє життя в 2015 році, коли їй було наказано врізатися в поверхню планети.

Поверхня Меркурія сильно нагадує Місяць за зовнішнім виглядом$\PageIndex{4}$ (рис$\PageIndex{3}$. Він покритий тисячами кратерів і більшими басейнами діаметром до 1300 кілометрів. Деякі з більш яскравих кратерів променеві, як Тихо і Коперник на Місяці, і багато хто має центральні вершини. Є також обриви (скелі) висотою понад кілометр і довжиною в сотні кілометрів, а також хребти і рівнини.

Інструменти MESSENGER вимірювали склад поверхні та відображали минулу вулканічну активність. Одним з найважливіших його відкриттів стала перевірка водяного льоду (вперше виявленого радаром) в кратерах поблизу полюсів, аналогічно ситуації на Місяці, і несподіване відкриття органічних (багатих вуглецем) сполук, змішаних з водяним льодом.

Вчені, що працюють з даними місії MESSENGER, зібрали обертається глобус Меркурія, в помилковому кольорі, показуючи деякі варіації складу поверхні планети. Ви можете спостерігати, як він обертається.

$\PageIndex{3}$Малюнок Топографія північної півкулі Меркурія дуже детально відображена з даних MESSENGER. Найнижчі регіони показані фіолетовим та синім кольором, а найвищі регіони — червоним кольором. Різниця висот між найнижчими та найвищими регіонами, показаними тут, становить приблизно 10 кілометрів. Постійно затінені низинні кратери поблизу північного полюса містять радарно-яскравий водний лід. (кредит: модифікація роботи НАСА/Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Хопкінса/Інституту Карнегі у Вашингтоні)

Малюнок$\PageIndex{4}$ Цей частково затоплений ударний басейн є найбільшою відомою структурною особливістю на Меркурії. Гладкі рівнини в глибині басейну мають площу майже два мільйони квадратних кілометрів. Порівняйте цю фотографію з [посилання], Східний басейн на Місяці. (кредит: НАСА/Лабораторія прикладної фізики Університету Джона Хопкінса/Інститут Карнегі у Вашингтоні)

Більшість меркуріанських особливостей були названі на честь художників, письменників, композиторів та інших учасників мистецтва та гуманітарних наук, на відміну від вчених, вшанованих на Місяці. Серед названих кратерів - Бах, Шекспір, Толстой, Ван Гог і Скотт Джоплін.

Немає доказів тектоніки плит на Меркурії. Однак характерні довгі шрами планети іноді можна побачити, що ріжуться через кратери; це означає, що шрами повинні утворитися пізніше, ніж кратери (рис.$\PageIndex{5}$). Ці довгі, вигнуті скелі, здається, мають своє походження в невеликому стисненні кори Меркурія. Мабуть, в якийсь момент своєї історії планета скоротилася, зморщуючи кору, і вона, мабуть, зробила це після того, як більшість кратерів на її поверхні вже утворилися.

Якщо стандартна хронологія кратерінгу застосовується до Меркурія, ця усадка повинна відбутися протягом останніх 4 мільярдів років, а не під час раннього періоду сильних бомбардувань Сонячної системи.

Малюнок$\PageIndex{5}$ Відкриття Scarp на Меркурії. Ця довга скеля, висотою майже 1 кілометр і довжиною понад 100 кілометрів, перетинає кілька кратерів. Астрономи роблять висновок, що стиснення, яке зробило подібні «зморшки» на поверхні дошки, повинно відбутися після того, як утворилися кратери. (кредит: модифікація роботи НАСА/JPL/Північно-Західного університету)

Походження Меркурія

Проблема з розумінням того, як утворився Меркурій, є зворотною проблемою, поставленої складом Місяця. Ми бачили, що, на відміну від Місяця, Меркурій складається здебільшого з металу. Однак астрономи вважають, що Меркурій повинен був утворитися приблизно з таким же співвідношенням металу до силікату, що і на Землі або Венері. Як він втратив стільки свого кам'янистого матеріалу?

Найбільш ймовірне пояснення втрати силікату Меркурія може бути схожим на пояснення відсутності у Місяця металевого сердечника. Ртуть, ймовірно, зазнав декількох гігантських впливів дуже рано в молодості, і один або кілька з них, можливо, відірвали частину своєї мантії та кори, залишивши тіло, де панує його залізне ядро.

Ви можете слідкувати за деякими останніми дослідженнями NASA щодо Меркурія та побачити деякі корисні анімації на веб-сторінці MESSENGER.

Сьогодні астрономи визнають, що рання Сонячна система була хаотичним місцем, причому завершальні етапи формування планети характеризувалися наслідками великого насильства. Деякі об'єкти планетарної маси були знищені, тоді як інші могли роздробитися, а потім знову сформуватися, можливо, не раз. І Місяць, і Меркурій з їх дивними складами свідчать про катастрофи, які, мабуть, характеризували Сонячну систему в молодості.

Резюме

Меркурій - найближча до Сонця планета і найбільш швидко рухається. Меркурій схожий на Місяць тим, що має сильно кратерну поверхню і відсутність атмосфери, але він відрізняється тим, що має дуже велике металеве ядро. На початку своєї еволюції він, мабуть, втратив частину своєї силікатної мантії, ймовірно, через один або кілька гігантських впливів. Довгі шрами на його поверхні свідчать про глобальне стиснення кори Меркурія протягом останніх 4 мільярдів років.

Виноски

¹ Нагадаємо з розділу «Радіація та спектри», що магнетизм - це ефект рухомих електричних зарядів. В атомах металів зовнішні електрони легше вибити і вони можуть утворювати струм, коли метал знаходиться в рідкій формі і може протікати.