Солнечная система - Владимир Сурдин

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 2×1014 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 3,5×10—3Гс., а у полюсов 7×10—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.