太陽系003 ~水星, 耐操的小將

太陽系003 ~水星, 耐操的小將

10-28-2019

 

引言
在太陽家族之中, 水星 (Mercury) 是最靠近太陽的成員, 自從冥王星被除名之後, 他也是家中個子最小的成員。它的直徑比地球小 40％, 比月球大40％。 它甚至比木衛三和土星的衛星泰坦都還要小。然而它的跑的速度却比其他任何行星都快, 繞太陽公轉的平均速度為每小時170,000公里。老天! 子彈的速度每小時只有2900公里!

 

因為水星的身材小, 而且身手敏㨗, 故拉丁文名字稱為墨丘利 (Mercurius)。在古羅馬神話中, 他是指行走敏捷, 精力充沛的商人、小偷和騙子的神。與希臘的愛馬仕（Hermes） 的稱呼相通, 是指多才多藝傳遞信息的使者。

 

水星探測
為了揭開水星神秘的面貌, 1973 年 11月NASA 發射水手10號（Mariner 10）, 這是一系列行星探險中, 最後一個計畫。1975年, 任務完成之後, 它就被拋棄在太空中成為永恆的流浪者。

 

2004年, NASA發射信使號 (Messenger) 探測船, 於2011年成功地插入水星軌道, 超過一年近距離探測整個水星表面, 至2015年4月30日, 任務結束後, 就讓它撞擊在水星表面, 成了人類探訪留下的紀念品。信使號成功地完成了下列諸項使命: 繪製了整個水星的表面圖、測量其岩石和土壤中的化學和礦物成分、重力和磁場…等。

 

水星的外觀

從水手10号傳回的5000張水星照片, 人們發現水星的地形外觀和月球十分類似, 它充滿了火山口和隕石坑, 包含巨大的多環盆地和許多熔岩流。隕石坑的大小, 從100米到1300公里。表面塵土飛揚, 山丘綿延起伏, 遍布環形山、輻射紋、盆地、平原、山脊...等地貌.

 

水星上最大的火山口是卡洛里斯盆地 (Caloris basin)。天文學家哈特曼和柯伊伯（Hartmann and Kuiper, 1962）將盆地定義為“具有獨特同心環和放射狀紋路的大圓形凹陷”。其他人則認為任何大於200公里的隕石坑, 就是盆地。卡洛里斯盆地的直徑為1300公里, 可能是由直徑大於100公里而行星撞擊後, 引發岩浆噴溢而形成的。撞擊產生了三公里高的同心環山。其中一個巨大的懸崖（Discovery Rupes）深入地殼達1.6公里（1英里）。

 

水星上還有高幾公里, 長幾百公里, 彎曲的陡峭懸崖, 或稱葉狀陡壁 (Lobate scarps)。顯然是在水星核逐漸冷却後, 体積縮小, 造成這樣的地表皺紋痕跡。

 

地球上白天的天空是藍色的, 因為來自太陽的光, 射入地球大氣中的微小顆粒, 光向各方向散射而導致, 也稱為「瑞利散射」(Rayleigh Scattering)。在水星上, 因為大氣層稀薄, 光線無法散射, 仰望天空是一片漆黑, 除了看到太陽以外, 還會看到一個米色的金星和一個藍色的地球。

 

地球上觀測水星
在水手10號 (Mariner 10) 之前, 人們對水星知之甚少, 因為從地球上用望遠鏡很難觀察到它。 水星在太陽系中, 是距離太陽最近 (5790萬公里, 0.4 AU) 的一颗行星。 從地球上看, 太陽在她身後, 它必須離開太陽, 與太陽並排, 那時候才能够觀察到它。因此她與太陽之間最大的伸長角 (Maximum elongation) 只有28度。金星距離太陽遠些, 它的最大伸長角在45°~47°之間, 比較容易觀看得到些。因此, 水星只能在日出前或日落後, 才能觀看得到。那時候水星落在低地平線上, 光線必須穿過十倍厚的地球大氣層, 非常微弱。

 

水星軌道和地球不在同一平面, 存在7度傾角, 因此在地球上要看到水星凌日, 或地球、水星、太陽排在一直線上, 不是那麽頻凡, 平均每百年凌日13次。第一次是被德國天文学家開普勒發現, 就是那位推導出行星運動三大定律的天文大師。

 

水星鈉尾

水星的尾巴最早在20世紀80年代被預測出來, 2001年首次被發現。 2011年至2015年, 美國國家航天局的信使號 (MESSENGER) 探測器繞水星多次探測中, 發現了許多尾部的細節。水星稀薄的大氣中含有少量的鈉, 當被太陽光激發時, 會將這些大氣微粒推離水星表面。其中鈉發出的黃色光芒是相對明亮的。

 

水星自轉與公轉

1880年代, 意大利天文學家Giovanni Schiaparelli畫了一個草圖, 他確定水星必被太陽潮汐鎖定 (Tidal lock), 就像月亮被地球潮汐鎖定一樣。潮汐鎖定是物體的自轉週期, 和圍繞其伴侶軌道公轉周期相同的現象。 例如, 月亮被潮汐鎖定在地球上, 因為它的自轉時間與繞地球運行公轉的時間是完全相同。

 

1962年, 天文學家發出的無線電輻射觀察水星, 確定其暗面太過溫暖, 因此判斷她沒有被太陽潮汐鎖。也就是說, 若水星面永遠背對著太陽, 暗面應該會更冷些。1965年, 美國無線電天文學家Petengill 和 Dyce, 根據雷達觀測結果確定水星的自轉週期為59±5天。 1974年水手10 號太空船仔細觀察後, 自轉週期被確定為58.646±0.005天。

 

水星一天約是兩年! 這度日如年的話又怎麽說呢? 他自轉很慢, 周期59天, 公轉繞日又飛快, 周期只有88天! 那麽一天是一個晝夜, 也就是說向陽那面水星要繞日兩周, 約地球日176天後才会再向着太陽 (如下圖所示) !哈!哈!生活難过, 度一日若兩秋矣! 水星也是唯一與太陽軌道共振的行星。相對於恆星, 它每自轉三圈的時間與它在軌道上繞行太陽兩圈的時間幾乎完全相等。

 

因此地表溫差頗大, 向陽面可被烤到430℃, 而背陽面会凍到零下160℃, 晝夜差約600℃ ! 誰能受得了呀?

 

科學家模擬推測, 早期水星的自轉週期可能很快, 可以快到 8 個小時, 但是經過109年的時間, 它的轉速逐漸被太陽潮拖慢了。在此過程中, 水星內部溫度升高100度K.

 

水星磁場
科學家原來一直不相信水星會產生磁場。 因為他們認為, 由於水星很小, 其核心早就固化。但水手10 號測量水星的磁場強度是地球的1％。 該磁場相對於水星的旋轉軸傾斜7度, 並在水星周圍產生磁層。現在他們相信磁場的存在也許表明水星仍然具有少部分熔融的鐵心。或者另一個可能是, 含鐵岩石的剩餘磁化強度, 並未隨著水星的冷卻和固化, 而完全消失。

 

水星密度
水星生下來的確是經歷不少苦難, 他距太陽那麽近, 沒想到竟然存活了下来, 再没有一顆行星像他這般耐操。如今他瘦瘦小小, 確很結實, 他的密度僅次於地球。

水星具有很高的密度, 其密度為5.44 g / cm3, 可與地球的5.52g / cm3密度相媲美。這種高密度表明該行星60％至70％重量是金屬, 30％重量是矽酸鹽。 這樣得出的核心 (Core) 半徑為行星半徑的75％, 核心體積為行星體積的42％。信使號的分光儀已經測量水星的組成, 科學家發現水星的岩石中含的鎂, 比起地球或月球表面要多得多, 而含鋁則非常低。

 

消失的水星外殼
水星之所以没有衛星, 專家們猜测是因為實在太靠近太陽了! 起初可能存在衛星, 但沒多久就被身邊这個巨大的太陽怪獸給吞了!

 

經多年的探測, 天文学家發現一個奇怪的現象, 那就是水星的核心占總体積的42%, 这和地球占15% 的核心相比, 顯然是怪怪的。科学家認為这小子的外殼似乎曾經被人剝去了, 因此關於这方面至少有三種假說: ⑴ 撞擊論, 太陽系形成早期, 水星不是被一顆小行星正面撞擊, 就是被一顆大一星行, 擦邊而过, 結果大部分的地幔被剝去, 原來水星的体積是現在的2.25倍! 與人格閗時被剝去一層皮! ⑵ 水星表面的岩石被初期極炎熱的太陽 (約2000 ~3000C) 氣化後, 氣化物質被太陽風刮走了! ⑶ 水星表面從太陽系原始星雲吸收來較輕的元素, 被太陽强大引力吸走, 这也是為何現今留下的是比較重的金屬。这一切也都是猜想, 沒有什麼有力的證據。

 

水星上可能存有水嗎？

水星上沒有大氣層, 白天熾熱, 似乎無法以任何形式保留水。1991年, 加州理工學院的科學家從水星上檢測到無線電波反射, 發現水星北極異常明亮, 這表示北極表面或正下方可能存在水冰。 2012年, 信使號團隊發言人證實這種設法, 科學家在水星北極區域永遠曬不到太陽的陰暗坑洞內發現大量的凍冰。

 

但是水星有可能結冰嗎？ 由於水星的自轉幾乎垂直於其軌道平面, 因此北極總是在地平線上方看到太陽。 科學家何相信隕石坑的內部永遠不會暴露在太陽下, 溫度將保持在 -161℃以下。如此低溫可以封住水星北極使水不外逸。

 

環形山的命名
有趣的是, 星球表面發現的環形山都以科学家命名, 紀念他们对人類的貢献, 名留千古, 與日月同輝。水星表面有300 座環形山, 却是以文學家命名, 其中15人是中國人, 如:春秋時代音樂家~俞伯牙、東漢女詩人 ~ 蔡琰、唐朝詩人~李白和白居易、南唐畫家~董源、南宋女詩人~李青照、清朝文学家 ~ 曹雪芹和現代文学作家~鲁迅。

水星的內部

關於水星內部結構的大多數信息來自水手10號飛船在1973年和1974年飛越時所獲得的數據。水星大約是地球大小的三分之一, 但其密度卻與地球相當。 這表明水星有一個大核, 大約相當於地球月球的大小, 或地球半徑的75％。 芯部可能由60-70％的鐵組成。 水手10號對行星的測量揭示了可能由部分熔融的核產生的偶極磁場。 堅固的岩石地幔圍繞著岩心, 地殼約100公里。

 

Reference:

http://solarviews.com/eng/mercury.htm