В «окрестностях» Солнца, залитых потокам и ослепительно яркого спета, движется планета Меркурий. Видимое угловое расстояние планеты от центрального светила никогда не превышает 28 градусов, поэтому наблюдать Меркурий очень трудно. Большую часть времени он буквально утопает в лучах дневного светила и только ненадолго появляется на фоне золотистой утренней, зари или в блеске вечернего заката.
Все наблюдатели, указывали на одну особенность: планета вращается вокруг оси и обращается но орбите вокруг Солнца за один и тот же промежуток времени, равный 88 земным суткам. Об этом, казалось бы, свидетельствовали зарисовки расположения пятен на планетном диске. Получалось, что Меркурий обращен к Солнцу всегда одной стороной. А если так, то на одном его полушарии должен быть вечный день, а на другом — вечная ночь. Синхронность вращения планеты ученые объясняли приливным торможением Солнца, а и качестве наглядного примера указывали на Луну, повернутую одной стороной к Земле.
Во второй половине XX века представление о характере вращения Меркурия пришлось полностью пересмотреть. Этому способствовало бурное развитие радиофизических методов исследований. Точные данные о вращении планеты были получены в результате анализа сеансов радиолокации.
В 1965 году американские астрономы с помощью гигантского 305-метрового радиотелескопа в Пуэрто-Рико, радиолокационным методом определили период осевого вращения Меркурия в 2/3 продолжительности обращения по орбите. В земных солнечных сутках это составляет 58,6457. Таков в действительности период вращения Меркурия вокруг собственной оси по отношению к далеким звездам. Следовательно, на Меркурии не может быть ни вечного дня, ни вечной ночи. При такой скорости вращения одни солнечные сутки там равны без малого 176 (175,9371) земным суткам, или двум меркурианским годам (87,96855 . 2 = 175,9371). Другими словами, дни и ночи на Меркурии длятся по целому году! В перигелии — точке орбиты, ближайшей к Солнцу, — середина освещенного полушария Меркурия накаляется до 467°С. А па ночной стороне — леденящий холод: температура может опускаться до - 183°С.
В семье больших планет Меркурии отличается скромными размерами. Его диаметр в 2,61 раза меньше диаметра Земли. Следовательно, по объему планета меньше немного шара в 17,8 раза (2,61 . 2,61 . 2,61 = 17,8). В то же время по массе планета уступает Земле в 18,1 раза. Выходит, что средняя плотность Меркурия почти равна земной - она составляет 5,43 г/см3 (у Земли — 5,52 г/см3). И это в то время, когда недра планеты не испытывают сильного сжатия! Таким образом, после нашей Земли Меркурий является самок плотной планетой.
Некоторые исследователи считают, что Меркурий — это уникальная планета-рудник, которая по массе на 60% состоит из железа. Его массивное железное ядро окружено сравнительно тонкой силикатной оболочкой с мощными разветвленными рудоносными жилами, выходящими прямо на поверхность. Вполне возможно, что днем на поверхности Меркурия, испепеленной огненным дыханием близкого Солнца, образуются «озера» из расплавленных металлов (олова, свинца, цинка), похожие на изверженную вулканическую лаву.
Американский КА «Маринер—10» (1974 г.) передал на Землю около 3000 снимков поверхности планеты с разрешением до 50 м.
Сравнение снимков Меркурия с изображениями Луны говорит об их большом сходстве. Поверхность Меркурия тоже покрыта множеством кратеров ударного происхождения, и меркурианский ландшафт легко спутать с лунным. Но при внимательном изучении снимкой можно найти отличия: крупные кратеры встречаются на Меркурии реже, чем на Луне. Самый большой кратер на Меркурии носит имя великого немецкого композиторы Бетховена. Его диаметр достигает 625 км!
Следующим важным различием гористых ландшафтов Меркурия и Луны является присутствие на Меркурии многочисленных откосов, простирающихся на сотни километров. Изучение их структуры показало, что они образовались еще в ранний период развития планеты в результате глобального сжатия коры. Наличие на поверхности Меркурия хорошо сохранившихся больших кратеров говорит о том, что в течение последних 3—4 млрд лет там не происходило в широких масштабах движение участков коры, а также отсутствовала эрозия поверхности. Последнее обстоятельство почти полностью исключает существование в истории Меркурия сколько-нибудь существенной атмосферы.
На фотографиях поверхности Меркурия видно и несколько относительно гладких больших равнин, которые, очевидно, значительно моложе, чем сильно испещренные кратерами территории. Самой обширной равниной является Море Жары, или Море Зноя, достигающее в поперечнике 1300 км; расположено оно в экваториальной зоне планеты. Смотришь па него и невольно вспоминаешь лунное Море Дождей. И то и другое возникли в результате гигантских катастроф — столкновений с астероидными телами.
С помощью чувствительного магнитометра, установленного на «Маринсре-10», у Меркурия было обнаружено дипольное магнитное поле, направленное примерно вдоль оси вращения планеты. Но напряженность этого поля на поверхности Меркурия не достигает и 1% от напряженности магнитного поля Земли. Тем не менее магнитное моле Меркурии значительно сильнее, чем ноле Венеры или Марса.
По-видимому, для его генерации внутри планеты имеются необходимые условия.
Таким образом, в результате космических исследований было установлено, что Меркурий — это планета-парадокс: внешне и по истории формирования поверхности он похож на Луну, а по своему внутреннему строению обнаруживает удивительное сходство с. Землей. Даже магнитное поле Меркурия подобно земному.
Меркурий – брат Луны.
К весеннему параду планет 2004 года.
Меркурий – брат Луны. Для увеличения изображения нажать на него.
Черное небо. Раскаленная горячими лучами близкого Солнца безжизненная поверхность. Причудливые скалы погружены в озера расплавленного металла. Ослепительный солнечный свет и глубокие черные тени. Таким представлялся Меркурий раньше. В то время ученые уже располагали сведениями о высокой температуре на дневной стороне Меркурия, вполне достаточной для плавления свинца. Была известна орбита Меркурия, менее точно - его масса, диаметр и средняя плотность. Астрономы легко определяют массу планеты, если у нее есть спутник. Но у Меркурия спутников нет. Приходилось пользоваться трудно оцениваемым влиянием Меркурия на орбиты планет, в частности, на орбиту малой планеты Эрос. Неважно обстояли дела с изучением поверхности Меркурия. Хотя минимальное расстояние между ним и Землей всего 80 млн. км, наблюдать планету в это время не удается из-за близости ее к Солнцу (по направлению). Но даже в наибольшем удалении от Солнца (около 29°) яркий солнечный свет очень мешает наблюдениям этой планеты. Лишь самые опытные астрономы-наблюдатели утверждали, что они различают какие-то пятна на поверхности Меркурия. Однако составленные ими карты не совпадали. Неоднократно предпринимались попытки обнаружить разреженную атмосферу Меркурия. (Сейчас ученым уже известно, что она настолько разрежена, что искать ее с Земли было совершенно бесполезно.)
РАДИОЛОКАТОР НАХОДИТ ОШИБКУ
Меркурий - самая близкая к Солнцу планета. Порою высказывались предположения, что внутри орбиты Меркурия существует еще одна небольшая планета. Сейчас можно смело утверждать, что такой планеты нет. Меркурий движется по сильно вытянутой орбите, наклоненной к плоскости орбиты Земли (эклиптике) на 7°. Орбита Меркурия такова, что его расстояние от Солнца меняется от 0,31 до 0,47 а. е. Среднее расстояние планеты от Солнца составляет 0,39 а. е., или 58 млн. км. Солнечный свет достигает поверхности Меркурия за три минуты. (Среднее расстояние до Земли 149 600 тыс. км, или 1 а. е., свет проходит за 8 минут 20 секунд.) Среди планет Солнечной системы Меркурий - рекордсмен по спринту:скорость его движения на орбите 58 км/с-вдвое больше, чем Земли. На один оборот вокруг Солнца Меркурий затрачивает 88 земных суток. Еще совсем недавно считалось, что вращение Меркурия синхронно с его движением вокруг Солнца, поэтому он всегда обращен к дневному светилу одним полушарием, как Луна всегда обращена к Земле одной стороной. Действительность оказалась куда интереснее. И чтобы узнать истину, не потребовались космические аппараты. Решение было получено радиолокационным методом, которым можно пользоваться, «не выходя из дому». В 1965 году 300-метровый радиотелескоп в Аресибо послал мощный радиоимпульс в сторону Меркурия. Этот радиоимпульс сначала отразился небольшим «пятачком» в центральной области планеты и устремился во все стороны, в том числе и к антенне пославшего его радиолокатора. Возвратившийся импульс так слаб, что необходимо все могущество современной радиотехники, чтобы, как говорят радиоинженеры, выделить его. Вслед за первым импульсом пришел второй, отраженный примыкающим к «пятачку» узким кольцом. Расстояния всех точек этого кольца до радиолокатора равны между собой. А на очереди уже было третье, четвертое кольцо, и так до последнего, ограничивающего диск планеты. (Конечно, в действительности отдельных колец не существует и весь процесс отражения радиосигнала непрерывный.) Дальняя от радиолокатора сторона планеты находилась в радиотени, и потому от нее ничего не отразилось. Изучая пришедшие с разным запаздыванием импульсы, можно, например, найти, как меняются на данной длине волны отражательные свойства Меркурия. Но главное-впереди. Поскольку планета вращается, импульсы, отраженные каждым кольцом, не совсем однородны. Частота, на которой был принят сигнал, не равна точно частоте посланного импульса. Так как в своем движении вокруг Солнца Земля и Меркурий либо удаляются друг от Друга, либо сближаются, возникает эффект Доплера и частота смещается. Намного ли? Для Меркурия наибольшее смещение сигнала радиолокатора, который работает на длине волны 10 см, составляет 500 кГц - огромная величина по радиотехническим меркам. Однако этим дело не ограничивается. Меркурий вращается, а потому западная (левая) его сторона движется навстречу импульсу, вызывая дополнительно положительный доплеровский сдвиг, восточная же (правая) удаляется от него и дает отрицательный доплеровский сдвиг. Эти сдвиги, их называют остаточными разностями, на экваторе у Меркурия составляют 32 Гц-величина вполне измеримая.
После анализа остаточных разностей отраженного от Меркурия сигнала удалось определить скорость вращения планеты. Вот эти-то данные никак не согласовывались с уже записанным в конце задачи ответом, полученным раньше из оптических наблюдений. И тогда ученые поступили так же, как поступает иной школьник, у которого не сходится ответ,- они сказали, что в задачнике ошибка! И были правы. Еще до радиолокации Меркурия астрономы не сомневались в том, что при сближении с Землей Меркурий всегда повернут к ней одной стороной. И это было верно. Но и только! А ведь отсюда был сделан вывод о синхронном движении Меркурия. Конечно, можно было допустить, что между противостояниями Меркурий делает целое число оборотов вокруг своей оси, но это представлялось маловероятным. И тем не менее вращение планеты вокруг оси таково, что, проходя перигелий, Меркурий поочередно обращен к Солнцу то одной, то другой стороной. За 2/3 своего года он завершает полный оборот вокруг оси. Засвидетельствовав свое уважение к владыке - Солнцу, Меркурий к тому моменту, когда он окажется на линии Солнце-Земля, успевает оборачиваться к последней всегда одной и той же стороной. Такая сложная синхронизация, по-видимому, объясняется приливным воздействием Солнца вытянутостью орбиты Меркурия. Солнечные сутки длятся на Меркурии 176 земных дней. Но перемещение Солнца по меркурианскому небу было бы непривычно для нас. Движение планеты по сильно вытянутой орбите в сочетании с медленным вращением вокруг оси приводит к тому, что Солнце может остановиться в своем видимом перемещении по меркурианскому небу и даже вернуться назад. В некоторых зонах планеты восходы и заходы Солнца наблюдаются дважды в сутки, причем подняться и опуститься Солнце может как на востоке, так и на западе. Все это светопредставление (иначе и не скажешь!) длится регулярно по две недели - «утром» и «вечером», если здесь годятся наши привычные понятия. Очень долгие-по одному меркурианскому году-день и ночь почти не подвержены сезонным изменениям, ибо полярная ось Меркурия слабо наклонена к плоскости орбиты. Таковы были наши знания о Меркурии в начале 1974 года, очень урожайного года в исследовании планет, когда люди впервые увидели поверхность Меркурия. Изображения его поверхности передали на Землю телевизионные камеры «Маринера-10»-космического аппарата, запущенного в конце 1973 года в США. «Маринер-10» -аппарат пролетного типа. Исследования Меркурия и Венеры он проводил в процессе кратковременного сближения с планетами. Вначале он пролетел около Венеры, а затем возле Меркурия, к которому он возвращался еще дважды, обогнув Солнце.
МЕРКУРИЙ ИЛИ ЛУНА?
На телевизионных снимках Меркурия астрономы увидели поверхность, сплошь покрытую кратерами и внешне неотличимую от Луны. Правда, на Луне кратеры более крупные. Одна из причин этого - большее ускорение свободного падения на Меркурии (368 см/с2), чем на Луне (162 см/с2). На Меркурии есть крупные кратеры диаметр которых несколько десятков километров, и более мелкие-вплоть до 50 м.-Таково было разрешение лучших телевизионных снимков.
Поверхность любой планеты, как своеобразный «дневник», рассказывает о событиях той поры, когда формировалась эта поверхность. На крупных, но сильно разрушенных меркурианских кратерах заметны более молодые и более мелкие кратеры. Значит, Меркурий бомбардировали сначала глыбы всяких размеров, а потом все более мелкие, следами которых усеяны древние кратеры. Но случалось, что крупные метеоритные тела врезались в поверхность Меркурия и на поздней стадии. И еще одну важную «засечку» последовательности событий можно разглядеть на снимках. Дно отдельных кратеров залито потоками лавы. Извержения происходили после выпадения основного объема метеоритного вещества и даже после появления мелких кратеров на дне больших. Редкие и сравнительно мелкие глыбы выпадали на поверхность уже застывшего лавового потока. Что, казалось бы, дают все эти «до» и «после»? - Очень многое. В природе все датировано. Сейчас мы умеем читать часть этого календаря и знаем, что поверхность Меркурия формировалась давно - 4,6 млрд. лет назад. Об этом говорит такая же картина поверхности Луны, возраст образцов которой определен непосредственно. Во многих небольших меркурианских кратерах видны центральные горки. Такие горки хорошо знакомы по лунным пейзажам. Еще одна примечательная деталь на снимках Меркурия - прямая долина. И точно по заказу, такая же долина известна на Луне. Сходство внешнего вида Луны и Меркурия поразительно. Даже мелкораздробленный материал, которым покрыт Меркурий, обладает такими же фотометрическими и поляризационными свойствами, как у Луны. По имеющимся данным, это- анортозитовые породы, происхождение которых обязательно требует, чтобы геологическая история планеты включала магматическую дифференциацию недр. Некоторые кратеры Меркурия имеют систему лучей, простирающихся на огромные расстояния. На Луне такими же лучами обладает ряд кратеров, например знаменитый Тихо. Яркость этих лучей регулярно усиливается к полнолунию, а затем снова ослабевает. Происхождение их, по-видимому, связано с ударным возникновением больших метеоритных кратеров. При ударе о поверхность крупного метеорита огромное количество вещества выбрасывается на значительное расстояние, образуя вторичные кратеры. Их цепочки и складываются в венец «лучей». Долгое время было неясно, почему лучи светлые? Наиболее вероятная причина-«космический загар»; поверхность планеты, лишенной атмосферы, приобретает темную окраску под действием длительного облучения протонами солнечного ветра. Увеличение яркости к полнолунию объясняется тем, что дно в мелких кратерах отражает свет в основном по тому же направлению, откуда приходят солнечные лучи. Может возникнуть вопрос: если сходство Меркурия и Луны так велико; есть ли здесь вообще что-нибудь новое? Может быть, «выучив урок» о Луне, мы все знаем о Меркурии? Оказывается, новое есть. Высоты кратерных валов, центральных горок, обрывов оценены только предварительно по длине отбрасываемых теней. Эти высоты значительно меньше, чем на Луне, и не превышают 2-4 км. Лунные Скалистые горы возвышаются на 5,8 км.
ВЕЧНАЯ ТЕРМООБРАБОТКА
Поверхность Меркурия очень темная. Температура ее днем доходит до 345 С. В перигелии повышается до 420 С, а в афелии – опускается до 290 С. Однако очень высокую температуру имеет лишь поверхностный слой. Он сильно измельчен и служит прекрасной теплоизоляцией для более глубоких слоев. Согласно радиоастрономическим данным, уже на глубине нескольких десятков сантиметров температура, вероятно, не превышает 70-90° С и очень мало меняется. Такая низкая теплопроводность поверхности Меркурия приводит к тому, что после захода Солнца поверхность быстро остывает. Уже через два часа температура снижается до -140° С, а ночью может упасть до -180° С. Именно эти значения температуры и были получены с борта «Маринера-10». На Луне днем температура может подниматься до 100° С, а ночью-уменьшаться до -180° С. Интересно, что измерения температуры поверхности вдоль трассы пролета космического аппарата позволяют исследовать физические свойства пород, из которых сложена поверхность. Делается это так. Измерения проводятся радиометром- прибором, определяющим тепловой поток, который излучается поверхностью. Если днем на фоне нагретого окружающего района будет обнаружен холодный участок с такими же отражательными свойствами (их определением занимается фотометрия), это означает, что тепло куда-то уходит. Но куда? Если поверхность сухая, как у Меркурия и Луны, отток тепла может идти лишь в глубину. О таком участке говорят, что он обладает повышенной тепловой инерцией, которая зависит от плотности и коэффициентов теплоемкости и теплопроводности. Например, холодным будет скальный массив, окруженный тем же, но сильно раздробленным материалом. Ночью, наоборот, раздробленный материал быстро остывает, излучив свои небольшие запасы тепла, а скала будет ярко светиться в инфракрасных лучах. Такие детали тоже обнаружил «Маринер-10». Их немного, что свидетельствует об однородной поверхности планеты. Гораздо сложнее вопрос об однородности ее недр. Земной шар в разрезе изображают как систему сферических оболочек вокруг центрального ядра. Для массивной планеты, как наша Земля, эта модель, в общем, близка к натуре. Иначе устроена Луна. Когда первые космические аппараты, запущенные на орбиту спутника Луны, начали свою работу, ученые с удивлением заметили в движении спутников какие-то рывки. Эффект был небольшим, но вполне измеримым. Оказалось, что внешние слои Луны (сотни километров) неоднородны. Это как бы несколько крупных массивных глыб, которые присыпаны песком, придающим всему сооружению вполне пристойную форму шара. Но каждая из глыб проявляет себя неоднородностью в общем поле тяготения. Так родилось новое понятие «масконы» - сокращенное от английского mass concentration-концентрация масс. Поскольку у Меркурия еще не было искусственного спутника, мет пока и определенного заключения о наличии там масконов. Впрочем, в научной литературе уже появилась попытка объяснить резонансный период вращения Меркурия существованием маскона, который скрыт под уже известным нам Mare Caloris. Такой маскон должен быть положительным, то есть обладать повышенной плотностью. (На Луне имеется и отрицательный маскон в Заливе Радуги.) Меркурий - маленькая планета, его диаметр равен всего 4880 км. Но масса планеты довольно велика, она составляет 5,5% массы Земли. Средняя плотность Меркурия почти такая же, как Земли, 5,44 г/см3. Плотность его поверхностных пород должна быть того же порядка, что и у Луны (3,0-3,3 г/см3). Чтобы получить среднюю плотность 5,44 г/см3, необходимо железное ядро. Возможно также, что благодаря очень высокому давлению в центре Меркурия силикатные породы уплотняются и переходят в металлизованное состояние. Предполагается, что массивное ядро занимает 50% объема планеты. Ядро окружено силикатной оболочкой толщиной 600 км. Ускорение свободного падения на Меркурии 368 см/с2. Если космонавт в гермокостюме будет весить на Земле 1000 Н, то на Меркурии только 380 Н.
ГЕЛИЙ ВМЕСТО УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
«Маринер-10» обнаружил, наконец, у Меркурия атмосферу. Однако ее состав и плотность не имеют ничего общего с тем, что ожидали астрономы. Существование или отсутствие атмосферы у планеты определяется целым рядом обстоятельств. Прежде всего это-сила тяжести. Чем массивнее планета и меньше ее радиус, тем надежнее она удерживает даже самые легкие газы. Очень важно, каков молекулярный вес газа. Чем он меньше, тем труднее удерживать газ. Огромную роль играет и температура внешней части атмосферы. Энергия хаотического теплового движения атомов и молекул газа зависит только от их температуры. С повышением температуры растет скорость частиц. Она может превысить предельное значение- вторую космическую скорость. Тогда частицы навсегда покинут планету. Наша Земля ежесуточно теряет около 100 т легкого водорода, но практически полностью сохраняет запасы тяжелого кислорода. Малая масса Меркурия, его близость к Солнцу, а следовательно, высокая температура определили быструю потерю первичной атмосферы. Одним из первых в таких случаях «убегает» (именно этот термин принят) гелий. И вот в нынешней атмосфере Меркурия найден гелий. Противоречие? Автомобиль, у которого кончился бензин, останавливается. Электропоезд получает энергию непрерывно, ее приток равен затратам. А как же гелий? Его непрерывно поставляет Меркурию находящееся поблизости Солнце, поставляет в виде облаков солнечного ветра. Облака эти очень разреженные но и меркурианская атмосфера им подстать. Давление гелия у поверхности в районе терминатора в 200 млрд. раз, а полное давление всех газов в полмиллиарда раз меньше, чем давление у поверхности Земли. Углекислый газ, который астрономы надеялись обнаружить в атмосфере Меркурия, приборы «Маринера-10» не зарегистрировали. Однако чувствительность приборов известна, значит, можно указать верхний предел-не более 40 триллионов молекул в столбе над 1 см2 поверхности. Гелия же в атмосфере Меркурия в 10 раз больше-400 триллионов молекул в столбе над 1 см2. Эти числа, большие сами по себе, соответствуют невероятно разреженной атмосфере, которая в земных условиях считается глубоким вакуумом. Ведь в атмосфере Земли над 1 см2 поверхности находится 2х1025 молекул.
ЗАГАДКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПЛАНЕТ
В облаках солнечного ветра помимо гелия содержится огромное количество заряженных частиц различной энергии-как электронов, так и протонов. Достигая Земли, заряженные частицы прежде всего наталкиваются на ее магнитосферу. Хотя магнитное поле постепенно убывает с расстоянием, можно "указать границу, где начинается взаимодействие плазмы солнечного ветра с магнитосферой. Эта граница находится там, где давление магнитного поля достигает величины, равной газодинамическому давлению плазмы. Именно вдоль границы тянется слой, по которому течет ток. Впереди слоя набегающая плазма образует ударную волну, в которой сильно разогревается. Все эти события происходят далеко от Земли, на расстоянии 50-100 тыс. км. Магнитное поле Земли определяет также существование у нее радиационных поясов большой мощности и протяженности. Невидимая «крыша» из магнитного поля над планетой способствовала когда-то возникновению жизни-без такой защиты на Земле вряд ли появились бы сухопутные животные. Медленно вращающаяся Луна сейчас практически лишена общего собственного магнитного поля. Тем более неожиданным оказалось обнаружение ударной волны плазмы и магнитного поля вблизи Меркурия. Правда, после первого пролета «Маринера-10» нельзя было категорически утверждать, что это магнитное поле - дипольное поле самой планеты. Известны сложные механизмы наведения на планету обрывков солнечного магнитного поля, перенесенного плазмой. Но предположение о собственном дипольном поле Меркурия несколько лучше. Во время третьего сближения было подтверждено, что поле действительно принадлежит планете. Напряженность его на экваторе 35х10-4 Э, у полюсов 70х10-11 Э, наклон оси диполя к оси вращения Меркурия 7°. Среди множества глубоко скрытых тайн природы - механизм, создающий магнитное поле Земли. В последние годы все чаще магнитное поле Земли связывают с ее вращением и возбуждением кольцевых токов в ее металлическом ядре - модель планетарного магнитного динамо. Один из главных выводов теории-несоосиость магнитного поля с осью планеты. К сожалению, наши представления о недрах Земли поверхностны в буквальном смысле слова, в о недрах других планет известно еще меньше. Но так как в природе все закономерно, можно предположить, что возникновение магнитного поля на разных планетах подчинено общим правилам. Что тогда все это может означать: у Земли большая масса, быстрое вращение и сильное магнитное поле; у Венеры большая масса, медленное вращение и нет магнитного поля или оно очень слабое; у Меркурия масса в 10 раз меньше земной, быстрое вращение и, кажется, есть очень слабое магнитное поле; у Луны очень малая масса, медленное вращение и нет магнитного поля; у Меркурия масса меньше, чем у Марса, медленное вращение и есть магнитное поле? На эти вопросы ответ будет дан в следующих полетах к Меркурию
Меркурий – четвертая по блеску планета: в максимуме она почти так же ярка, как Сириус, ярче же бывают только Венера, Марс, Юпитер. Тем не менее Меркурий очень трудная для наблюдения планета из-за малости его орбиты и, следовательно, близости к Солнцу; его наибольшая элонгация (видимое угловое расстояние от Солнца) составляет 280 . В том самом благоприятном для наблюдения положении фаза Меркурия соответствует фазе Луны в первой и третьей четвертях; полная фаза приходится на верхнее соединение, когда находится за Солнцем почти на одной прямой с ним. После захода Солнца перед его восходом Меркурий на небе всегда находится очень близко к Солнцу, что ограничивает ночные наблюдения планеты коротким интервалом. Кроме того, турбулентность нашей атмосферы на низких высотах обуславливает плохое изображение. Поэтому Меркурий наблюдают большей частью при полном дневном свете, а рассеянный дневной свет исключают в минимально возможной мере применением соответствующих экранов. Вследствие всех этих разного рода трудностей только самым упорным наблюдателям удавалось обнаружить детали на поверхности Меркурия. Склапарелли (Италия, 1833-1910) и Барнард (США, 1857-1923) – два великих наблюдателя – сделали зарисовки инертных деталей поверхности, причем эти зарисовки не слишком хорошо согласуются между собой. Поскольку фотографии Луны показали, что некоторые детали, в особенности лучи, а до некоторой степени и моря, становятся особенно заметными в полнолуния, весьма интересно отметить, что Барнард охарактеризовал пятна на Меркурии в основном как похожие на лунные “моря”, а Склапарели получил свои наилучшие результаты, когда планета была близка к полной фазе, т.е. находилась по соседству с Солнцем.
На протяжении длительного времени Меркурий наблюдался во Франции – сначала Антониади в Медоне, а позднее Дольфюсом на Пик де Мидея. Все наблюдатели согласны, что Меркурий медленно вращается вокруг своей оси, будучи всегда обрашенным к Солнцу одной стороной, если не считать не больших либраций. Таким образом, период вращения Меркурия, составляющий 88 суток, согласно Дольфюсу, равен с точностью до 1/10000 сидерическому периоду обращения планеты вокруг Солнца. Так как Солнце освещает только одну сторону планеты, Склапарелли и Антониаде наблюдали Меркурий вечером, а Дольфюс утром. Чтобы сравнить карты Склапарелли и Антониаде с картой Дельфюса, их следует повернуть примерно на 15О. Дельфюс полагает, что наблюдаемые детали можно привести к совпадению, считая, что угол наклона экватора Меркурия к эклиптике равен 7О.
Поскольку оптическая разрешающая способность составляет приблизительно О”,3, т.е.1/13-1/20 видимого диаметра Меркурия, на рисунках, очевидно, представлены почти все детали, которые когда либо наблюдались с поверхности Земли.
Сравнение всех трех карт Меркурия на первый взгляд наводит на мысль, что наблюдатели расходятся в своих наблюдениях, но более тщательная проверка выявляет согласие в наиболее существенных чертах. Два человека никогда не нарисуют плохо видимый объект одинаково. Чтобы убедиться в этом важном для наблюдательной астрономии факте, поместите одну из этих карт на таком расстоянии, чтобы детали были едва различны, и зарисуйте, что вы видите. Сравнение рисунка с оригиналом может дать удивительные результаты. Несомненно, поверхность Меркурия во многом сходна с поверхностью Луны, хотя мы и не знаем, действительно ли на поверхности Меркурия имеются моря и кратеры. Однако среднее визуальное альбедо Меркурия (0,14) вдвое больше, чем альбедо Луны.
Попытки доказать существование у Меркурия атмосферы в основном давали отрицательные результаты, хотя иногда наблюдатели высказывали подозрение, что легкие беловатые облачка затуманивали более темные пятна. Скорость убегания для Меркурия составляет всего 3,7 км/сек, а температура на его поверхности может быть гораздо более высокой – выше, чем для Луны. Следовательно, лишь самые теплые газы могли бы остаться на поверхности планеты. Точно также, выбрасываемые во время солнечных бурь частицы, должны, даже в большей степени, чем в случае Луны, вышибать атомы остаточной атмосферы Меркурия. Когда Меркурий наблюдается в виде серпа, то его рога не выходят за пределы их геометрических граней, что указывает на отсутствие сколько-нибудь значительных сумеречных эффектов – рассеяния или рефракции в атмосфере. Однако Дельфюс считает, что свет рогов характеризуется небольшой избыточной поляризацией. Если этот эффект обусловлен наличием атмосферы, то последняя в целом составляет не более 1/300 атмосферы Земли. Петтит (обсерватории Маунт Вилеон и Маунт Баломар) из инфракрасных измерений Меркурия нашел, что температура в подсолнечной точке в перигелии сильно возрастает, достигая 415ОС; в афелии она составляет около 285ОС. При 415ОС плавится олово и свинец; даже цинк находится близ своей точки плавления (419ОС). Поэтому Меркурий даже с большим основанием, чем Плутон, мог быть назван в честь бога преисподней.
В противоположность очень высоким значениям температуры, на стороне Меркурия, обращенной к Солнцу, на вечно темной ее стороне температура очень низкая. Тепло может проникать туда только через твердое тело планеты, посредством теплопроводности, а это процесс крайне медленный, или же посредством конвенции в остатках атмосферы, но последнее можно лишь предполагать. Температура не освещенного полушария, вероятно не превышает 10О, считая от абсолютного нуля, т.е. там даже холоднее, чем на Плутоне. Таким образом, Меркурий проявляет своего рода “раздвоение личности”, совмещая в себе обе крайности значений температуры планет. Интересно знать, не могут ли оказаться захваченными и замороженными на темной стороне такие газы, как азот, углерод, углекислый газ, кислород и другое. Для ответа на этот вопрос требуется более строгая проверка при помощи космических зондов и радиолокационных наблюдений.
На очень большое сходство между Меркурием и Луной указывают их размеры, характер вращения, разряженность атмосферы и внешний вид. Оба этих тела практически одинаково отражают свет, как в отношении цвета, так и в отношении интенсивности при различных углах отражения. Лучи света, падающие перпендикулярно к поверхности, отражаются в направлении падения достаточно эффективно, но при падении света под большими углами отражение бывает очень слабым. Даже поляризация или плоскость колебаний отраженного света для Меркурия и Луны одинакова. Все это дает нам право сделать вывод, что поверхность Меркурия сходна с поверхностью Луны, как в отношении отдельных деталей, так и в целом. Несомненно, поверхность Меркурия неправильной формы и неровная.
Средняя плотность Меркурия, хотя она определена не слишком точно, по-видимому, почти в 5,5 раза выше плотности воды, т.е. примерно равна плотности Земли. Так как масса Меркурия мала, то увеличение его плотности, вследствие сжатия, ограничено величиной 1-2%, а средняя плотность основных составляющих его материалов, если извлечь их из планеты, согласно подсчетам Юри составит 5,4 вместо 4,4 для Земли. Следовательно, доля более тяжелых элементов для Меркурия должна быть вполне измеримое железное ядро. В этом отношении Меркурий сильно отличается от Луны и, по существу, является самым плотным телом значительных размеров в солнечной системе. Эволюционный процесс, в результате которого возникла высокая плотность, пока еще не вполне понятен, но, несомненно, он связан с близостью Меркурия к Солнцу.
Страница 2
На протяжении длительного времени Меркурий наблюдался во Франции – сначала Антониади в Медоне, а позднее Дольфюсом на Пик де Мидея. Все наблюдатели согласны, что Меркурий медленно вращается вокруг своей оси, будучи всегда обрашенным к Солнцу одной стороной, если не считать не больших либраций. Таким образом, период вращения Меркурия, составляющий 88 суток, согласно Дольфюсу, равен с точностью до 1/10000 сидерическому периоду обращения планеты вокруг Солнца. Так как Солнце освещает только одну сторону планеты, Склапарелли и Антониаде наблюдали Меркурий вечером, а Дольфюс утром. Чтобы сравнить карты Склапарелли и Антониаде с картой Дельфюса, их следует повернуть примерно на 15О. Дельфюс полагает, что наблюдаемые детали можно привести к совпадению, считая, что угол наклона экватора Меркурия к эклиптике равен 7О.
Поскольку оптическая разрешающая способность составляет приблизительно О”,3, т.е.1/13-1/20 видимого диаметра Меркурия, на рисунках, очевидно, представлены почти все детали, которые когда либо наблюдались с поверхности Земли.
Сравнение всех трех карт Меркурия на первый взгляд наводит на мысль, что наблюдатели расходятся в своих наблюдениях, но более тщательная проверка выявляет согласие в наиболее существенных чертах. Два человека никогда не нарисуют плохо видимый объект одинаково. Чтобы убедиться в этом важном для наблюдательной астрономии факте, поместите одну из этих карт на таком расстоянии, чтобы детали были едва различны, и зарисуйте, что вы видите. Сравнение рисунка с оригиналом может дать удивительные результаты. Несомненно, поверхность Меркурия во многом сходна с поверхностью Луны, хотя мы и не знаем, действительно ли на поверхности Меркурия имеются моря и кратеры. Однако среднее визуальное альбедо Меркурия (0,14) вдвое больше, чем альбедо Луны.
Попытки доказать существование у Меркурия атмосферы в основном давали отрицательные результаты, хотя иногда наблюдатели высказывали подозрение, что легкие беловатые облачка затуманивали более темные пятна. Скорость убегания для Меркурия составляет всего 3,7 км/сек, а температура на его поверхности может быть гораздо более высокой – выше, чем для Луны. Следовательно, лишь самые теплые газы могли бы остаться на поверхности планеты. Точно также, выбрасываемые во время солнечных бурь частицы, должны, даже в большей степени, чем в случае Луны, вышибать атомы остаточной атмосферы Меркурия. Когда Меркурий наблюдается в виде серпа, то его рога не выходят за пределы их геометрических граней, что указывает на отсутствие сколько-нибудь значительных сумеречных эффектов – рассеяния или рефракции в атмосфере. Однако Дельфюс считает, что свет рогов характеризуется небольшой избыточной поляризацией. Если этот эффект обусловлен наличием атмосферы, то последняя в целом составляет не более 1/300 атмосферы Земли. Петтит (обсерватории Маунт Вилеон и Маунт Баломар) из инфракрасных измерений Меркурия нашел, что температура в подсолнечной точке в перигелии сильно возрастает, достигая 415ОС; в афелии она составляет около 285ОС. При 415ОС плавится олово и свинец; даже цинк находится близ своей точки плавления (419ОС). Поэтому Меркурий даже с большим основанием, чем Плутон, мог быть назван в честь бога преисподней.
В противоположность очень высоким значениям температуры, на стороне Меркурия, обращенной к Солнцу, на вечно темной ее стороне температура очень низкая. Тепло может проникать туда только через твердое тело планеты, посредством теплопроводности, а это процесс крайне медленный, или же посредством конвенции в остатках атмосферы, но последнее можно лишь предполагать. Температура не освещенного полушария, вероятно не превышает 10О, считая от абсолютного нуля, т.е. там даже холоднее, чем на Плутоне. Таким образом, Меркурий проявляет своего рода “раздвоение личности”, совмещая в себе обе крайности значений температуры планет. Интересно знать, не могут ли оказаться захваченными и замороженными на темной стороне такие газы, как азот, углерод, углекислый газ, кислород и другое. Для ответа на этот вопрос требуется более строгая проверка при помощи космических зондов и радиолокационных наблюдений.
На очень большое сходство между Меркурием и Луной указывают их размеры, характер вращения, разряженность атмосферы и внешний вид. Оба этих тела практически одинаково отражают свет, как в отношении цвета, так и в отношении интенсивности при различных углах отражения. Лучи света, падающие перпендикулярно к поверхности, отражаются в направлении падения достаточно эффективно, но при падении света под большими углами отражение бывает очень слабым. Даже поляризация или плоскость колебаний отраженного света для Меркурия и Луны одинакова. Все это дает нам право сделать вывод, что поверхность Меркурия сходна с поверхностью Луны, как в отношении отдельных деталей, так и в целом. Несомненно, поверхность Меркурия неправильной формы и неровная.
Средняя плотность Меркурия, хотя она определена не слишком точно, по-видимому, почти в 5,5 раза выше плотности воды, т.е. примерно равна плотности Земли. Так как масса Меркурия мала, то увеличение его плотности, вследствие сжатия, ограничено величиной 1-2%, а средняя плотность основных составляющих его материалов, если извлечь их из планеты, согласно подсчетам Юри составит 5,4 вместо 4,4 для Земли. Следовательно, доля более тяжелых элементов для Меркурия должна быть вполне измеримое железное ядро. В этом отношении Меркурий сильно отличается от Луны и, по существу, является самым плотным телом значительных размеров в солнечной системе. Эволюционный процесс, в результате которого возникла высокая плотность, пока еще не вполне понятен, но, несомненно, он связан с близостью Меркурия к Солнцу.
4. Рельеф поверхности Меркурия
С пролетной траектории космического аппарата “Маинер-10” в 1974 г. было сфотографировано свыше 40% поверхности Меркурия с рзрешением от 4 мм до 100 м, что позволило увидеть Меркурий примерно так же, как Луну в темноте с Земли. Обилие кратеров – наиболее очевидная черта его поверхности, которую по-первому впечатлению можно уподобить Луне. И не случайно даже специалисты – селенологи, которым показали эти снимки вскоре после их получения приняли их за фотографии с Луны.
Действительно, морфология кратеров близка к лунной, их ударное происхождение не вызывает сомнений: у большинства виден очерченный вал следы выбросов раздробленного при ударе материала с образованием в ряде случаев характерных ярких лучей и поле вторичных кратеров. У многих кратеров различима центральная горка и террасная структура внутреннего склона. Интересно, что такими особенностями обладают не только практически все крупные кратеры диаметром свыше 40-70 км, но и значительно большее число кратеров меньших размеров, в пределах 5-70 км (конечно, речь здесь идет о хорошо сохранившихся кратерах). Эти особенности можно отвести как на счет большей кинетической энергии тел, выпадавших на поверхность, так и на счет самого материала поверхности.
Степень эрозии и сглаживание кратеров различна. Например, хорошо заметные лучевые структуры говорят о том, что она невелика, в то же время у ряда кратеров сохранились едва заметные кромки. В целом меркурианские кратеры по сравнению с лунными менее глубокие, что также можно объяснить большей кинетической энергией метеоритов из-за большего, чем на Луне ускорения силы тяжести на Меркурии. Поэтому образующий при ударе кратер эффективнее заполняется выбрасываемым материалом. По этой же причине вторичные кратеры расположены ближе к центральному, чем на Луне, и отложения раздробленного материала в меньшей степени маскируют первичные формы рельефа. Сами вторичные кратеры глубже лунных, что опять же объясняется тем, что выпадающие на поверхность осколки испытывают большее ускорение силы тяжести.
Так же, как и на Луне, можно в зависимости от рельефа выделить преобладающие неровные “материковые” и значительно более гладкие “морские” районы. Последние преимущественно представляют собой котловины, которых, однако, существенно меньше, чем на Луне, их размеры обычно не превышают 400-600 км. К тому же, некоторые котловины слабо различимы на фоне окружающего рельефа. Исключение составляет упоминавшаяся обширная котловина Канорис (Море Жары) протяженностью около 1300 км, напоминающая известное Море Дождей на Луне. Возможно, что имеются и другие подобные котловины на оставшейся пока не отснятой большей части поверхности планеты. Морфология обрамляющих валов, поля вторичных кратеров, структура поверхности внутри котловины Канорис дают основания предполагать, что при ее формировании было выброшено больше материала, чем при образовании Моря Дождей, и что в дальнейшем могли последовательно происходить процессы дополнительного проседания и поднятия дна, связанные с возможным оттоком магмы и изостатическим выравниванием.
0Ближайшая к Солнцу из девяти больших планет; на нашем небе никогда не удаляется от дневного светила больше, чем на 28°, поэтому наблюдать Меркурий с Земли особенно трудно. Время от времени планету можно различить невооруженным глазом как едва заметную светлую точку среди чарующих красок вечерней или утренней зари. В телескоп Меркурий имеет вид серпика или неполного круга, изменения формы которого по мере орбитального движения планеты наглядно показывают, что мы наблюдаем шар, освещенный с одной стороны Солнцем. В период минимальной удаленности от Земли (средний минимум 92 млн. км, минимум миниморум около 80 млн. км) Меркурий на небе земного наблюдателя бывает расположен, к сожалению, возле самого Солнца и обращен к нам своим темным (ночным) полушарием. Такие неудобства наблюдений Меркурия с наземных обсерваторий усугубляют и без того значительные трудности, связанные с малостью угловых размеров объекта, со слабостью приходящего от него энергетического потока и с помехами в земной атмосфере.
Тем не менее исследователям удается отвоевывать у природы бесценные крупицы новых знаний путем совершенствования сложнейшей аппаратуры и методики наблюдения и ценой напряженной, а подчас даже самоотверженной, работы. До 1974 г. вся информация о Меркурии (а она достаточно обширна) была получена по наземным наблюдениям.
О Меркурии написаны превосходные обзоры. Однако за последние годы некоторые сведения были уточнены. В настоящем обзоре сделана попытка изложить сведения о физике этой планеты с использованием по возможности новейших данных.
Диаметр, масса и величины, производные от них Точные знания размеров и массы планеты совершенно необходимы для нахождения ряда параметров, характеризующих физические условия на поверхности и важных для космонавтики.
Линейные диаметры всех планет, полученные из угловых диаметров, измерявшихся с Земли, являются величинами, зависящими от численного значения астрономической единицы длины. В связи с возможными уточнениями последней исторически сложилась традиция выражать диаметры планет не в линейной мере, а в угловых секундах на расстоянии 1 а. е.
Результаты измерений экваториального диаметра Меркурия заключены в пределах от 6",2 до 6",9, т. е. согласуются между собой с точностью далеко не астрономической. Новые измерения дают 6",73 ±0",03, что соответствует величине 4882 ±30 км, тогда как применение метода Герцшпрунга показало D>6",79, т. е. D>4920 км.
Лучший метод нахождения массы любой планеты основан на использовании периодов обращения ее спутников. Поскольку у Меркурия таковых нет, для вычисления его массы используют трудно наблюдаемые эффекты гравитационного взаимодействия с другими небесными телами.
Отношение масса Солнца/масса планеты близко к 6,0*10 6 .
По данным о значениях массы и диаметра средняя плотность оценивается в пределах от 5,30 до 5,46.
Из оценок массы и диаметра планеты легко находятся ускорение силы тяжести и параболическая (вторая космическая) скорость на уровне поверхности; первая величина составляет около 38% от значения для Земли, а вторая - приблизительно 4,3 км/сек.
Первые опыты исследования Меркурия автоматическими приборами из космоса были осуществлены с борта космического аппарата «Маринер-10» (США) 29 марта и 21 сентября 1974 г. На Землю переданы изображения поверхности планеты. Из ра-диозатменных измерений выведена величина радиуса Меркурия, составляющая на широте 2°N 2440 ±2 км, а на широте 68°N - 2438 ±2 км. Анализ трассовых данных позволил уточнить массу Меркурия, которая составляет в единицах отношения массы Солнца к массе планеты 6 023 600 ±600. Новое значение средней плотности планеты 5,44 г*см -3 .
Высокую среднюю плотность Меркурия (по сравнению с плотностью вещества в земных недрах на уровне соответствующего давления) объясняют обилием тяжелых элементов. В составе Меркурия, по-видимому, преобладает железо. Вывод о высоком содержании железа и, следовательно, об ограниченном содержании силикатов приводит к допущению о значительно более низком содержании радиоактивных веществ в Меркурии, чем в веществе хондритовых метеоритов. Между тем известно, что распад радиоактивных элементов, содержащихся именно в силикатах, является одной из причин разогревания планетных недр. Значит, термическая история и современное состояние недр Меркурия в значительной мере зависят от среднего химического состава. Кроме того, следует учитывать дополнительные факторы, которых мы не знаем. К ним относятся скорость конгломерации планеты из вещества протопланетного облака, обилие и состав радиоактивных элементов в этом веществе, лучистая энергия, получаемая извне на ранних этапах эволюции. Проведенные С. В. Маевой расчеты термической истории Меркурия показали, что на всех этапах эволюции температура в недрах планеты никогда не достигала значения, необходимого для расплавления силикатного вещества или железа. Расслоение вещества по удельному весу (гравитационная дифференциация) в твердых недрах планеты происходит значительно медленнее, чем в случае расплавления. Тем не менее некоторые специалисты допускают, что Меркурий может иметь ядро, Различные модели внутреннего строения Меркурия рассмотрены и модели с однородным распределением металлического железа и с его сегрегацией в ядро.
Поверхность Меркурия . Фотометрические свойства и современные данные о рельефе
Поверхность Меркурия, освещенная солнечными лучами, кажется яркой, но измерения показали, что она довольно темная, точнее - темно-бурая. Визуальное альбедо Бонда 3 для Меркурия равно 0,056 а интегральное 0,09. Средняя яркость дневной поверхности резко возрастает с приближением угла фазы к нулевому значению. Кривые изменения яркости в зависимости от угла фазы для Меркурия и Луны практически совпадают. Спектральная отражательная способность увеличивается с возрастанием длины волны по крайней мере до 1,6 мкм. Приведенные к нулевой фазе результаты измерений спектральной отражательной способности Меркурия в диапазоне от 0,32 до 1,05 мкм изображены на рис. 1, заимствованном из работы. Кривая отражательной способности Меркурия сходна с таковой для гористых и морских участков поверхности Луны и отличается от кривых для дна лунных кратеров. Исходя из этих результатов, Мак-Корд и Адамс пришли к заключению, что поверхность Меркурия покрыта, вероятно,
луноподобным твердым веществом, богатым темными вулканическими стеклами, например пироксеном. Причиной низкого альбедо может быть большое содержание в минералах железа и титана.
При исключительно благоприятных условиях, которые случаются довольно редко, на
поверхности Меркурия в телескоп можно заметить темные и светлые пятна.
Неоднократно предпринимались попытки составить карту Меркурия. Исторические карты мы здесь рассматривать не будем, поскольку их составители пользовались ошибочными данными о периоде осевого вращения планеты. Новые попытки составить карту Меркурия на основе современных представлений были предприняты Камишелем и Дольфюсом и Крукшенком и Чепменом. Более современная, улучшенная карта деталей поверхности Меркурия с указанием координат избранных деталей была составлена в 1972 г. Мюрреем, Смитом и Дольфюсом по материалам фотографических и визуальных наблюдений за 1942- 1970 гг. в астрономических обсерваториях Пик-дю-Миди (Франция) и Нью-Мехико (США).
Эта карта изображена на рис. 2. Долготы даются в новой системе отсчета, рекомендованной на 14-й сессии Международного астрономического союза (Брайтон, 1970). По заключению составителей карты видимый контраст деталей на поверхности Меркурия несколько меньше, чем в случае контрастов море - материк на Луне. Возможно, что уменьшение контраста связано с размыванием изображений темных деталей при наблюдениях Меркурия, так как угловое разрешение получается в 300 раз худшее, чем при наблюдениях Луны. Область между 350 и 90° термографической долготы, занимающая более четверти поверхности планеты, практически лишена больших контрастных деталей.
Авторы работы отмечают, что детали на поверхности Меркурия оставались неизменными на протяжении более чем 30-летнего периода наблюдений и появление атмосферной дымки в каких-либо областях планеты не обнаружено.
Исследования рельефа поверхности Меркурия выходят за пределы возможностей оптических методов современной наземной астрономии. В последнее десятилетие для изучения поверхности ближайших планет с успехом используют радиолокацию. Возможности радиолокации планет возрастают как в результате совершенствования аппаратуры, так и вследствие применения новой методики анализа данных. Однако Меркурий является очень трудным объектом исследо
ваний, поскольку принимаемый от него сигнал радиоэхо имеет мощность, приблизительно в 100 раз меньшую, чем от Венеры.
До 1970 г. группа исследователей Массачусетского технологического института безуспешно пыталась использовать двумерные радарные спектры (время задержки и частота) для оценки профиля поверхности Меркурия. Слабость отраженного сигнала не позволила выделить заметные детали рельефа или найти отклонения поверхности Меркурия от поверхности сферы. Два более успешных эксперимента по радиолокации Меркурия были проведены в 1970-1971 гг. в Голдстоуне Лабораторией реактивных двигателей Калифорнийского технологического института на волне 12,5 см и в Хайстеке Массачусетским технологическим институтом на волне 3,8 см. Была достигнута чувствительность, достаточная для изучения характеристики рассеяния. И функция рассеяния и поляризация излучения на волне 12,5 см показали, что поверхность Меркурия в значительной мере занята мелкими неровностями. По измерениям на волне 3,8 см в нескольких наблюдавшихся участках экваториальной области планеты средняя величина уклонов найдена равной приблизительно 10°. Эта величина заметно изменяется с долготой. На Меркурии наблюдались топографические детали с вариациями радиуса планеты порядка 1-3 км.
Радиолокация позволила измерить «коэффициент отражения» планеты в микроволновом диапазоне; он оказался примерно таким же, как у Луны. Поперечник рассеяния Меркурия изменялся во время наблюдений в пределах от 4 до 8% от оптического поперечника.
Параметры осевого (суточного) вращения планеты.
Неоднократно предпринимались попытки найти период осевого вращения планеты по наблюдениям пятен на поверхности. Но старые визуальные наблюдения приводили к ложному выводу о том, что Меркурий повернут к Солнцу всегда одним и тем же полушарием, т. е. к выводу о равенстве сидерического периода осевого вращения и сидерического периода обращения по орбите (87,97 суток). Такое ошибочное мнение сохранялось вплоть до открытия Петтенджила и Дайса, которые по данным радиолокационных исследований нашли, что сидерический период осевого вращения Меркурия равен 59 ±3 суток. Впоследствии это значение уточнялось. Таким образом, на самом деле Меркурий вращается, но столь медленно, что его осевое вращение трудно заметить в течение короткого промежутка времени, благоприятного для визуальных наблюдений. Многие авторы объясняют долгую жизнь ошибочной гипотезы синхронного вращения планеты «роковой» квазисоизмеримостью периода этого вращения с периодом наступления условий, наиболее благоприятных для наблюдения Меркурия (для одной астрономической обсерватории за пределами тропического пояса - только с таким уточнением утверждение будет справедливо). Необходимое стечение обстоятельств повторяется через три синодических периода, т. е. через 348 суток, а за это время Меркурий успевает повернуться приблизительно на целое число оборотов как по отношению к Солнцу, так и к Земле. В таком случае видимое размещение деталей на диске планеты и положение подсолнечной точки среди них воспроизводятся с мало заметными изменениями.
Впрочем, именно оптические наблюдения помогли уточнить период вращения Меркурия после его грубой, но надежной оценки радарным методом. Камишель и Дольфюс на основе обработки архивов обсерватории Пик-дю-Миди за 1942-1966 гг. нашли период равным 58,67 ±0,03 суток. Смит и Риис также использовали многолетние фотографические архивы и получили период вращения 58,663 ±0,021 суток. Точность радарных наблюдений непрерывно улучшается и заметно приблизилась к точности оптических методов. Новые радарные наблюдения дают период, равный 58,65 суток, с ошибкой не более 0,4%.
Мюррей, Смит и Дольфюс дополнили прежние архивы фотоснимков и зарисовок Меркурия новыми оптическими наблюдениями на обсерваториях Пик-дю-Миди и Нью-Мехико и получили период вращения равным 58,644 ±0,009 суток. Направление оси вращения планеты найдено перпендикулярным плоскости орбиты с вероятным отклонением не более 3°.
Период осевого вращения Меркурия - величина не случайная: промежуток времени 58,6462 суток составляет в точности 2 /з от орбитального периода Меркурия. Это интересный вариант резонанса в спиновых колебаниях, вызванных действием гравитации Солнца на планету, внутри которой размещение массы нельзя считать строго концентрическим. Вращение с периодом 2 /з периода обращения должно быть устойчивым: малая ось эллипсоида инерции планеты при каждом возвращении Меркурия в точку перигелия бывает ориентирована вдоль направления к Солнцу. В работе показано, что для возникновения спиново-орбитально-го резонанса 3/2 требуется величина сжатия эллипсоида инерции в плоскости экватора (В - А)/C>10 -5 , т. е. весьма незначительная.
Атмосфера Меркурия
Дольфюс на основе измерений поляризации рассеянного планетой света в различных участках спектра нашел атмосферное давление у поверхности Меркурия близким к 1 мб. Мороз получил оценку такого же порядка величины (содержание С0 2 , равное 0,З:7,0 г/см 2) по избытку поглощения над теллурическим в полосе CO2 около 1,6 мкм в спектре Меркурия. Однако попытка Биндера и Крукшенка повторить измерения Мороза дала отрицательный результат. Что касается особенностей поляризации Меркурия, то О’Лири и Ри объясняют их одними только свойствами поверхности, без привлечения атмосферных эффектов.
В работе Белтона и др. по измерениям в полосе 1,05 мкм был найден верхний предел содержания СО2 на Меркурии, равный 5 м*атм (парциальное давление у поверхности менее чем 0,35 мб), а Бергстрал и др. по наблюдениям полосы около 1,20 мкм оценили, что верхний предел не превосходит 0,58 м*атм (парциальное давление приблизительно 0,04 мб). Эти данные ставят под сомнение наличие СО2 на Меркурии.
Чтобы молекулы газа не диссипировали с Меркурия, они должны быть, во-первых, достаточно тяжелыми, а во-вторых, устойчивыми к диссоциации под действием солнечного излучения. Этим критериям удовлетворяет достаточно распространенный в солнечной системе Аr 40 . Наблюдения не Исключают аргоновую атмосферу с давлением у поверхности Меркурия в пределах 1 мб, но ее существование - только гипотеза.
Сходство фотометрических свойств поверхности Меркурия и Луны может служить аргументом (правда, не очень убедительным) в пользу предположения, что поверхность Меркурия подвергалась воздействию солнечного ветра. Исходя из этого, Саган и О’Лири и Ри определи верхний предел атмосферного давления у поверхности планеты равным приблизительно 10 -5 мб, Белтон, Хантен и Мак-Элрой на основе вычислений темпа диссипации получили верхний предел близким к 10 -6 мб. Бенкс и др. , обсудив различные возможные модели атмосферы Меркурия, допускают существование там экзосферной модели, состоящей из Не 4 , Ne 20 и Аr 40 с верхним пределом суммарного обилия 2-10 14 частиц в столбе с единичным сечением. Структура такой модели определяется солнечным ветром.
Ультрафиолетовый эксперимент на «Маринере-10» подтвердил, что Меркурий окружен тонкой атмосферой с полным давлением у поверхности не более 2 * 10 -9 мбар. Установлены верхние пределы обилия различных газов. Наиболее обильными компонентами могут быть Ne, Аr, Хе. Среди других газов обнаружен, в частности, Не, парциальное давление которого у поверхности составляет 2*10 -12 мбар.
Условия инсоляции и температура на поверхности
Определяемая совместным действием вращения и обращения длительность одних солнечных суток на Меркурии равна в точности трем звездным меркурианским суткам или двум меркурианским годам и составляет около 176 наших дней, т. е. средних солнечных суток всемирного времени. Солнце на небе Меркурия движется с востока на запад неравномерно и заметно меняет видимые размеры вследствие эксцентриситета орбиты и периодических изменений гелиоцентрической угловой скорости планеты. Дважды за одни солнечные сутки (а именно - в каждом перигелии) видимые размеры Солнца увеличиваются, и оно приостанавливается, затем его движение приблизительно на сотню часов сменяется на попятное, после чего Солнце вновь приостанавливается и берет курс на запад.
Количество солнечной энергии, получаемой в единицу времени единичной площадкой, перпендикулярной солнечным лучам (так называемая солнечная постоянная, равная 2,00±0,04 кал/см 2 * мин на верхней границе земной атмосферы), на Меркурии в перигелии приблизительно вдвое больше, чем в афелии и в 10 раз больше, чем на Земле, т. е. достигает 14 квт/м 2 . При этом на различных термографических долготах экватора суточный цикл освещения неодинаков. Около долгот 0 и 180° Солнце в верхней кульминации имеет максимальные угловые размеры и движется в небе очень медленно, тогда как около долгот 90 и 270° оно в полдень имеет наименьшие угловые размеры и пересекает небосклон сравнительно быстро, замедляя движение только у горизонта.
Дневное нагревание поверхности уменьшается с ростом широты места вплоть до полюсов вращения. Интересно заметить, что на самых полюсах могут быть условия непрерывного или почти непрерывного освещения: Солнце движется вдоль математического горизонта с периодичностью 176 суток, при этом центр Солнца погружается под горизонт каждые 38 суток на величину, равную наклону экватора планеты к орбите (наклон меньше, а может быть, значительно меньше 3°); верхний край Солнца если и скрывается, то ненадолго, так как глубина погружения центра под линию математического горизонта приблизительно равна радиусу Солнца, видимого с Меркурия.
С большой длительностью дня и ночи на Меркурии связано резкое различие температуры полуденных и полуночных участков поверхности, а близость планеты к Солнцу и низкое альбедо приводят к сильному нагреванию поверхности в течение дня.
Температура Меркурия найдена по измерениям собственного теплового излучения планеты в той части инфракрасного диапазона, где вклад отраженного солнечного излучения пренебрежимо мал. На среднем расстоянии от Солнца яркостная температура поверхности в подсолнечной точке Меркурия соответствует планковскому излучению абсолютно черного тела при температуре Т в = = 613° К. Цветовая температура (по отношению интенсивности при l 2,2 и 3,4 мкм) в перигелии T с = 670±20° К.
С наиболее значительными техническими трудностями связана инфракрасная термометрия темной стороны Меркурия, так как требует, помимо высокого углового разрешения аппаратуры и кроме идеальных атмосферных условий, также надежной защиты аппаратуры от излучения серпа дневного полушария планеты и особенно высокой чувствительности детектора. Тем не менее такие измерения удалось выполнить. Мардок и Ней в диапазоне 3,75-12,0 мкм нашли температуру поверхности на ночной стороне 111 ±3° К. Таким образом, амплитуда суточных колебаний температуры на Меркурии превышает 500° К.
Инфракрасным радиометром на «Маринере-10» было измерено тепловое излучение планеты в полосе спектра около 45 мкм при минимальных размерах наблюдаемого элемента поверхности 40 км. В околоэкватори-альном скане наиболее низкая яркостная температура зарегистрирована около местной полуночи и составляет 100° К. Закон понижения температуры после захода Солнца такой же, как в случае однородного пористого материала с тепловой инерцией 0,0017 кал * см -2 *сек -72 *‘’К -1 с флуктуациями этой величины до 0,003 в отдельных районах.
Современные наблюдения теплового излучения Меркурия не ограничиваются инфракрасным диапазоном. Ведутся радиоастрономические измерения в микроволновом диапазоне, которые позволяют определить тепловой режим подповерхностного слоя планеты на различных глубинах и найти физические свойства наружного покрова планеты.
Чем больше длина волны принимаемого излучения, тем большая глубина ответственна за его происхождение. Глубина проникновения электромагнитных колебаний (т. е. толщина радиоизлучающего слоя) l э =1/x, где x (l) - коэффициент поглощения электромагнитной волны l - длина волны. Не менее важно для нас другое выражение той же величины: l Э =fl Т, где f- коэффициент, зависящий от свойств вещества, l Т - глубина проникновения температурной волны, определяемая уменьшением амплитуды колебаний температуры в е раз по сравнению со значением на поверхности. На глубине, в 3-4 раза превышающей l T , колебания температуры практически отсутствуют. Этим определяется толщина слоя породы, прогреваемого Солнцем в течение дня. Теория вопроса детально изложена в работе.
Температура, измеренная в микроволновом диапазоне, зависит от соотношения между толщиной прогреваемого Солнцем слоя породы и толщиной радиоизлучающего слоя.
Обзоры результатов радиометрических наблюдений Меркурия на волнах от 0,19 до
11,3 см. Численные значения теплофизических параметров Меркурия приведены в конце этого раздела.
Теплофизическое поведение наружного покрова планеты говорит о его чрезвычайно низкой теплопроводности. Амплитуда суточных колебаний температуры на некоторой глубине, как и следовало ожидать, получается существенно меньше, чем по измерениям в инфракрасном диапазоне. Данные микроволновых радиоастрономических наблюдений показывают, что усредненная по всему видимому диску Меркурия яркостная температура изменяется и с углом фазы i, и с долготой L центра диска, а также зависит от отношения глубин проникновения электрической и тепловой волн. Наиболее полные результаты наблюдений, обработанные по методу наименьших квадратов, представляются следующими выражениями:
где l - длина волны электромагнитного излучения, i - угол Солнце - планета - Земля, L - термографическая долгота в системе долгот. Положение нулевого меридиана в этой системе отличается от его положения в принятой в 1970 г. системе Международного астрономического союза.
Значительные различия между выражениями температуры на миллиметровых и сантиметровых волнах нельзя объяснить одним только отличием эффективной глубины излучающего слоя. Касаясь применения к Меркурию теории радиоизлучения, разработанной для Луны, Гэри указал на необходимость учета в данном случае температурной зависимости теплофизических параметров.
Моррйсон выполнил расчеты усредненных яркостных температур Меркурия в различных диапазонах теплового излучения в функции фазового угла и положения на орбите и с учетом зависимости теплопроводности от температуры.
Вопрос о сходстве некоторых свойств наружного слоя Меркурия и Луны
Сопоставление результатов только что упомянутых расчетов c результатами наземных наблюдений позволило Моррисону выбрать наиболее вероятные значения парамет-
ров, характеризующих тепловые и электрические свойства внешнего слоя Меркурия: плотность р=1,5±0,4 г/см 3 ; тепловая инерция l= (крс) 1/2 = (15 ±6). * 10 -6 кал/см 2 * сек 1/2 * град, что заметно отличается от значения, полученного по данным «Маринера-10»;
параметр f/l=0,9±0,3 см -1 , где f - отношение глубин проникновения тепловой и электрической волн, l - длина волны; коэффициент теплопроводности k=(4 ±2) *10 2 кал/см*сек*град; глубина проникновения тепловой волны l T =11±6 см; диэлектрическая постоянная e=2,9 ±0,5; тангенс угла потерь tg А = (0,9 ±0,4) *10 -2 . Сходство характеристик Меркурия и Луны позволяет допустить отсутствие резких различий в структуре их наружного слоя. Однако в вопросе о сходстве минерального состава их поверхности следует проявлять осторожность. До тех пор, пока мы не имеем экспериментальных данных о составе поверхности Меркурия, наши представления об этом сильно зависят от решения другой проблемы: подвергалась ли планета внутреннему расплавлению и гравитационной дифференциации? Луна, как известно, содержит в наружных слоях продукты расплавления недр. Высокая средняя плотность Меркурия приводит к построению моделей его внутреннего строения, которые, по-видимому, не могли подвергнуться расплавлению. Возможно, что внешнее сходство поверхности Меркурия с Луной в значительной мере обусловлено сходством процессов переработки минералов в реголит внешними факторами.
Таковы основные современные представления о природе Меркурия. Дальнейший рост уровня наших знаний в этой области науки возможен, видимо, только путем проведения новых исследований.
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.