Солнечная система (Астрономия и астрофизика) - Сурдин Владимир Георгиевич - Страница 27

Суточное изменение температуры поверхности планеты отражает физические свойства слагающих ее пород. Если днем на фоне нагретой поверхности обнаружен участок более холодный, но обладающий, как показывает фотометрия, такими же отражательными свойствами, а поверхность при этом сухая, как у Меркурия и Луны, то это означает, что происходит отток тепла в глубину. Про такой участок говорят, что он обладает повышенной тепловой инерцией, которая определяется плотностью материала и его коэффициентами теплоемкости и теплопроводности. Например, днем более холодным будет скальный массив, окруженный тем же материалом, но в сильно раздробленном состоянии. Ночью же, наоборот, раздробленный материал быстро остынет, излучив свой небольшой запас тепла, скала же будет ярко светиться в инфракрасных лучах. Такие участки тоже были обнаружены на Меркурии. Их немного, что говорит об однородности поверхности планеты. Интересно отметить, что одна из подобных деталей на ночной стороне планеты совпадает с компактной областью повышенного радиоотражения.

После всего, что сказано выше о высоких дневных температурах на Меркурии, кажется невероятным сообщение о гигантских отложениях льдов в его полярных районах. Такое открытие было сделано с помощью наземной радиолокации в начале 1990-х гг. В районах северного и южного полюсов обнаружены многочисленные пятна размером от 50 до 150 км. с присущими льду радиоотражательными свойствами. По-видимому, лед покрыт тонким слоем теплоизолирующего реголита, но главное, благодаря чему сохранились льды, — это положение полярной оси планеты, строго перпендикулярной плоскости орбиты. Из-за этого Солнце никогда не заглядывает внутрь полярных кратеров, расположенных выше 82—84° широты. Расчетная температура там постоянно держится около 60—62 К. В таких условиях испарение крупного массива льда может происходить очень медленно, за миллиарды лет.

Чтобы возникли ледяные поля, на Меркурии должны были когда-то существовать океаны и плотная атмосфера. Если открытие полярных льдов подтвердится, то наше представление об истории этой планеты полностью изменится. Однако те же радиоотражательные свойства допускают и другую трактовку, например, как отложения серы, а не льда.

Строение недр Меркурия

Строение коры, мантии и ядра Меркурия относятся к наиболее актуальным вопросам физики этой планеты. Если представление о системе сферических оболочек, окружающих центральное ядро, справедливо для такой массивной планеты, как Земля, то планеты с малой массой могут иметь другое строение. Например, иначе устроена Луна. Уже первые искусственные спутники Луны установили неоднородность распределения масс в ее коре. Появилось новое понятие — «масконы», проявляющие себя неоднородностями в общем поле тяготения, которые и вносят возмущения в движении орбитального аппарата.

Тщательные наблюдения за движением спутников позволяют найти безразмерный момент инерции планеты I/(MR²) относительно, например, ее полярной оси. Эта важная величина указывает, как распределена масса в недрах планеты. Например, у пустотелой сферы безразмерный момент равен 2/3≈0,67. У шара с одинаковой по всему объему плотностью он равен 0,4. Если же внутри однородного шара находится более плотное ядро, их полный момент инерции будет меньше, чем 0,4. Разумеется, если планета идеально сферическая, то ее внешнее гравитационное поле не зависит от степени концентрации вещества, и наблюдения за спутником не позволят «заглянуть» внутрь планеты. Однако вращение планеты деформирует не только ее тело, но и поле; при этом, чем сильнее концентрация вещества к центру планеты, тем слабее отличается ее поле от сферического. Анализируя движение спутника, определяют форму гравитационного поля, а измерив скорость вращения и степень видимого сжатия планеты, вычисляют по этим данным момент инерции, указывающий степень концентрации вещества к центру. Затем, привлекая теоретические и экспериментальные данные о поведении материалов при высоких давлениях, рассчитывают модель строения планеты, удовлетворяющую всем измеренным параметрам.

В центре Земли, благодаря огромному давлению, плотность внутреннего ядра достигает 10,5т/м³. Плотность оболочки (коры и мантии) в 2—3 раза меньше. Безразмерный момент инерции Земли составляет 0,3309, что определенно указывает на массивное металлическое ядро. Совсем другие результаты были получены из анализа гравитационного поля Луны. По уточненным данным, ее момент равен 0,394; это несомненно говорит о том, что весь материал Луны имеет плотность, близкую к средней (3,33т/м³). У поверхности Луны породы действительно имеют плотность 3,0—3,3т/м³. Значит, если у Луны есть ядро, оно очень маленькое.

Поскольку Земля имеет наибольшую массу и размер среди планет земной группы, именно у нее следовало бы ожидать наибольшую концентрацию вещества к центру. Но неожиданно выяснилось, что безразмерный момент инерции Меркурия меньше земного: 0,324. Следовательно, железное ядро у Меркурия относительно больше, чем у Земли. Оно занимает около 45% объема планеты. Над ним расположена силикатная оболочка толщиной 600—700 км. Плотность поверхностных пород Меркурия, вероятно, того же порядка, что и у Луны, поэтому для получения наблюдаемой средней плотности планеты (5,44 г/см³) железное ядро необходимо.

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

Экзосфера Меркурия

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

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

Кроме гелия, в атмосфере Меркурия найдено ничтожное количество водорода. Его примерно в 50 раз меньше, чем гелия. Другие газы не обнаружены. Предполагая, что они там все же присутствуют, специалисты оценивают общее максимальное количество атомов и молекул газа в атмосфере как 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.