Поверхность Меркурия. 
Астрономия. 
Солнечная система

У Меркурия нет атмосферы, что во многом определяет условия на поверхности планеты. Основной элемент рельефа —ударные (импактные) кратеры — следы столкновений с метеороидами и астероидами за всю историю существования планеты. Поскольку на безатмосферных планетах нет процессов эрозии, связанных с действием воды и ветра, все следы столкновений за 4,5 млрд лет сохранились практически без изменений (исключая изменения от более поздних импактов). Основные элементы поверхности сформировались, скорее всего, примерно 4,0—3,9 млрд лет назад. В этот период, согласно современным данным, происходил максимум бомбардировок в Солнечной системе (см. рис. 4.1).

Размеры кратеров на Меркурии — самые разнообразные, до десятков километров. Плотность крупных кратеров (диаметром более 10 км) составляет 360 единиц на миллион квадратных километров (по данным «Маринера-10», сфотографировавшего примерно 30% поверхности планеты).

Самые крупные кратеры диаметром более 300 км называют ударными бассейнами. Чем больше размер ударного бассейна, тем сложнее его структура, например, у него может быть несколько концентрических кольцеобразных валов. Крупнейший ударный бассейн Меркурия — Caloris Planitia, в русскоязычной литературе обычно называемый Равниной Жары, Равниной Зноя или Морем Зноя, — имеет форму почти правильного круга диаметром 1300 км. Бассейн окружают 4—5 концентрических кольцевых валов высотой до 2 км. Судя по всему, в этом месте астероид пробил кору молодой планеты. Сквозь разрывы и трещины в коре на поверхность Меркурия прорвались потоки лавы, разлившейся и затем застывшей в пределах бассейна. В области планеты, диаметрально противолежащей ударному бассейну Caloris, наблюдается зона необычного рельефа: похоже, что сейсмические волны от удара, пробежав по всей поверхности Меркурия, сфокусировались там, породив растрескивание коры и вспучивание отдельных ее блоков на высоту до 2 км. Самые высокие горы на Меркурии (высота определена по длине теней) достигают четырех километров.

Отдельные кратеры окружены длинными светлыми радиальными лучами, состоящими из вещества, выброшенного при ударе. Съемки ранее никогда не наблюдавшейся части поверхности планеты, проведенные аппаратом «Мессенджер», позволили увидеть лучи, протягивающиеся на тысячи километров от одного из сравнительного молодых ударных кратеров (рис. 4.4). Аналогичные структуры обнаружены на Луне, поверхность которой очень похожа на поверхность Меркурия. Некоторые крупные кратеры, как и на Луне, имеют центральные горки.

Рис. 4.3. Фрагмент ударного бассейна Калорис (Фото: «Messenger», NASA).

Рис. 4.4. Крупный ударный кратер на Меркурии (Фото: «Messenger», NASA).

Помимо ударных кратеров, обнаружены и гораздо менее многочисленные вулканические жерла.

На поверхности Меркурия обнаружены интересные элементы рельефа, не имеющие прямых аналогов на других планетах. Речь идет о так называемых эскарпах: уступах высотой 2—3 км, тянущихся на сотни километров. Эскарпы объясняют процессами растрескивания, сдвигов и наползаний участков коры друг на друга в процессе гравитационного сжатия планеты. Протяженность самого длинного эскарпа Enterprise Rupes превышает 1000 км, высота — до 3 км.

Детальная съемка с «Мессенджера» показала, что на поверхности Меркурия существует множество мелких эскарпов с перепадом высот в десятки метров. Это достаточно молодые образования, их максимальный возраст оценен в 50 млн лет.

Еще один уникальная деталь рельефа Меркурия, открытая во время миссии «Мессенджера» — так называемые hollows (ямы). Ничего подобного на других небесных телах пока не обнаружено. Первоначально ямы были отмечены на снимках как яркие пятна на дне некоторых кратеров. Полученные позднее изображения с более высоким разрешением показали, что ямы — это депрессии (понижения рельефа). Глубина ям (несколько десятков метров) определена по длине теней. Происхождение этих необычных образований окончательно не известно, однако основная гипотеза связывает его с сублимацией подповерхностных пород на дне кратера. В ямах нет импактных кратеров, и это означает, что ямы возникли гораздо позже окончания бомбардировки.

Существование ям, эскарпов и грабенов (провалов грунта) указывает на то, что геологическая активность Меркурия не прекратилась, вероятно, вплоть до настоящего времени. Медленное сжатие планеты, связанное с остыванием ее ядра, видимо, продолжается и сейчас, что приводит к возникновению напряжений в коре, землетрясениям (точнее, меркуриетрясениям) и появлению эскарпов.

В 1973 г. на XV Генеральной ассамблее Международного астрономического союза были утверждены основные правила, которыми ныне руководствуются при подборе названий деталей рельефа на планетах и их спутниках. Кратеры Меркурия называют в честь деятелей гуманитарных направлений (поэтов, писателей, художников, музыкантов). На карте планеты есть кратеры, названные в честь Толстого, Баха, Шекспира, Бетховена, Бальзака, Пушкина, Лермонтова, Репина, Ван Гога, Рембрандта и т. д. Исключение из правил — крупный кратер с лучами, названный в честь американского астрофизика Джерарда Койпера, одного из авторов проекта «Маринер-10». Отдельные уступы (эскарпы), горные цепи и каньоны получают названия кораблей знаменитых мореплавателей (например, «Бигль», «Фрам», «Кон-Тики», «Санта-Мария») и земных научных станций («Мирный», «Восток» и т. д.). Обнаруженные «Мессенджером» борозды называются именами великих архитектурных сооружений (например, борозды Пантеон в бассейне Калорис). Названия крупных астрономических обсерваторий и имена богов торговли, принятые в разных религиях, также используются для обозначения деталей на карте Меркурия.

Верхний слой грунта Меркурия очень похож по фотометрическим и поляризационным свойствам на соответствующий слой Луны. Это дает основания предполагать, что результаты изучения характеристик лунных пород можно распространить на Меркурий и считать, что это преимущественно анортозиты.

Характеристики поверхностных слоев грунта во многом определяются важным обстоятельством, характерным для всех безатмосферных тел. На протяжении многих сотен миллионов лет множество астероидов различных размеров и кометных ядер сталкивалось с планетой. В результате поверхность Меркурия подверглась интенсивной переработке (разрыхлению, перемешиванию) за счет ударов. Грунт разрыхлен, содержит в себе зерна расплавившегося во время ударов и затем застывшего материала. Здесь присутствуют как собственные породы самой планеты, так и привнесенное вещество астероидов. В результате Меркурий покрыт специфическим слоем мелко раздробленного материала (реголита). На планетах земной группы с атмосферой реголита нет: атмосфера не пропускает к поверхности многочисленные мелкие метеороиды.

Рис. 4.5. Кратер Рахманинов с двойным кольцевым валом (Фото: «Messenger», NASA).

Рис. 4.6. Каменная поверхность Меркурия оказалось довольно темной, светлые детали связаны с импактными событиями (Фото: «Messenger», NASA).

Еще одна важная деталь рельефа Меркурия, уже упоминавшаяся выше — следы потоков лавы. В большинстве случаев лава извергалась из недр в результате мощных импактов, проламывавших кору. На всей исследованной части планеты присутствуют следы многочисленных локальных извержений. Тем не менее признаков того, что вся поверхность Меркурия когда-то была покрыта расплавленным веществом, нет.

Химический состав поверхности планеты анализировался по данным дистанционных измерений с помощью рентгеновского спектрометра на борту «Мессенджера». Во время завершающих измерений, выполненных с низкой орбиты, разрешение съемки стало лучше 100 км на один пиксель. Этот эксперимент позволил составить карты распространенности отдельных химических элементов в единицах распространенности кремния (карты отношений Mg/Si, S/Si, Fe/Si и некоторых других) в верхнем слое грунта.

Оказалось, что химический состав поверхности планеты существенно неоднороден. Так, например, отношения содержания в грунте магния к кремнию меняется от 10% до 80%, при этом такие изменения зафиксированы на масштабах порядка нескольких десятков километров.

В южном полушарии Меркурия обнаружена гигантская округлая «магниевая аномалия», где этого элемента особенно много. Здесь же больше всего кальция, серы и железа и меньше всего алюминия. Выдвинута гипотеза о том, что эта элементная аномалия связана с огромным древним ударным кратером, ныне почти разрушенным.

Рис. 4.7. Фрагмент кратера Бетховен. Над гладкой равниной, образованной застывшей магмой, возвышаются элементы центральной горки кратера (Фото: «Messenger», NASA).

Температурный режим на поверхности Меркурия обусловлен тремя основными причинами: близостью Солнца, отсутствием атмосферы и медленным вращением вокруг своей оси. Как указано выше, солнечные сутки планеты продолжаются 176 земных суток. Это значит, что день продолжается ровно один меркурианский год (88 земных суток). Столько же времени длится ночь. Поскольку ось вращения Меркурия практически перпендикулярна плоскости его орбиты, на планете отсутствуют времена года: продолжительность дня всегда равна продолжительности ночи на всех широтах. За длинный день, который длится почти три месяца, грунт планеты сильно нагревается (+350 °С). В перигелии, когда планета подходит ближе всего к Солнцу, температура может подняться до +420 °С, в афелии опускается до +290 °С. Отдельные участки темных пород, обращенные к Солнцу, могут нагреваться до +600 °С. Ночью температура быстро падает до -180 °С.

Существенно, что указанные огромные перепады температуры (более 700 градусов) характерны лишь для самого верхнего слоя грунта. Образующий его реголит сильно измельчен и поэтому отличается низкой теплопроводностью. Радиоастрономические исследования показывают, что уже на глубине в несколько десятков сантиметров температура грунта в течение меркурианских солнечных суток почти не меняется и составляет в районе экватора 70—90 °С, значительно снижаясь в полярных областях.

Отсутствие атмосферы, которая могла бы сглаживать перепады температуры, помимо прочего, приводит к беспрепятственному попаданию на поверхность Меркурия интенсивных потоков солнечного и галактического коротковолнового (ультрафиолетового, рентгеновского, иногда гамма-) излучения. Есть основания полагать, что это облучение приводит к своеобразному «загару» (потемнению) пород на поверхности планеты.

Перпендикулярность оси вращения Меркурия плоскости его орбиты приводит к еще одному интересному следствию. В околополярных областях солнечные лучи всегда падают почти по касательной к поверхности планеты и не попадают внутрь кратеров. На дне кратеров, окруженными высокими валами, всегда тень, в результате температура всегда остается очень низкой.

Результаты радиозондирования планеты в начале 1990;х гг. показали, что вблизи северного и южного полюсов Меркурия наблюдаются многочисленные участки размерами от 50 до 150 км, откуда радиоизлучение отражалось деполяризованным. Это типично для водяного льда. Поэтому уже тогда возникло предположение, что в полярных кратерах может находиться водяной лед в значительных количествах. Его могли доставить туда падавшие в прошлом ядра комет. Испарившаяся во время ударов вода, попав в зону, куда не проникают солнечные лучи, должна была превратиться в ледяные кристаллики и осесть на дне кратеров. Кроме того, водяной пар просачивается из недр планеты и замерзает в холодных ледяных ловушках приполярных кратеров.

Эта версия подтвердилась во время миссии «Мессенджера». Дистанционные измерения «Мессенджера» показали, что в некоторых кратерах вблизи полюсов температура никогда не повышается выше 50 К (-223 °С). Напластования льда оцениваются в десятки метров. Площадь ледников только в трех крупных кратерах оценивается в 3,4 тысячи квадратных километров. Вероятно, не меньшие запасы льда содержится под слоем грунта и пыли на низких равнинах, окружающих кратеры, а также в нескольких обнаруженных вблизи полюсов примерно пятикилометровых воронкообразных депрессиях. Общая масса водяного льда в полярных областях Меркурия оценивается в триллионы тонн.

Лед медленно сублимирует — ледники теряют молекулы воды, уходящие в космос. Этому может препятствовать корка богатой органикой пыли на поверхности льда, которая, согласно целому ряду фактов наблюдений, там присутствует. Отложения льда, по-видимому, находятся в динамическом равновесии между двумя противоположными процессами — намерзанием и сублимацией.

Меркурий продолжает привлекать интерес ученых. Неоднократно откладывавшийся старт зонда «BepiColombo» (названного в честь итальянского математика Джузеппе Коломбо) назначен с космодрома Куру на октябрь 2018 года. К Меркурию должны отправиться два аппарата: европейский МРО (11 научных приборов, включая два российских) и японский ММО. Перелет к Меркурию с использованием нескольких гравитационных маневров займет семь лет. Прибытие зондов к планете назначения и выход на орбиту вокруг Меркурия планируется на декабрь 2025 года.

У Меркурия нет спутников. Существует гипотеза, в соответствии с которой сам Меркурий мог в прошлом являться спутником соседней планеты — Венеры. Еще в 1976 г. численное моделирование, выполненное Ван Фландерном и Харрингтоном, показало, что Меркурий, являясь спутником Венеры, из-за приливного торможения мог за 0,5—1,5 млрд лет удалиться от Венеры на расстояние около 450 000 км, с которого перейти на вытянутую околосолнечную орбиту, став самостоятельной планетой. Эта гипотеза не противоречит законам физики и в принципе могла реализоваться на практике. Однако большая полуось получившейся орбиты, согласно расчетам, должна быть значительно больше наблюдаемой. Кроме того, неясно, как изначально могла сформироваться пара из двух сравнительно массивных тел Венера-Меркурий. Поэтому версия о том, что Меркурий некогда был спутником Венеры не отвергается, но и не считается парадигмой.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Какие экспериментальные данные позволяют считать, что Меркурий обладает массивным железным ядром?
• 2. Перечислите основные формы рельефа Меркурия.
• 3. Почему звездные сутки Меркурия не равны его солнечным суткам?
• 4. Меркурий близок к Солнцу и его дневные температуры очень высоки. Тем не менее, считается, что на Меркурии существуют запасы водяного льда? Какие факты делают возможной эту гипотезу?
• 5. Что известно о магнитном поле Меркурия?
• 6. У Меркурия нет атмосферы, а у спутника Сатурна Титана, который значительно меньше Меркурия по массе, атмосфера есть. Обоснуйте гипотезу, объясняющую этот феномен.

• 7. Что такое реголит? Есть ли реголит на Земле? Обоснуйте ответ.
• 8. Изложите гипотезы, которые могли бы объяснить дефицит каменных пород у Меркурия по сравнению с железом и никелем, содержащимися в его ядре.
• 9. Каковы основания считать Меркурий бывшим спутником Венеры? Насколько серьезны эти основания?