Меркурий брат Луны

Планеты Солнечной системы. Меркурий – брат Луны.

Меркурий – брат Луны.

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.)

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.

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.

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.

«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.

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?

Автор статьи, кандидат физико-математических наук Ксанфомалити Л.В. (Впервые опубликовано в журнале «Земля и Вселенная» № 1 за 1976 год)