9.5: الزئبق
- Page ID
- 197235
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف مدار عطارد حول الشمس
- وصف هيكل الزئبق وتكوينه
- شرح العلاقة بين مدار عطارد ودورانه
- وصف تضاريس وخصائص سطح عطارد
- لخص أفكارنا حول أصل وتطور عطارد
مدار عطارد
يشبه كوكب عطارد القمر من نواح كثيرة. مثل القمر، ليس له غلاف جوي، وسطحه محفور بشدة. كما هو موضح لاحقًا في هذا الفصل، فإنه يشارك القمر أيضًا احتمال الولادة العنيفة.
عطارد هو أقرب كوكب إلى الشمس، ووفقًا لقانون كيبلر الثالث، فإنه يتمتع بأقصر فترة من الثورة حول الشمس (88 من أيامنا) وأعلى متوسط سرعة مدارية (48 كيلومترًا في الثانية). تم تسميته بشكل مناسب على اسم إله الرسول الروماني ذو الأقدام الأسطولية. نظرًا لأن عطارد لا يزال قريبًا من الشمس، فقد يكون من الصعب مشاهدته في السماء. كما قد تتوقع، من الأفضل رؤيته عندما يأخذه مداره غريب الأطوار بعيدًا عن الشمس قدر الإمكان.
يبلغ المحور شبه الرئيسي لمدار عطارد - أي متوسط مسافة الكوكب من الشمس - 58 مليون كيلومتر، أو 0.39 AU. ومع ذلك، نظرًا لأن مداره يحتوي على انحراف مركزي مرتفع يبلغ 0.206، فإن المسافة الفعلية لعطارد من الشمس تتراوح من 46 مليون كيلومتر عند الحضيض إلى 70 مليون كيلومتر عند الأوج (تم إدخال الأفكار والمصطلحات التي تصف المدارات في المدارات والجاذبية).
التكوين والهيكل
تبلغ كتلة عطارد ثُمن كتلة الأرض، مما يجعله أصغر كوكب أرضي. عطارد هو أصغر كوكب (باستثناء الكواكب القزمية)، حيث يبلغ قطره 4878 كيلومترًا، أي أقل من نصف قطر الأرض. تبلغ كثافة الزئبق 5.4 جم/سم 3، وهي أكبر بكثير من كثافة القمر، مما يشير إلى أن تكوين هذين الجسمين يختلف اختلافًا كبيرًا.
تعد تركيبة عطارد واحدة من أكثر الأشياء إثارة للاهتمام وتجعلها فريدة من نوعها بين الكواكب. تخبرنا الكثافة العالية للزئبق أنه يجب أن يتكون بشكل كبير من مواد أثقل مثل المعادن. تشير النماذج الأكثر احتمالاً للجزء الداخلي من عطارد إلى نواة معدنية من الحديد والنيكل تصل إلى 60٪ من الكتلة الكلية، بينما تتكون بقية الكوكب بشكل أساسي من السيليكات. يبلغ قطر النواة 3500 كيلومتر وتمتد إلى 700 كيلومتر من السطح. يمكن أن نفكر في عطارد ككرة معدنية بحجم القمر محاطة بقشرة صخرية بسمك 700 كيلومتر (الشكل\(\PageIndex{1}\)). على عكس القمر، يحتوي عطارد على مجال مغناطيسي ضعيف. يتوافق وجود هذا المجال مع وجود نواة معدنية كبيرة، ويشير إلى أن جزءًا على الأقل من النواة يجب أن يكون سائلًا من أجل توليد المجال المغناطيسي المرصود. 1
مثال\(\PageIndex{1}\): كثافات العوالم
متوسط كثافة الجسم يساوي كتلته مقسومًا على حجمه. بالنسبة للكرة، الكثافة هي:
\[ \text{density }= \frac{\text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} \nonumber\]
يمكن لعلماء الفلك قياس كل من الكتلة ونصف القطر بدقة عندما تطير مركبة فضائية بجانب الجسم.
باستخدام المعلومات الواردة في هذا الفصل، يمكننا حساب متوسط الكثافة التقريبي للقمر.
الحل
بالنسبة إلى المجال،
\[ \text{density } = \frac{ \text{mass}}{\frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{7.35 \times 10^{22} \text{ kg}}{4.2 \times 5.2 \times 10^{18} \text{ m}^3} = 3.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber\]
\(9.1.1\)يعطي الجدول قيمة 3.3 جم/سم 3، أي 3.3 × 10 3 كجم/م 3.
التمارين\(\PageIndex{1}\)
باستخدام المعلومات الواردة في هذا الفصل، احسب متوسط كثافة الزئبق. اعرض عملك. هل تتفق حساباتك مع الشكل الذي نقدمه في هذا الفصل؟
- إجابة
-
\[ \text{density } = \frac{ \text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{3.3 \times 10^{23} \text{ kg}}{ 4.2 \times 1.45 \times 10^{19} \text{ m}^3} = 5.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber\]
يطابق ذلك القيمة المعطاة في الجدول\(9.1.1\) عندما يتم تحويل g/cm 3 إلى kg/m 3.
دوران عطارد الغريب
كان يُعتقد في السابق أن الدراسات المرئية لعلامات سطح عطارد غير الواضحة تشير إلى أن الكوكب احتفظ بوجه واحد للشمس (كما يفعل القمر مع الأرض). وهكذا، لسنوات عديدة، كان يُعتقد على نطاق واسع أن فترة دوران عطارد كانت مساوية لفترة ثورته البالغة 88 يومًا، مما جعل أحد الجانبين ساخنًا دائمًا بينما كان الآخر باردًا دائمًا.
ومع ذلك، أظهرت الملاحظات الرادارية لعطارد في منتصف الستينيات بشكل قاطع أن عطارد لا يبقي جانبًا واحدًا ثابتًا تجاه الشمس. إذا كان الكوكب يدور، يبدو أن أحد الجانبين يقترب من الأرض بينما يبتعد الآخر عنها. يعمل تحول دوبلر الناتج على نشر أو توسيع تردد موجة الرادار المرسلة الدقيقة إلى نطاق من الترددات في الإشارة المنعكسة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). توفر درجة التوسيع قياسًا دقيقًا لمعدل دوران الكوكب.
تبلغ فترة دوران عطارد (المدة التي يستغرقها الدوران فيما يتعلق بالنجوم البعيدة) 59 يومًا، أي ثلثي فترة ثورة الكوكب فقط. بعد ذلك، وجد علماء الفلك أن الحالة التي يكون فيها دوران الكوكب ومداره (عامه) بنسبة 2:3 يتبين أنها مستقرة. (انظر المربع أدناه لمعرفة المزيد عن تأثيرات مثل هذا اليوم الطويل على الزئبق.)
نظرًا لقربه من الشمس، يكون الجو حارًا جدًا في ضوء النهار؛ ولكن نظرًا لعدم وجود جو ملموس فيه، فإنه يصبح باردًا بشكل مدهش خلال الليالي الطويلة. ترتفع درجة الحرارة على السطح إلى 700 K (430 درجة مئوية) في وقت الظهيرة. ولكن بعد غروب الشمس، تنخفض درجة الحرارة لتصل إلى 100 كلفن (-170 درجة مئوية) قبل الفجر مباشرة. (يكون الجو أكثر برودة في الفوهات القريبة من القطبين التي لا تتلقى ضوء الشمس على الإطلاق.) وبالتالي فإن نطاق درجة الحرارة على عطارد هو 600 كلفن (أو 600 درجة مئوية)، وهو فرق أكبر من أي كوكب آخر.
ما الفرق الذي يحدثه اليوم
يدور الزئبق ثلاث مرات لكل مدارين حول الشمس. إنه الكوكب الوحيد الذي يُظهر هذه العلاقة بين دورانه ومداره، وهناك بعض العواقب المثيرة للاهتمام لأي مراقب قد يتمركز يومًا ما على سطح عطارد.
هنا على الأرض، نعتبر أن الأيام أقصر بكثير من السنوات. لذلك، فإن الطريقتين الفلكيتين لتحديد «اليوم» المحلي - المدة التي يستغرقها الكوكب للدوران والمدة التي تستغرقها الشمس للعودة إلى نفس الموضع في السماء - هي نفسها على الأرض لمعظم الأغراض العملية. لكن هذا ليس هو الحال بالنسبة لعطارد. بينما يدور عطارد (يدور مرة واحدة) في 59 يومًا من أيام الأرض، يتبين أن وقت عودة الشمس إلى نفس المكان في سماء عطارد هو سنتان من عطارد، أو 176 يومًا من أيام الأرض. (لاحظ أن هذه النتيجة ليست واضحة بشكل بديهي، لذلك لا تنزعج إذا لم تتوصل إليها.) وبالتالي، إذا اقترح مستكشف ميركوري يومًا ما ظهرًا على رفيقتها أن يجتمعوا ظهرًا في اليوم التالي، فقد يعني ذلك فترة طويلة جدًا من الانفصال!
لجعل الأمور أكثر إثارة للاهتمام، تذكر أن عطارد له مدار غريب الأطوار، مما يعني أن بعده عن الشمس يختلف بشكل كبير خلال كل عام زئبقي. وفقًا لقانون كيبلر، يتحرك الكوكب بشكل أسرع في مداره عندما يكون أقرب إلى الشمس. دعونا نفحص كيف يؤثر ذلك على الطريقة التي سنرى بها الشمس في السماء خلال دورة واحدة مدتها 176 يومًا من الأرض. سننظر إلى الموقف كما لو كنا نقف على سطح عطارد في وسط حوض عملاق يسميه علماء الفلك كالوريس (الشكل\(\PageIndex{4}\)).
في موقع كالوريس، يكون عطارد أبعد ما يكون عن الشمس عند شروق الشمس؛ وهذا يعني أن الشمس المشرقة تبدو أصغر في السماء (على الرغم من أنها لا تزال أكثر من ضعف حجمها من الأرض). عندما تشرق الشمس لأعلى ولأعلى، تبدو أكبر وأكبر؛ يقترب عطارد الآن من الشمس في مداره الغريب. في الوقت نفسه، تتباطأ الحركة الظاهرة للشمس عندما تبدأ حركة عطارد الأسرع في المدار في اللحاق بدورانها.
عند الظهيرة، أصبحت الشمس الآن أكبر بثلاث مرات مما تبدو عليه من الأرض وتتدلى بلا حراك تقريبًا في السماء. مع حلول فترة ما بعد الظهيرة، تبدو الشمس أصغر وأصغر، وتتحرك بشكل أسرع وأسرع في السماء. عند غروب الشمس، عام عطارد كامل (أو 88 يومًا من الأرض بعد شروق الشمس)، تعود الشمس إلى أصغر حجم ظاهر لها عندما تنخفض بعيدًا عن الأنظار. ثم يستغرق الأمر عامًا آخر من عطارد قبل شروق الشمس مرة أخرى. (بالمناسبة، يكون شروق الشمس وغروبها مفاجئًا جدًا على عطارد، نظرًا لعدم وجود جو لثني أو تشتيت أشعة الشمس.)
يطلق علماء الفلك على مواقع مثل حوض كالوريس اسم «خطوط الطول الساخنة» على كوكب عطارد لأن الشمس هي الأقرب إلى الكوكب عند الظهيرة، تمامًا عندما تظل فوق سطح الأرض لعدة أيام. هذا يجعل هذه المناطق أكثر الأماكن سخونة في ميركوري.
نحن نطرح كل هذا ليس لأن التفاصيل الدقيقة لهذا السيناريو مهمة جدًا ولكن لتوضيح عدد الأشياء التي نعتبرها أمرًا مفروغًا منه على الأرض ليست هي نفسها في عوالم أخرى. كما ذكرنا سابقًا، يجب أن يكون أحد أفضل الأشياء في حضور فصل علم الفلك هو تخليصك إلى الأبد من أي «شوفينية أرضية» قد تكون لديك. إن الطريقة التي تسير بها الأشياء على كوكبنا هي مجرد واحدة من الطرق العديدة التي يمكن بها للطبيعة ترتيب الواقع.
سطح الزئبق
جاءت أول نظرة عن قرب على عطارد في عام 1974، عندما مرت المركبة الفضائية الأمريكية Mariner 10 بـ 9500 كيلومتر من سطح الكوكب وأرسلت أكثر من 2000 صورة إلى الأرض، وكشفت تفاصيل بدقة تصل إلى 150 مترًا. بعد ذلك، تم رسم خريطة الكوكب بتفصيل كبير بواسطة المركبة الفضائية MESSENGER، التي تم إطلاقها في عام 2004 وقامت برحلات جوية متعددة للأرض والزهرة وعطارد قبل أن تستقر في مدار حول عطارد في عام 2011. لقد أنهت حياتها في عام 2015، عندما طُلب منها الاصطدام بسطح الكوكب.
يشبه سطح عطارد بشدة القمر في المظهر (الشكل\(\PageIndex{3}\) والشكل\(\PageIndex{4}\)). وهي مغطاة بآلاف الحفر والأحواض الكبيرة التي يصل قطرها إلى 1300 كيلومتر. يتم مسح بعض الفوهات الأكثر سطوعًا، مثل تايكو وكوبرنيكوس على القمر، والعديد منها يحتوي على قمم مركزية. هناك أيضًا منحدرات (منحدرات) يزيد ارتفاعها عن كيلومتر وطولها مئات الكيلومترات، فضلاً عن التلال والسهول.
قامت أجهزة MESSENGER بقياس تكوين السطح ورسم خريطة للنشاط البركاني السابق. كان من أهم اكتشافاتها التحقق من الجليد المائي (الذي تم اكتشافه لأول مرة بواسطة الرادار) في الحفر بالقرب من القطبين، على غرار الوضع على القمر، والاكتشاف غير المتوقع للمركبات العضوية (الغنية بالكربون) الممزوجة بالثلج المائي.
قام العلماء الذين يعملون مع بيانات من مهمة MESSENGER بتجميع كرة دوارة من عطارد، بلون زائف، مما يُظهر بعض الاختلافات في تكوين سطح الكوكب. يمكنك مشاهدته وهو يدور.
تم تسمية معظم الميزات الزئبقية تكريمًا للفنانين والكتاب والملحنين والمساهمين الآخرين في الفنون والعلوم الإنسانية، على عكس العلماء الذين تم إحياء ذكراهم على سطح القمر. ومن بين الفوهات المذكورة باخ وشكسبير وتولستوي وفان جوخ وسكوت جوبلين.
لا يوجد دليل على تكتونيات الصفائح على عطارد. ومع ذلك، يمكن أحيانًا رؤية الندبات الطويلة المميزة للكوكب وهي تتقاطع عبر الحفر؛ وهذا يعني أن الندبات يجب أن تكون قد تشكلت في وقت متأخر عن الحفر (الشكل\(\PageIndex{5}\)). يبدو أن أصل هذه المنحدرات الطويلة والمنحنية هو الضغط الطفيف لقشرة عطارد. على ما يبدو، في مرحلة ما من تاريخه، انكمش الكوكب، مما أدى إلى تجعد القشرة، ولا بد أنه فعل ذلك بعد تشكل معظم الحفر على سطحه بالفعل.
إذا كان التسلسل الزمني القياسي للحفر ينطبق على عطارد، فلا بد أن يكون هذا الانكماش قد حدث خلال الأربعة مليارات سنة الماضية وليس خلال الفترة المبكرة من القصف العنيف للنظام الشمسي.
أصل الزئبق
إن مشكلة فهم كيفية تشكل عطارد هي عكس المشكلة التي يطرحها تكوين القمر. لقد رأينا أنه على عكس القمر، يتكون عطارد في الغالب من المعدن. ومع ذلك، يعتقد علماء الفلك أن الزئبق كان يجب أن يتشكل تقريبًا بنفس نسبة المعدن إلى السيليكات الموجودة على الأرض أو الزهرة. كيف فقدت الكثير من مادتها الصخرية؟
قد يكون التفسير الأكثر احتمالاً لفقدان سيليكات الزئبق مشابهًا لتفسير افتقار القمر إلى نواة معدنية. من المرجح أن يكون الزئبق قد تعرض للعديد من التأثيرات العملاقة في وقت مبكر جدًا من شبابه، وربما تكون واحدة أو أكثر من هذه الآثار قد مزقت جزءًا صغيرًا من غلافه وقشرته، تاركًا الجسم الذي يهيمن عليه قلبه الحديدي.
يمكنك متابعة بعض أحدث أبحاث وكالة ناسا حول ميركوري ومشاهدة بعض الرسوم المتحركة المفيدة على صفحة MESSENGER على الويب.
يدرك علماء الفلك اليوم أن النظام الشمسي المبكر كان مكانًا فوضويًا، حيث اتسمت المراحل الأخيرة من تكوين الكوكب بتأثيرات العنف الشديد. تم تدمير بعض الأجسام ذات الكتلة الكوكبية، في حين كان من الممكن تجزئة البعض الآخر ثم إعادة تشكيله، ربما أكثر من مرة. يشهد كل من القمر وعطارد، بتركيباتهما الغريبة، على الكوارث التي لا بد أنها ميزت النظام الشمسي خلال شبابه.
ملخص
عطارد هو أقرب كوكب إلى الشمس والأسرع تحركًا. يشبه الزئبق القمر في وجود سطح محفور بشدة وبدون غلاف جوي، ولكنه يختلف في امتلاكه لنواة معدنية كبيرة جدًا. في وقت مبكر من تطورها، يبدو أنها فقدت جزءًا من غلاف السيليكات، ربما بسبب واحد أو أكثر من التأثيرات العملاقة. تشهد الندبات الطويلة على سطحه على الانضغاط العالمي لقشرة الزئبق خلال الأربعة مليارات سنة الماضية.
الحواشي
1 تذكر من فصل الإشعاع والطياف أن المغناطيسية هي تأثير الشحنات الكهربائية المتحركة. في ذرات المعادن، يسهل طرد الإلكترونات الخارجية ويمكن أن تشكل تيارًا عندما يكون المعدن في صورة سائلة ويمكن أن يتدفق.