9.5: 水星
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- 202428
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述水星绕太阳的轨道
- 描述水星的结构和成分
- 解释水星轨道和旋转之间的关系
- 描述水星表面的地形和特征
- 总结我们对水星起源和演变的看法
水星的轨道
水星在许多方面与月球相似。 像月球一样，它没有大气层，而且它的表面有严重的火山口。 如本章后面所述，它还与月球分享了暴力出生的可能性。
水星是离太阳最近的行星，根据开普勒第三定律，它绕太阳的旋转周期最短（我们88天），平均轨道速度最高（每秒48千米）。 它恰当地以罗马人的舰队信使之神命名。 由于水星仍然靠近太阳，因此可能很难从天上捡出来。 正如你所预料的那样，当它的偏心轨道使它尽可能远离太阳时，最好看到它。
水星轨道的半长轴（即行星与太阳的平均距离）为5,800万千米，或0.39 AU。 但是，由于水星的轨道具有0.206的高偏心率，因此水星与太阳的实际距离从近日点的4600万公里到远日点的7,000万千米不等（描述轨道的概念和术语是在《轨道和重力》中引入的）。
组成和结构
水星的质量是地球的八分之一，使其成为最小的陆地行星。 水星是最小的行星（矮行星除外），直径为4878千米，不到地球的一半。 水星的密度为5.4 g/cm3，远高于月球的密度，这表明这两个物体的组成有很大的不同。
水星的成分是它最有趣的事情之一，使其在行星中独一无二。 水星的高密度告诉我们，它必须主要由金属等较重的材料组成。 水星内部最有可能的模型表明，金属铁镍芯占总质量的60％，而地球的其余部分主要由硅酸盐组成。 岩心直径为 3500 千米，向外延伸至地面 700 千米以内。 我们可以把水星看作是一个像月球一样大小的金属球，周围环绕着700千米厚的岩壳（图\(\PageIndex{1}\)）。 与月球不同，水星的磁场确实很弱。 这种磁场的存在与大型金属芯的存在是一致的，它表明至少有一部分铁芯必须是液态才能产生观测到的磁场。 1
示例\(\PageIndex{1}\)：世界密度
物体的平均密度等于其质量除以体积。 对于球体，密度为：
\[ \text{density }= \frac{\text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} \nonumber\]
当航天器飞过人体时，天文学家可以准确地测量质量和半径。
使用本章中的信息，我们可以计算出月球的近似平均密度。
解决方案
对于球体来说，
\[ \text{density } = \frac{ \text{mass}}{\frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{7.35 \times 10^{22} \text{ kg}}{4.2 \times 5.2 \times 10^{18} \text{ m}^3} = 3.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber\]
表中\(9.1.1\)给出的值为 3.3 g/cm 3，即 3.3×10 3 kg/m 3。
练习\(\PageIndex{1}\)
使用本章中的信息，计算水星的平均密度。 展示你的作品。 您的计算是否与我们在本章中给出的数字一致？
- 回答
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\[ \text{density } = \frac{ \text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{3.3 \times 10^{23} \text{ kg}}{ 4.2 \times 1.45 \times 10^{19} \text{ m}^3} = 5.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber\]
当 g/cm 3 转换为 kg/m 3\(9.1.1\) 时，这与表中给出的值相匹配。
水星的奇异旋转
曾经有人认为，对水星模糊表面标记的视觉研究表明，这颗行星与太阳保持了一张脸（就像月球对待地球一样）。 因此，多年来，人们普遍认为水星的旋转周期等于其88天的旋转周期，这使得一侧永久变热，而另一侧总是很冷。
然而，1960年代中期对水星的雷达观测最终表明，水星没有将一侧固定在太阳上。 如果一颗行星在转动，则一侧似乎正在接近地球，而另一侧正在远离地球。 由此产生的多普勒偏移将精确传输的雷达波频率扩散或扩大到反射信号中的一系列频率（图\(\PageIndex{2}\)）。 展宽度可以精确测量行星的旋转速度。
水星的旋转周期（相对于遥远的恒星转动需要多长时间）为59天，这只是地球革命周期的三分之二。 随后，天文学家发现，行星（年份）的自旋和轨道（其年份）的比例为 2:3 的情况证明是稳定的。 （有关这么长的一天对水星的影响的更多信息，请参阅下方的方框。）
水星靠近太阳，白天非常炎热；但是由于没有明显的大气层，在漫长的夜晚它会变得异常寒冷。 中午时分，地表温度升至 700 K（430 °C）。 但是，日落之后，温度会下降，在黎明前达到100 K（—170 °C）。 （在两极附近根本没有阳光照射的陨石坑里，天气甚至更冷。） 因此，水星的温度范围为600 K（或600 °C），比任何其他星球上的温度差异都要大。
一天有什么不同
水星每绕太阳绕两个轨道旋转三次。 它是唯一一颗在自旋和轨道之间表现出这种关系的行星，对于任何有朝一日可能驻扎在水星表面的观察者来说，都会产生一些有趣的后果。
在地球上，我们理所当然地认为日子比几年短得多。 因此，就大多数实际目的而言，定义局部 “日” 的两种天文学方法——行星旋转需要多长时间和太阳返回到天空中的相同位置需要多长时间——在地球上是相同的。 但是水星的情况并非如此。 当水星在 59 个地球日内旋转（旋转一次）时，太阳回到水星天空中同一个位置的时间竟然是两个水星年，即 176 个地球日。 （请注意，这个结果在直观上并不明显，所以如果你没想出来，也不要生气。） 因此，如果有一天中午一位水星探险家向她的同伴建议他们应该在第二天中午见面，这可能意味着相隔很长时间！
为了让事情变得更有趣，回想一下水星有一个偏心轨道，这意味着在每个水星年中，它与太阳的距离差异很大。 根据开普勒定律，当行星离太阳最近时，行星在其轨道上移动得最快。 让我们来看看这如何影响我们在176个地球日周期中看待天空中太阳的方式。 我们将看待这种情况，就好像我们站在水星表面上的一个天文学家称之为卡洛里斯的巨大盆地的中心一样（图\(\PageIndex{4}\)）。
在卡洛里斯的位置，水星在日出时离太阳的距离最远；这意味着初升的太阳在天空中看起来更小（尽管仍然是它在地球上出现的大小的两倍多）。 随着太阳升得越来越高，它看起来越来越大；水星现在在偏心轨道上越来越接近太阳。 同时，随着水星在轨道上更快的运动开始赶上其旋转，太阳的视在运动速度减慢。
中午时分，太阳现在比从地球上看的要大三倍，几乎一动不动地悬挂在天空中。 随着午后的过去，太阳显得越来越小，在天空中移动得越来越快。 日落时分，即整个水星年（或日出后的88个地球日），太阳在看不见时恢复到最小的表观大小。 然后，水星还需要一年的时间才能使太阳再次升起。 （顺便说一句，水星的日出和日落要突然得多，因为没有大气可以弯曲或散射阳光。）
天文学家称像卡洛里斯盆地这样的地点为水星上的 “高经度”，因为太阳在中午离地球最近，而正当太阳在头顶徘徊了许多地球日的时候。 这使这些地区成为水星上最热的地方。
我们提出所有这些并不是因为这个场景的确切细节非常重要，而是为了说明我们在地球上认为理所当然的东西中有多少在其他世界中是不一样的。 正如我们之前提到的，参加天文学课的最好的事情之一应该是永远摆脱你可能拥有的任何 “地球沙文主义”。 我们星球上的事物状态只是大自然可以安排现实的众多方式之一。
水星的表面
第一次近距离观察水星是在1974年，当时美国航天器水手10号飞越了距离地球表面9500千米的距离，向地球传输了2000多张照片，揭示了分辨率低至150米的细节。 随后，MESSENGER航天器详细绘制了这颗行星的地图，该航天器于2004年发射，在地球、金星和水星上进行了多次飞越，然后于2011年进入环绕水星的轨道。 它的生命于2015年结束，当时它被命令坠入地球表面。
水星的表面在外观上与月球非常相似（图\(\PageIndex{3}\)和图\(\PageIndex{4}\)）。 它覆盖着数千个火山口和直径可达 1300 千米的较大盆地。 一些较亮的陨石坑会被射出，例如月球上的第谷和哥白尼，还有许多有中心山峰。 还有高超过一公里、长达数百公里的陡坡（悬崖），还有山脊和平原。
MESSENGER 仪器测量了表面成分并绘制了过去的火山活动地图。 它最重要的发现之一是验证了两极附近陨石坑中的水冰（首先由雷达探测到），类似于月球的情况，以及出人意料地发现了与水冰混合的有机（富含碳）化合物。
科学家们使用来自MESSENGER任务的数据，将一个旋转的假色水星地球组合在一起，显示了行星表面组成的一些变化。 你可以看着它旋转。
与在月球上纪念的科学家形成鲜明对比，大多数 mercurian 特色都是为了纪念艺术家、作家、作曲家和其他艺术和人文学科的贡献者而命名的。 命名的火山口包括巴赫、莎士比亚、托尔斯泰、梵高和斯科特·乔普林。
水星上没有板块构造的证据。 但是，有时可以看到地球上独特的长陡峭穿过陨石坑；这意味着陡峭的形成时间一定比陨石坑晚（图\(\PageIndex{5}\)）。 这些长而弯曲的悬崖似乎起源于水星地壳的轻微压缩。 显然，在其历史上的某个时刻，这颗行星萎缩了，地壳起了皱纹，而且它肯定是在其表面的大部分陨石坑已经形成之后才这样做的。
如果标准的陨石坑时间顺序适用于水星，那么这种收缩肯定发生在过去 40 亿年中，而不是在太阳系猛烈轰炸的初期。
水星的起源
理解水星是如何形成的问题与月球构成所带来的问题相反。 我们已经看到，与月球不同，水星主要由金属组成。 但是，天文学家认为，水星的形成应该与在地球或金星上发现的金属与硅酸盐的比例大致相同。 它怎么会丢失这么多岩石材料？
水星硅酸盐流失的最可能的解释可能与月球缺少金属芯的解释相似。 水星很可能在年轻时就经历过几次巨大的冲击，其中一次或多次可能已经撕掉了地幔和地壳的一小部分，使人体以铁芯为主。
你可以关注美国宇航局关于水星的最新研究，并在 MESSENGER 网页上看到一些有用的动画。
如今，天文学家认识到，早期的太阳系是一个混乱的地方，行星形成的最后阶段的特点是巨大的暴力冲击。 一些行星质量的物体已被摧毁，而另一些则可能已经破碎然后重建，可能不止一次。 月球和水星都有其奇怪的构成，见证了太阳系年轻时必然会发生的灾难。
摘要
水星是离太阳最近的行星，也是移动速度最快的行星。 水星与月球相似，它具有严重的火山口表面并且没有大气层，但它的不同之处在于它有一个非常大的金属芯。 在演化初期，它显然失去了部分硅酸盐地幔，这可能是由于一次或多次巨大的撞击。 水星表面的长陡峭证明了在过去40亿年中，水星地壳在全球范围内受到压缩。
脚注
1 回想一下《辐射与光谱》一章，磁性是移动电荷的影响。 在金属原子中，外部电子更容易移开，当金属呈液态并且可以流动时，它们会形成电流。