Железная зима на Меркурии
NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington/Goddard Space Flight Center
Самая небольшая, но в то же время ближе всего расположенная к Солнцу планета солнечной системы, до настоящего времени вызывает немало вопросов ученых. Подобно Земле и четырем газовым гигантам – Юпитеру, Урану, Сатурну и Нептуну, Меркурий имеет собственную магнитосферу. Исследования станции MESSENGER помогли немного прояснить природу магнитного слоя данной планеты. Некоторые результаты исследований постепенно включают в ученики и научные монографии. Но каким образом маленькая планета сумела сохранить магнитосферу, определенно ученые пока ответить не могут.
Для возникновения у небесного объекта собственной магнитосферы необходим источник магнитного поля. По убеждению большинства ученых, в данном случае имеет место эффект динамо. Если говорить о нашей планете, то это выглядит следующим образом. В недрах Земли расположено металлическое ядро с жидкой оболочкой и твердым центром. Когда распадаются радиоактивные элементы, происходит выделение тепла, которое приводит к образованию конвективных потоков проводящей жидкости. Эти потоки и производят магнитное поле Земли.
Поле вступает во взаимодействие с потоками заряженных частиц от Солнца – солнечным ветром. В результате образуется космическая плазма, которая имеет собственное магнитное поле. В том случае, если магнитное поле планеты способно выдержать давление солнечной радиации, отклоняя ее на большом расстоянии от поверхности, тогда принято говорить о том, что у планеты имеется собственная магнитосфера. Помимо Земли, Меркурия и газовых гигантов, магнитосфера есть у Ганимеда – самого большого спутника Юпитера.
Остальные планеты и луны Солнечной системы не оказывают солнечному ветру практически никакого сопротивления. Подобное, в частности, происходит на Венере и, как считают некоторые ученые, на Марсе. До настоящего времени природа магнитного поля нашей планеты считается одной из самых больших загадок геофизики. А, по мнению Альберта Эйнштейна, она является одной из пяти основных задач науки.
По словам ученых, это может быть связано с тем, что несмотря на безальтернативность теории геодинамо, она в то же время вызывает немало затруднений. Классическая магнитогидродинамика говорит о том, что эффект динамо должен затухать, а ядро планеты – твердеть после остывания. Но до настоящего времени не существует точного понимания механизмов, за счет которых наша планета поддерживает эффект самогенерации динамо вместе с геомагнитными аномалиями, инверсией и миграцией полюсов и прочими особенностями магнитного поля.
Количественное описание затруднено, вероятно, существенно нелинейным характером задачи. Проблема динамо в случае Меркурия намного более существенна, нежели у Земли. Ученые не могут определить, каким образом столь маленькая планета сумела сохранить свою магнитосферу. Некоторые высказываются в пользу того, что ядро Меркурия находится в жидком состоянии и способно генерировать достаточное количество тепла. Либо существуют определенные механизмы, которые дают возможность этому небесному телу оказывать сопротивление солнечному ветру.
По своим размерам Меркурий примерно в 20 раз меньше и легче нашей планеты. Его средняя плотность схожа с земной. Год на Меркурии длится примерно 88 дней, но данный небесный объект вращается вокруг собственной оси с интервалом порядка 59 суток, не находясь в приливном захвате со светилом. Меркурий отличается от прочих планет Солнечной системы тем, что имеет относительно большое металлическое ядро, на которое приходится около 80 процентов всего радиуса планеты. Ядро нашей планеты, для сравнения, равно примерно половине ее радиуса.
Магнитное поле планеты Меркурий было открыто американской станцией Mariner 10 в 1974 году, когда были зафиксированы всплески высокоэнергетических частиц. Как оказалось, магнитное поле Меркурия слабее земного приблизительно в сто раз, и оно могло бы полностью поместиться в сферу размером с нашу планету. Подобно магнитному полю Земли, поле Меркурия формируется диполем, иными словами, у него есть два, а не четыре, магнитных полюса, как у газовых гигантов.
Самые первые гипотезу, которые пытались объяснить природу магнитосферы Меркурия, ученые предложили в 1970-е годы. Многие из этих теорий основаны на эффекте динамо. Все гипотезу прошли подтверждение в 2011-2015 годах, в тот период, когда американская станция изучала планету. Благодаря данным, полученным при помощи аппарата, удалось выявить необычную геометрию магнитосферы данного небесного тела. В окрестностях Меркурия взаимная перестройка внешних и собственных силовых линий магнитного поля или магнитное пересоединение происходит чаще примерно в десять раз.
За счет этого в магнитосфере планеты образуется немало пустот, которые дают возможность солнечному ветру достигать поверхности Меркурия практически беспрепятственно. Помимо этого, аппарат обнаружил в коре планеты остаточную намагниченность. Ученые попытались оценить нижнюю границу среднего возраста магнитного поля планеты, используя полученные данные. Это значение, по словам исследователей, равно примерно 3,7-3,9 миллиардов лет. Это, по словам ученых, является подтверждением справедливости эффекта динамо для образования глобального магнитного поля Меркурия, а кроме того, наличия у планеты внешнего жидкого ядра.
В то же время, вопросы относительно структуры Меркурия по-прежнему остается открытым. Ученые не исключают, что во внешнем слое ядра планеты могут содержаться металлические хлопья – так называемый железный снег. Данная теория весьма популярна, потому как объясняет наличие собственной магнитосферы Меркурия эффектом динамо, но в то же время допускает очень твердое или очень жидкое ядро внутри планеты и невысокие температуры.
Наукой установлено, что ядра планет земной группы образованы серой и железом. Кроме того, известно, что сера понижает температуру плавления материи ядра, оставляя его в жидком состоянии. Таким образом, чтобы поддерживать эффект динамо, необходимо немного тепла, которого Меркурий вырабатывает и так очень мало. Около десяти лет назад геофизиками было проведено несколько экспериментов, которые показали, что в сторону центра планеты при условии высоких давлений может падать железный снег, а от внутреннего ядра навстречу ему – подниматься жидкая смесь серы и железа. Благодаря этому в недрах планеты и создается эффект динамо.
Данный, полученные при помощи станции MESSENGER, только подтвердили данные предположения. Установленный на аппарате спектрометр показал наличие очень небольшого содержания в вулканических породах небесного объекта железа и прочих тяжелых элементов. Тонкий слой мантии планеты практически лишен железа, и сформирована она почти полностью силикатами. Твердый центр составляет примерно половину радиуса ядра, все остальное приходится на расплавленный слой. Вполне вероятно, между ними находится еще один слой, в котором перемещаются железные хлопья сверху вниз. Плотность ядра примерно в два раза больше плотности мантии, и равна семи тоннам на один кубический метр. Согласно предположениям ученых, сера составляет примерно 4,5 процента массы ядра.
На поверхности планеты Меркурий американский аппарат обнаружил множество складок, разломов и изгибов, что дает возможность предположить тектоническую активность планеты в недавнем прошлом. Ученые полагают, что тектоника и строение внешней коры имеет связь с процессами, которые происходят в недрах планеты. Согласно данным аппарата, в северном полушарии магнитное поле сильнее, нежели в южном. MESSENGER составил гравитационную карту, согласно которой в районе экватора толщина коры примерно на 50 километров больше, нежели на полюсе. Это может означать, что в северных широтах Меркурия силикатная мантия разогрета сильнее, нежели в ее экваториальной части. Эти предположения отлично согласуются с тем, что в северной части были обнаружены относительно молодые траппы. Несмотря на то, что на Меркурии вулканическая активность закончилась около 3,5 миллиардов лет назад, та картина термодиффузии, которая наблюдается в мантии в настоящее время, определена во многом ее прошлым.
В слоях, которые вплотную примыкают к ядру Меркурия, до настоящего времени возможно существование конвективных потоков. В таком случае температура мантии в северном полушарии будет на несколько сотен градусов выше, чем в области экватора. Кроме того, аппаратом было обнаружено, что на одном из участков северной коры остаточное магнитное поле направлено относительно глобального магнитного поля Меркурия в противоположную сторону. По словам ученых, это может означать, что на планете в прошлом как минимум один раз произошла смена полярности магнитного поля.
Подробным изучением Меркурия занимались лишь две станции – MESSENGER и Mariner 10. В то же время, данная планета благодаря наличию собственного магнитного поля, для науки представляет большой интерес. В том случае, если ученым удастся объяснить природу магнитосферы Меркурия, то они, вполне возможно, смогут сделать это и для нашей планеты. В 2018 году планируется запуск третьей, международной (в составе Европейского Союза и Японии) миссии к Меркурию. Предполагается, что полетит несколько станций. Первая должна составить мультиволновую карту поверхности Меркурия. А вторая будет проводить исследования магнитосферы. Первых результатов миссии придется ждать достаточно долго