Геология Меркурия — это научное изучение поверхности, коры и недр планеты Меркурий . Она уделяет особое внимание составу, структуре, истории и физическим процессам, которые формируют планету. Она аналогична области земной геологии . В планетной науке термин геология используется в самом широком смысле, чтобы обозначить изучение твердых частей планет и лун. Термин включает в себя аспекты геофизики , геохимии , минералогии , геодезии и картографии . [1]
Исторически Меркурий был наименее изученной из всех планет земной группы в Солнечной системе . Это во многом связано с его близостью к Солнцу , что делает его достижение космическими аппаратами технически сложным, а наблюдения с Земли — затруднительными. В течение десятилетий основным источником геологической информации о Меркурии были 2700 изображений, полученных космическим аппаратом Mariner 10 во время трех пролетов планеты с 1974 по 1975 год. Эти изображения охватывали около 45% поверхности планеты, но многие из них были непригодны для детального геологического исследования из-за высоких углов падения солнечных лучей, что затрудняло определение морфологии и топографии поверхности . [2] Этот дефицит информации был значительно компенсирован космическим аппаратом MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging ( MESSENGER ), который в период с 2008 по 2015 год собрал более 291 000 изображений [3], охватывающих всю планету, а также множество других научных данных. Космический аппарат BepiColumbo Европейского космического агентства (ESA) , который должен выйти на орбиту вокруг Меркурия в 2025 году, как ожидается, поможет ответить на многие из оставшихся вопросов о геологии Меркурия.
На поверхности Меркурия преобладают ударные кратеры , базальтовые породы и гладкие равнины, многие из которых являются результатом вулканического наводнения , в некоторых отношениях похожего на лунные моря , [4] [5] и локально пирокластические отложения. [6] Другие примечательные особенности включают в себя жерла, которые, по-видимому, являются источником долин, высеченных магмой, часто сгруппированные неправильной формы углубления, называемые «впадинами», которые, как полагают, являются результатом обрушившихся магматических камер, [7] уступы, указывающие на сбросовые сбросы, и минеральные отложения (возможно, льда) внутри кратеров на полюсах. Долгое время считавшиеся геологически неактивными, новые данные свидетельствуют о том, что все еще может быть некоторый уровень активности. [8] [9]
Плотность Меркурия подразумевает твердое богатое железом ядро, которое составляет около 60% его объема (75% его радиуса). [10] Магнитный экватор Меркурия смещен почти на 20% радиуса планеты к северу, что является наибольшим отношением среди всех планет. [11] Это смещение предполагает, что ядро окружено одним или несколькими богатыми железом расплавленными слоями, создающими эффект динамо, подобный эффекту Земли. Кроме того, смещенный магнитный диполь может привести к неравномерному выветриванию поверхности солнечным ветром , выбрасывая больше поверхностных частиц в южную экзосферу и перенося их для отложения на севере. Ученые собирают телеметрию , чтобы определить, так ли это. [11]
Достижение Меркурия с Земли сопряжено со значительными техническими трудностями, поскольку планета вращается гораздо ближе к Солнцу, чем Земля. Космический корабль, направляющийся к Меркурию и запущенный с Земли, должен пройти 91 миллион километров в гравитационном потенциальном колодце Солнца . [12] Начиная с орбитальной скорости Земли 30 км/с, изменение скорости ( delta-v ), которое должен совершить космический корабль, чтобы выйти на переходную орбиту Хохмана , проходящую вблизи Меркурия, велико по сравнению с другими планетарными миссиями. Потенциальная энергия, высвобождаемая при движении вниз по потенциальному колодцу Солнца, становится кинетической энергией ; требуется еще одна большая delta- v, чтобы сделать что-либо, кроме быстрого прохождения мимо Меркурия. Чтобы безопасно приземлиться или выйти на стабильную орбиту, космический корабль должен полностью полагаться на ракетные двигатели, поскольку у Меркурия незначительная атмосфера. Прямой полет к Меркурию на самом деле требует больше ракетного топлива, чем требуется для полного выхода из Солнечной системы. В результате только три космических зонда, Mariner 10 , MESSENGER и BepiColombo , посетили Меркурий до сих пор.
Кроме того, космическая среда вблизи Меркурия является сложной и представляет для космических аппаратов двойную опасность: интенсивную солнечную радиацию и высокие температуры.
Исторически вторым препятствием было то, что период вращения Меркурия составляет 58 земных дней [13], поэтому пролеты космических аппаратов ограничены просмотром только одного освещенного полушария. К сожалению, хотя космический зонд Mariner 10 пролетал мимо Меркурия трижды в 1974 и 1975 годах, он наблюдал одну и ту же область во время каждого пролета. Это было связано с тем, что орбитальный период Mariner 10 был почти точно равен 3 сидерическим меркурианским дням, и одна и та же сторона планеты была освещена при каждом близком сближении. В результате было нанесено на карту менее 45% поверхности планеты.
Наземные наблюдения затруднены постоянной близостью Меркурия к Солнцу. Это имеет несколько последствий:
Подобно Земле, Луне и Марсу , геологическая история Меркурия делится на эры . От самой старой к самой молодой, это: до-толстовская , толстовская, калорийская, мансурийская и кейперийская. Их возраст основан только на относительном датировании . [14]
После образования Меркурия вместе с остальной частью Солнечной системы 4,6 миллиарда лет назад последовала интенсивная бомбардировка астероидами и кометами. Последняя интенсивная фаза бомбардировки, поздняя интенсивная бомбардировка, закончилась около 3,8 миллиарда лет назад. Некоторые регионы или массивы , наиболее заметным из которых является тот, который сформировал бассейн Калорис , были заполнены извержениями магмы изнутри планеты. Они создали гладкие межкратерные равнины, похожие на моря, обнаруженные на Луне. Позже, по мере того как планета охлаждалась и сжималась, ее поверхность начала трескаться и образовывать хребты; эти поверхностные трещины и хребты можно увидеть поверх других особенностей, таких как кратеры и более гладкие равнины — явное указание на то, что они более поздние. Период вулканизма Меркурия закончился, когда мантия планеты достаточно сжалась, чтобы помешать дальнейшему прорыву лавы на поверхность. Это, вероятно, произошло в какой-то момент в течение ее первых 700 или 800 миллионов лет истории.
С тех пор основными поверхностными процессами стали периодические удары.
Единица времени: миллионы лет
Поверхность Меркурия в целом похожа на поверхность Луны , с обширными морскими равнинами и сильно кратерированными участками, похожими на лунные возвышенности и местами образованными скоплениями пирокластических отложений . [6]
Меркурий по сравнению с Луной имеет редкость валунов ; на Меркурии валунов найдено примерно в тридцать раз меньше, чем на Луне. Объяснением этой редкости является то, что продолжительность жизни валунов Меркурия может быть меньше, чем продолжительность жизни валунов на Луне (около 100 миллионов лет). [15]
Валуны, обнаруженные на Меркурии, связаны со свежими ударными кратерами диаметром в сотни метров и более. [16]
Кратеры на Меркурии имеют диаметр от небольших чашеобразных кратеров до многокольцевых ударных бассейнов в сотни километров в поперечнике. Они появляются во всех стадиях деградации, от относительно свежих лучистых кратеров до сильно деградировавших остатков кратеров. Меркурианские кратеры немного отличаются от лунных кратеров — протяженность их выброшенных слоев намного меньше, что является следствием в 2,5 раза более сильной поверхностной гравитации на Меркурии. [14]
Самый большой известный кратер — огромный бассейн Калорис , диаметром 1550 км. [17] Бассейн сопоставимого размера, предварительно названный бассейном Скинакас , был постулирован на основе низкоразрешающих наземных наблюдений за полушарием, не сфотографированным Mariner, но не был обнаружен на снимках MESSENGER соответствующей местности. Удар, который создал бассейн Калорис, был настолько мощным, что его последствия видны в глобальном масштабе. Он вызвал извержения лавы и оставил концентрическое кольцо высотой более 2 км, окружающее ударный кратер . На антиподе бассейна Калорис находится большой регион необычной, холмистой и изрезанной местности, иногда называемой «Странной местностью». Предпочтительная гипотеза о происхождении этой геоморфологической единицы заключается в том, что ударные волны, образовавшиеся во время удара, распространились по всей планете, и когда они сошлись на антиподе бассейна (на 180 градусов), высокие напряжения были способны разрушить поверхность. [18] Гораздо менее популярной была идея, что эта местность образовалась в результате конвергенции выбросов на антиподе этого бассейна. Более того, формирование бассейна Калорис, по-видимому, создало неглубокую впадину, концентрическую вокруг бассейна, которая позже была заполнена гладкими равнинами (см. ниже).
В целом на изображенной части Меркурия было выявлено около 15 ударных бассейнов. Другие примечательные бассейны включают в себя 400-километровый, многокольцевой, бассейн Толстой , который имеет эжекторный слой, простирающийся до 500 км от его края, а его дно заполнено гладкими равнинными материалами. Бассейн Бетховена также имеет эжекторный слой схожего размера и диаметр 625 км. [14]
Как и на Луне , свежие кратеры на Меркурии демонстрируют заметные яркие лучевые системы . Они образованы выброшенными обломками, которые, как правило, ярче, пока остаются относительно свежими из-за меньшего количества космического выветривания, чем окружающая старая местность.
Некоторые ударные кратеры на Меркурии имеют некруглые, неправильной формы углубления или ямы на дне. Такие кратеры были названы кратерами с ямами-дном, и члены команды MESSENGER предположили, что такие ямы образовались в результате обрушения подповерхностных магматических камер . Если это предположение верно, то ямы являются свидетельством вулканических процессов, происходящих на Меркурии. [9] Ямчатые кратеры не имеют обода, часто имеют неправильную форму и крутые склоны, и они не показывают связанных с ними выбросов или потоков лавы , но, как правило, имеют отличительный цвет. Например, ямы Праксителя имеют оранжевый оттенок. [19] Ямчатые кратеры, которые считаются свидетельством неглубокой магматической активности, могли образоваться, когда подповерхностная магма стекала в другое место и оставляла область крыши без поддержки, что привело к обрушению и образованию ямы. Основные кратеры, демонстрирующие эти особенности, включают Беккет , Джебран , Лермонтов , Пикассо и Навои , среди прочих. [20] Было высказано предположение, что эти ямы с соответствующими более яркими и красными отложениями могут быть пирокластическими отложениями, вызванными эксплозивным вулканизмом. [6]
На Меркурии есть две геологически различные равнинные единицы: [14] [21]
Дно бассейна Калорис также заполнено геологически отчетливой плоской равниной, разбитой хребтами и разломами в примерно полигональном узоре. Неясно, являются ли они вулканическими лавами, вызванными ударом, или большим слоем ударного расплава. [14]
Одной из необычных особенностей поверхности планеты являются многочисленные складки сжатия, которые пересекают равнины. Считается, что по мере охлаждения недр планеты она сжималась, и ее поверхность начала деформироваться. Складки можно увидеть поверх других особенностей, таких как кратеры и более гладкие равнины, что указывает на то, что они более молодые. [22] Поверхность Меркурия также изогнута значительными приливными выпуклостями, поднятыми Солнцем — приливы Солнца на Меркурии примерно на 17% сильнее, чем приливы Луны на Земле. [23]
Факелы на Меркурии — это яркие области, часто окружающие нерегулярные углубления. Обычно их интерпретируют как пирокластические по своей природе. [24] Все факелы на Меркурии названы с использованием слов на разных языках, означающих змею .
Некратерным элементам поверхности даны следующие названия:
Первые радиолокационные наблюдения Меркурия были проведены радиотелескопами в Аресибо ( Пуэрто -Рико ) и Голдстоуне ( Калифорния , США) при содействии объекта Very Large Array (VLA) Национальной радиоастрономической обсерватории США в Нью-Мексико . Передачи, отправленные с сайта NASA Deep Space Network в Голдстоуне, имели уровень мощности 460 кВт на частоте 8,51 ГГц; сигналы, полученные многотарельчатой антенной решеткой VLA, обнаружили точки радиолокационной отражательной способности (радиолокационной светимости) с деполяризованными волнами от северного полюса Меркурия.
Радиолокационные карты поверхности планеты были сделаны с помощью радиотелескопа Аресибо. Исследование проводилось с использованием радиоволн диапазона УВЧ (2,4 ГГц) мощностью 420 кВт, что позволило получить разрешение 15 км. Это исследование не только подтвердило существование зон высокой отражательной способности и деполяризации, но и обнаружило ряд новых областей (в общей сложности их стало 20) и даже смогло обследовать полюса. Было высказано предположение, что поверхностный лед может быть ответственным за эти высокие уровни светимости, поскольку силикатные породы, из которых состоит большая часть поверхности Меркурия, оказывают прямо противоположное влияние на светимость.
Несмотря на близость к Солнцу, на поверхности Меркурия может быть лед, поскольку температура вблизи полюсов постоянно ниже точки замерзания: на полярных равнинах температура не поднимается выше −106 °C. Кратеры на более высоких широтах Меркурия (обнаруженные также с помощью радиолокационных исследований с Земли) могут быть достаточно глубокими, чтобы защитить лед от прямого солнечного света. Внутри кратеров, где нет солнечного света, температура падает до −171 °C. [25]
Несмотря на сублимацию в вакуум космоса, температура в постоянно затененной области настолько низка, что эта сублимация происходит достаточно медленно, чтобы потенциально сохранить отложившийся лед на миллиарды лет.
На Южном полюсе местоположение большой зоны высокой отражательной способности совпадает с местоположением кратера Чао Мэн-Фу , а также были идентифицированы другие небольшие кратеры, содержащие отражательные области. На Северном полюсе ряд кратеров, меньших, чем Чао-Мэн-Фу, имеют эти отражательные свойства.
Сила отражений радара, наблюдаемых на Меркурии, мала по сравнению с той, которая наблюдалась бы при наличии чистого льда. Это может быть связано с отложением порошка, которое не покрывает поверхность кратера полностью, или с другими причинами, например, тонким слоем поверхности. Однако доказательства наличия льда на Меркурии не являются окончательными. Аномальные отражательные свойства также могут быть связаны с существованием отложений сульфатов металлов или других материалов с высокой отражательной способностью.
Меркурий не уникален тем, что имеет кратеры, которые находятся в постоянной тени; на южном полюсе Луны есть большой кратер ( Эйткен ), где были замечены некоторые возможные признаки присутствия льда (хотя их интерпретация оспаривается). Астрономы полагают, что лед как на Меркурии, так и на Луне, должно быть, возник из внешних источников, в основном из-за столкновений с кометами . Известно, что они содержат большое количество или большую часть льда. Поэтому вполне возможно, что удары метеоритов отложили воду в постоянно находящихся в тени кратерах, где она оставалась бы не нагретой в течение, возможно, миллиардов лет из-за отсутствия атмосферы для эффективного проведения тепла и стабильной ориентации оси вращения Меркурия .
На основе исследований, опубликованных в марте 2020 года, могут быть получены научные данные, подтверждающие, что некоторые части планеты Меркурий могли быть пригодны для жизни , и, возможно, на планете могли существовать формы жизни , хотя, скорее всего, примитивные микроорганизмы . [26] [27]