Геология Меркурия — это научное исследование поверхности, коры и недр планеты Меркурий . Он подчеркивает состав, структуру, историю и физические процессы, которые формируют планету. Это аналогично области земной геологии . В планетологии термин геология используется в самом широком смысле и означает изучение твердых частей планет и спутников. Этот термин включает в себя аспекты геофизики , геохимии , минералогии , геодезии и картографии . [1]
Исторически Меркурий был наименее изучен из всех планет земной группы Солнечной системы . Во многом это связано с его близостью к Солнцу , что делает достижение его космическими кораблями технически сложным, а наблюдения с Земли — затруднительным. На протяжении десятилетий основным источником геологической информации о Меркурии были 2700 изображений, полученных космическим кораблем «Маринер-10» во время трех пролетов планеты с 1974 по 1975 год. Эти изображения покрывали около 45% поверхности планеты, но многие из них были непригодными. для детального геологического исследования из-за большого угла наклона солнца, что затрудняло определение морфологии и топографии поверхности . [2] Эту нехватку информации значительно компенсировал космический аппарат «Меркурий: поверхность, космическая среда, геохимия и ранжирование» ( MESSENGER ), который в период с 2008 по 2015 год собрал более 291 000 изображений [3] , охватывающих всю планету, а также множество других научных данных. данные. Ожидается, что космический корабль BepiColumbo Европейского космического агентства (ЕКА) , который должен выйти на орбиту вокруг Меркурия в 2025 году, поможет ответить на многие оставшиеся вопросы о геологии Меркурия.
На поверхности Меркурия преобладают ударные кратеры , базальтовые породы и гладкие равнины, многие из которых являются результатом паводкового вулканизма , в некоторых отношениях похожих на лунные моря , [4] [5] и местами пирокластических отложений. [6] Другие примечательные особенности включают жерла , которые, по всей видимости, являются источником вырезанных магмой долин, часто сгруппированные впадины неправильной формы, называемые «впадинами», которые, как полагают, являются результатом обрушения магматических камер, [7] уступы , указывающие на надвиги. разломы и отложения полезных ископаемых (возможно, льда) внутри кратеров на полюсах. Долгое время считалось, что оно геологически неактивно, но новые данные свидетельствуют о том, что некоторый уровень активности все еще может существовать. [8] [9]
Плотность Меркурия подразумевает наличие твердого богатого железом ядра, которое составляет около 60% его объема (75% его радиуса). [10] Магнитный экватор Меркурия сдвинут почти на 20% радиуса планеты к северу, что является самым большим соотношением среди всех планет. [11] Этот сдвиг предполагает наличие одного или нескольких богатых железом расплавленных слоев, окружающих ядро, создающих эффект динамо, аналогичный земному. Кроме того, смещение магнитного диполя может привести к неравномерному выветриванию поверхности солнечным ветром , выбрасывая больше поверхностных частиц в южную экзосферу и перенося их на отложения на севере. Ученые собирают телеметрические данные , чтобы определить, так ли это. [11]
После завершения первого солнечного дня своей миссии в сентябре 2011 года более 99% поверхности Меркурия было нанесено на карту зондом НАСА « Мессенджер» как в цвете, так и в монохромном режиме с такой детализацией, что понимание учёными геологии Меркурия значительно превзошло уровень достигнуто после пролетов Mariner 10 в 1970-х годах. [7]
Достижение Меркурия с Земли представляет собой серьезную техническую проблему, поскольку планета вращается гораздо ближе к Солнцу, чем Земля. Космический корабль , направляющийся к Меркурию, запущенный с Земли, должен пройти 91 миллион километров в гравитационную потенциальную яму Солнца . [12] Начиная с орбитальной скорости Земли в 30 км/с, изменение скорости ( дельта-v ), которое должен сделать космический корабль, чтобы выйти на переходную орбиту Гомана , которая проходит вблизи Меркурия, велико по сравнению с другими планетарными миссиями. Потенциальная энергия, высвобождаемая при движении вниз по потенциальной яме Солнца, становится кинетической энергией ; требуется еще одна большая дельта- v , чтобы сделать что-нибудь, кроме быстрого прохождения мимо Меркурия. Чтобы безопасно приземлиться или выйти на стабильную орбиту, космический корабль должен полностью полагаться на ракетные двигатели, поскольку у Меркурия очень мало атмосферы. Прямой полет к Меркурию на самом деле требует больше ракетного топлива, чем требуется для полного выхода из Солнечной системы. В результате до сих пор Меркурий посетили только два космических зонда, «Маринер-10» и «Мессенджер» , оба принадлежат НАСА .
Кроме того, космическая среда вблизи Меркурия сложна и представляет двойную опасность для космических кораблей: интенсивное солнечное излучение и высокие температуры.
Исторически вторым препятствием было то, что период вращения Меркурия составляет медленные 58 земных дней [13] , поэтому пролеты космических кораблей ограничиваются наблюдением только одного освещенного полушария. На самом деле, к сожалению, хотя космический зонд «Маринер-10» трижды пролетал мимо Меркурия в 1974 и 1975 годах, во время каждого пролета он наблюдал одну и ту же область. Это произошло потому, что орбитальный период Маринера-10 составлял почти ровно 3 сидерических дня Меркурия, и при каждом близком сближении освещалась одна и та же грань планеты. В результате было нанесено на карту менее 45% поверхности планеты.
Наблюдения с Земли осложняются постоянной близостью Меркурия к Солнцу. Это имеет несколько последствий:
Подобно Земле, Луне и Марсу , геологическая история Меркурия разделена на эпохи . От старшего к младшему это: дотолстовский , толстовский, калорийский, мансурийский и койперовский. Этот возраст основан только на относительных датировках . [14]
После образования Меркурия вместе с остальной частью Солнечной системы 4,6 миллиарда лет назад последовала сильная бомбардировка астероидами и кометами. Последняя интенсивная фаза бомбардировки, Поздняя тяжелая бомбардировка, закончилась около 3,8 миллиарда лет назад. Некоторые регионы или массивы , наиболее заметным из которых является тот, что сформировал бассейн Калорис , были заполнены извержениями магмы изнутри планеты. Они создали гладкие межкратерные равнины, похожие на моря , обнаруженные на Луне . Позже, когда планета остыла и сжалась, ее поверхность начала трескаться и образовывать гребни; эти поверхностные трещины и гребни можно увидеть поверх других особенностей, таких как кратеры и более гладкие равнины, что является явным признаком того, что они появились позже. Период вулканизма Меркурия закончился, когда мантия планеты сжалась настолько, что препятствовала дальнейшему прорыву лавы на поверхность. Вероятно, это произошло в какой-то момент в течение первых 700 или 800 миллионов лет его истории.
С тех пор основные поверхностные процессы носят периодический характер.
Единица времени: миллионы лет.
Поверхность Меркурия в целом похожа по внешнему виду на поверхность Луны, с обширными морскими равнинами и сильно кратерированной местностью, похожей на лунное нагорье и образованной локально скоплениями пирокластических отложений. [6]
Кратеры на Меркурии варьируются в диаметре от небольших чашеобразных кратеров до многокольцевых ударных бассейнов диаметром в сотни километров. Они появляются на всех стадиях деградации: от относительно свежих лучевых кратеров до сильно деградированных остатков кратеров. Кратеры Меркурия незначительно отличаются от кратеров Луны - протяженность их одеял извержений намного меньше, что является следствием более сильной поверхностной гравитации на Меркурии в 2,5 раза. [14]
Самый большой известный кратер — это огромный бассейн Калорис диаметром 1550 км. [15] Бассейн сопоставимого размера, предварительно названный Бассейном Скинакас, был предположен на основе наземных наблюдений за полушарием, не полученным с помощью изображений Mariner, с низким разрешением, но не наблюдался на изображениях соответствующей местности, полученных с помощью MESSENGER . Воздействие, создавшее бассейн Калорис, было настолько мощным, что его последствия можно увидеть в глобальном масштабе. Он вызвал извержения лавы и образовал концентрическое кольцо высотой более 2 км, окружающее ударный кратер . На антиподе бассейна Калорис находится большой регион необычной, холмистой и изрытой местности, иногда называемый «Странной местностью». Предпочтительная гипотеза происхождения этой геоморфологической единицы состоит в том, что ударные волны, возникшие во время удара, путешествовали по планете, и когда они сходились на антиподе бассейна (на расстоянии 180 градусов), высокие напряжения были способны разрушить поверхность. [16] Гораздо менее популярная идея заключалась в том, что эта местность образовалась в результате сближения выбросов на антиподе этого бассейна. Более того, формирование бассейна Калорис, по-видимому, привело к образованию неглубокой впадины, концентрической вокруг бассейна, которая позже была заполнена гладкими равнинами (см. Ниже).
Всего на изображенной части Меркурия выявлено около 15 ударных бассейнов. Среди других примечательных бассейнов - многокольцевой бассейн Толстого шириной 400 км, слой выброса которого простирается на 500 км от края, а его дно заполнено гладкими равнинными материалами. Бассейн Бетховена также имеет одеяло выброса аналогичного размера и край диаметром 625 км. [14]
Как и на Луне , свежие кратеры на Меркурии демонстрируют заметные системы ярких лучей . Они состоят из выброшенных обломков, которые, как правило, ярче, но остаются относительно свежими из-за меньшего космического выветривания , чем окружающая старая местность.
Некоторые ударные кратеры на Меркурии имеют впадины или ямы некруглой, неправильной формы на дне. Такие кратеры были названы кратерами на дне ямы, и члены команды MESSENGER предположили, что такие ямы образовались в результате обрушения подземных магматических камер . Если это предположение верно, то ямы являются свидетельством вулканических процессов, действующих на Меркурии. [9] Ямные кратеры не имеют оправы, часто имеют неправильную форму и крутые склоны. Они не имеют связанных с ними выбросов или потоков лавы , но обычно имеют отличительный цвет. Например, косточки Праксителя имеют оранжевый оттенок. [17] Ямные кратеры, которые считаются свидетельством неглубокой магматической активности, могли образоваться, когда подповерхностная магма вытекла в другое место и оставила область кровли без поддержки, что привело к обрушению и образованию ямы. Основные кратеры, демонстрирующие эти особенности, включают Беккет , Джебран , Лермонтов , Пикассо и Навои , среди других. [18] 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 части: [14] [19]
Дно бассейна Калорис также заполнено геологически отчетливой плоской равниной, разбитой хребтами и разломами примерно многоугольной формы. Неясно, являются ли это вулканической лавой, образовавшейся в результате удара, или большим пластом ударного расплава. [14]
Одной из необычных особенностей поверхности планеты являются многочисленные складки сжатия, пересекающие равнины. Считается, что по мере охлаждения недр планеты она сжалась, и ее поверхность начала деформироваться. Складки можно увидеть поверх других объектов, таких как кратеры и более гладкие равнины, что указывает на то, что они появились позднее. [20] Поверхность Меркурия также изгибается из-за значительных приливных выпуклостей , поднимаемых Солнцем — солнечные приливы на Меркурии примерно на 17% сильнее, чем лунные на Земле. [21]
Факелы на Меркурии — это яркие области, часто окружающие впадины неправильной формы. Обычно их интерпретируют как пирокластические по своей природе. [22] Все факелы на Меркурии названы словами на разных языках, означающими змею .
Некратерным поверхностным элементам присвоены 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 мощность 460 кВт на частоте 8,51 ГГц; сигналы, полученные многопараметрической антенной решеткой VLA, обнаружили точки радиолокационной отражаемости (яркость радара) с деполяризованными волнами от северного полюса Меркурия.
Радиолокационные карты поверхности планеты были составлены с помощью радиотелескопа Аресибо. Исследование проводилось с использованием радиоволн диапазона УВЧ (2,4 ГГц) мощностью 420 кВт, что обеспечивало разрешение 15 км. Это исследование не только подтвердило существование зон высокой отражательной способности и деполяризации, но и обнаружило ряд новых областей (доведя общее число до 20) и даже смогло обследовать полюса. Было высказано предположение, что за такой высокий уровень светимости может быть ответственен поверхностный лед , поскольку силикатные породы, составляющие большую часть поверхности Меркурия, оказывают прямо противоположное влияние на светимость.
Несмотря на близость к Солнцу, поверхность Меркурия может иметь лед, поскольку температура вблизи полюсов постоянно ниже точки замерзания: на полярных равнинах температура не поднимается выше -106 °C. Кратеры в более высоких широтах Меркурия (обнаруженные также радиолокационными исследованиями с Земли) могут быть достаточно глубокими, чтобы защитить лед от прямых солнечных лучей. Внутри кратеров, где нет солнечного света, температура падает до -171°C. [23]
Несмотря на сублимацию в космический вакуум, температура в постоянно затененной области настолько низка, что эта сублимация достаточно медленная, чтобы потенциально сохранить отложенный лед на миллиарды лет.
На Южном полюсе расположение большой зоны высокой отражательной способности совпадает с расположением кратера Чао Мэн-Фу , также выявлены другие небольшие кратеры, содержащие отражающие области. На Северном полюсе такими отражающими свойствами обладают несколько кратеров размером меньше Чао-Мэн Фу.
Сила радиолокационных отражений, наблюдаемых на Меркурии, мала по сравнению с той, которая имела бы место при чистом льду. Это может быть связано с осаждением порошка, который не полностью покрывает поверхность кратера, или с другими причинами, например, с тонким поверхностным слоем. Однако доказательства наличия льда на Меркурии не являются окончательными. Аномальные отражающие свойства также могут быть связаны с наличием отложений сульфатов металлов или других материалов с высоким коэффициентом отражения.
Меркурий не уникален тем, что его кратеры находятся в постоянной тени; на южном полюсе земной Луны находится 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 в результате воздействия комет . Известно, что они содержат большое количество или большую часть льда. Поэтому вполне возможно, что удары метеорита привели к осаждению воды в постоянно теневых кратерах, где она оставалась бы ненагретой 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, может быть научная поддержка тому, что некоторые части планеты Меркурий могли быть обитаемыми и, возможно, на планете могли существовать формы жизни , хотя, вероятно, и примитивные микроорганизмы . [24] [25]