Планеты земной группы

Меркурий

Это ближайшая к Солнцу планета, она характеризуется следующими параметрами, анализ которых позволяет получить представление о внутреннем строении и путях эволюции этого аномального объекта Солнечной системы.

Масса Меркурия равна 0,33 1027 г, что составляет 1/18 массы Земли. Несмотря на небольшие размеры (диаметр 4880 км, радиус 2440 км), эта планета имеет необычайно высокую плотность — 5,42 г/см3, что ненамного меньше плотности Земли (5,52 г/см3).

Расстояние от Солнца в перигелии — 47 млн км, в афелии — 70 млн км, среднее орбитальное — 53 млн км. Таким образом, Меркурий имеет одну из самых вытянутых среди планет Солнечной системы эллиптических орбит, которая возникла (как будет показано) в результате особых событий, происшедших на ранней стадии эволюции системы Меркурий — Солнце. Полный оборот вокруг Солнца он делает за 88 земных суток. Вокруг своей оси Меркурий вращается очень медленно — один полный оборот за 58,65 суток. Тем не менее американская межпланетная станция «Маринер-10» в 1974 г., сделав множество фотоснимков поверхности планеты, обнаружила у нее слабое магнитное поле напряженностью порядка 100 нТ, что в 100 раз меньше земного магнитного поля. Ввиду близости светила поверхность дневной стороны планеты буквально выжигается — температура поднимается до 437 °C. На теневой стороне она падает до -173 °C. Солнечная постоянная (?о=6О кал/см2мин, что в 29 раз больше, чем получает Земля от Солнца. Ничего земного живого не может существовать и развиваться в условиях меркурианской температуры. Нет здесь и воды — ни жидкой, ни атмосферной, как нет и самой атмосферы. Это безжизненная планета, поверхность которой местами тускло блестит свинцовыми озерами.

Поверхность Меркурия имеет низкую отражательную способность (альбедо 0,056). Это указывает на преобладание темноцветных минералов в коре планеты — скорее всего, железисто-магнезиальных силикатов [69].

В пользу такого предположения свидетельствует и высокая средняя плотность вещества планеты.

На фотографиях «Маринер-10» поверхность Меркурия представляет собой луноподобный пейзаж, плотно усеянный кратерами размером от 50 м до 200 км и более. Между кратерами располагаются весьма протяженные равнины. Это первое отличие от Луны, где нет межкратерных равнин [23]. Кратеры имеют плоское дно без центральной горки, как на Луне. Все они ударного происхождения, образовывались за счет падения крупных и мелких метеоритов, астероидов и, возможно, комет. Судя по возрасту пород подобных кратеров на Луне, образование их на Меркурии происходило одновременно с лунной бомбардировкой (3,9—3,6-109 лет). Отмечается большое количество глыбообразных холмов и гор высотой 250—2000 м.

Изучая фотографии, геологи обнаружили еще одно существенное различие между Меркурием и Луной: по всей планете встречаются крупные уступы с мелкими зубцами высотой 2—3 км и длиной в несколько тысяч километров [23; 69]. Такие геологические образования возникают обычно в результате сжатия (контракции) тела планеты и уменьшения площади ее поверхности. Сжатие было обусловлено охлаждением недр Меркурия.

Какие же выводы можно сделать из приведенного фактического материала о природе ближайшей к Солнцу планеты и ее внутреннем строении?

Отсутствие атмосферы однозначно указывает на давно угасшую вулканическую деятельность на Меркурии. Отсутствие в большинстве кратеров центральной горки — вулкана и лавовых образований — свидетельствует о большой глубине залегания или отсутствии неглубоких крупных очагов расплава протовещества, подобных лунному. Часть лавовых заполнений кратеров могла происходить за счет местного импактного расплава пород, возникающего при преобразовании кинетической энергии метеоритного удара в тепловую.

По оценкам исследователей [37; 38; 69], высокая плотность Меркурия объясняется наличием у него мощного металлического, по всей вероятности железного, ядра, диаметр которого достигает 3600 км, т. е. сравним с размерами Луны. Толщина вышележащей мантии, состоящей, видимо, из силикатных пород, в этом случае будет около 640 км. Типичная плотность силикатов — 3,3 г/см3, железа — 8,95 г/см3. Если железо составляет 60% массы планеты, их смесь дает искомую (5,44 г/см3) плотность Меркурия.

При таком мощном железном ядре у Меркурия не остается места для достаточного развития жидкого внешнего ядра, подобного земному. При большом объеме ядра очевидное отсутствие на Меркурии запасов U, Th и К представляется непонятным. Однако можно предположить, что близкое прото-Солнце с его гигантской реликтовой газовой атмосферой, распро странявшейся на многие миллионы километров, могло экранировать поток радиоактивных элементов от взорвавшейся сверхновой в начале аккреции планетных тел.

Возникает вопрос о природе наблюдаемого магнитного поля, также имеющего дипольную структуру. Здесь могут быть два предположения: либо оно генерируется намагниченным в прошлые эпохи железным ядром — вследствие более быстрого вращения планеты, либо оно вбито солнечным ветром магнитного поля внешней короны Солнца.

Первое предположение нам кажется более правдоподобным, ибо это согласуется с наблюдаемым дипольным характером поля. Современное медленное вращение планеты обусловлено вековым приливным торможением ее со стороны огромной гравитационной массы Солнца. Меркурий, видимо, давно почти остановил свое осевое вращение, а его первоначальный орбитальный радиус был на треть ближе к Солнцу — подобно тому, как это имело место в системе Земля-Луна.

Межкратериые равнины и отсутствие внекратерных горных образований сколько-нибудь значительных размеров можно объяснить тем, что на планете нет условий для вулканизма. В отличие от Земли, на Меркурии из-за мощного железного ядра, возникшего, по всей вероятности, изначально в ходе гетерогенной аккреции, никогда не было внешнего жидкого ядра. Поэтому позднее не было, как и у Земли, сколько-нибудь развитого вулканизма. Давление в основании мантии на глубине 640 км составляет всего 70-103 атм, что позволяет развить температуру порядка 1500 К, которой, в общем-то, недостаточно для образования мощного слоя расплавленного вещества, подобного земной астеносфере. В железном, однородном по химическому составу ядре нет источников тепла и долгоживущих радиоактивных элементов. Поэтому здесь не происходят термохимические реакции, являющиеся дополнительным источником тепла, летучих и воды.

Небольшая геологическая активность на Меркурии была вызвана короткоживущими изотопами, захороненными в приповерхностной толще протовещества в финале аккреции планеты, которая завершилась примерно 4 млрд лет назад, не оставив на поверхности почти никаких следов, кроме небольших гор и уступов, отражающих охлаждение мантии и сжатие планетного тела.

Воспользовавшись формулами § 1 настоящей главы, рассчитаем количество вулканического материала и воды, образовавшихся на поверхности Меркурия во время начального вулканизма (см. табл. 18, с. 124). Объем вулканизма будет:

6,1 10!0 км3 / 186=3,3-108 км3. (VII. 13)

Отсюда его масса при средней плотности, равной 3,0 г/см3, составит:

3,0 г/см3-3,3-108 км3 -1015 см3 = 9,9-1023 г. (VII. 14)

Мощность вулканических образований на Меркурии будет равна:

3,3 108 км3/7,5-107 км2=4,4 км. (VII.15)

Объем и масса воды (из расчета 0,5 % от массы вулканического материала) составят (см. табл. 19, с. 125) 5,0-106 км3 и 5,0-1021 г соответственно. Найдем глубину морского бассейна на поверхности Меркурия, полагая его площадь равной половине площади планеты:

5,0-1021 см3 / 3,8 -1017 см2=132 м. (VI1.16)

Константа фотолиза для Меркурия при начальной температуре Солнца в стадии звезды переменного блеска, равной 3500 К, будет:

Fn=40-107 г/км2-год. (VII.17)

Отсюда найдем фотолиз с площади океана, равной 0,5 8ПЛ=3,8 -107 км2:

F=SnJIFn=3,8-107 км2-40- 107 г/км2-год =1,52-1016 г/год. (VII. 18)

Полученная величина позволяет определить длительность существования первичного мелководного океана на Меркурии:

t= MH2O/F=9,9-1023 г/1,5 • 1016 г/год=6,6-107 лет. (VII. 19)

Из приведенного следует, что при переходе Солнца в стадию звезды переменного блеска первичный океан на Меркурии просуществовал 66 млн лет. Последовавшее метеоритное кратирование поверхности планеты могло уничтожить все следы этого океана.

Как уже отмечалось, Меркурий имеет аномальные параметры строения — большое металлическое ядро (R=1884 км) и не соответствующую ему тонкую мантию (R=600 км). Кроме того, у планеты чрезвычайно вытянутая орбита — разность между афелием (70 млн км) и перигелием (47 млн км) составляет 23 млн км. Существует несколько гипотез, пытающихся объяснить эту аномальность: выплавление мощного металлического ядра, столкновение с крупным астрономическим объектом и срывом верхней части массы планетного тела, разрушение верхней оболочки после внезапного ухода реликтовой водородной атмосферы и т. д. Однако все эти гипотезы не учитывают главное — функциональную связь между параметрами исходного металлического ядра конденсации с последующим объемом планеты. Нарушение существующих пропорций между главными планетными сферами — ядром, ЗРТ и мантией — свидетельствует о нарушении нормального процесса аккреции пылегазового облака вокруг ядра конденсации Меркурия на начальном этапе, когда взрыв сверхновой придал вращательный импульс первичным туманностям, сконденсированным вокруг центрального и периферийных ядер (рис. 16).

Схема захвата части протопланетного облака Меркурия протосолнсчной туманностью при взрыве сверхновой

Рис. 16. Схема захвата части протопланетного облака Меркурия протосолнсчной туманностью при взрыве сверхновой (я); внутреннее строение современного Меркурия (II) и Меркурия (I), который должен был бы образоваться в случае нормальной аккреции (6)

Первоначально орбита Меркурия проходила, как и орбита Луны относительно Земли, на 1/3 ближе современного ее расстояния, т.е. была равна примерно 25—30 млн км. Радиус же шаровых сгущений туманности вокруг ядра прото-Солнца достигал нескольких десятков миллионов километров, а первичного ядра Меркурия — сотен тысяч километров. Ударная волна, возникшая после взрыва сверхновой, сместила часть солнечного протооблака и меркурианское ядро на миллионы километров, при этом протосолнечная туманность могла частично сомкнуться с меркурианской туманностью (рис. 16). При этом мощное гравитационное поле прото-Солнца захватило значительную часть массы туманности Меркурия, в результате чего лишь меньшая его часть, будучи удержанной гравитационным полем металлического ядра планеты, пошла на строительство будущего планетного тела. Эта гипотеза объясняет аномальность строения Меркурия и значительную вытянутость его орбиты. Исходя из современных размеров ядра Меркурия, можно решить обратную задачу — определить размеры планеты и ее основных сфер, используя соотношения, полученные для Земли (§ 1 гл. VII). Построенная модель несостоявшейся планеты (рис. 16, б) показывает, что ее радиус был бы более 9200 км, т. е. это была бы самая большая планета земной группы.

Расчетная масса Меркурия, при радиусе 9200 км, составила 1,5-1028 г. Полагая, что до взрыва сверхновой орбита Меркурия проходила примерно в 25—30 млн км от Солнца, определим среднюю плотность протосолнеч-ной туманности на этом расстоянии. Она составляет порядка 10“5 г/см3. Такую же плотность туманность Меркурия будет иметь на расстоянии 1 млн км от его ядра. В реальном плане, ввиду сгущения туманности вблизи металлических ядер конденсации, радиусы туманности будут значительно меньше рассчитанных здесь. Поэтому захват протосолнечной туманностью части меркурианской пылегазовой туманности — вполне реальное событие. Следует заметить, что современный радиус Солнечной системы составляет 1010 км, а плотность вещества в межпланетном пространстве — 10“ 7 г/см3. При такой плотности трудно ожидать возникновения планетных систем. Поэтому предположение о неравном распределении массы пылегазовых скоплений внутри этой туманности на начальном периоде гравитационной неустойчивости следует признать весьма вероятным.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >