Часть III

Глава XI. Внутреннее строение и физика планет земной группы

§1. Меркурий

Меркурий – ближайшая к Солнцу планета. Она характеризуется параметрами, анализ которых позволяет получить представление о ее внутреннем строении и путях эволюции.

Главным параметром планеты является ее масса. У Меркурия масса равна 0,3310²⁷ г, что составляет ¹/₁₈ массы Земли. Несмотря на небольшие размеры – диаметр 4880 км, радиус 2440 км, – Меркурий имеет необычайно высокую среднюю плотность – 5,42 г/см³, что значительно выше плотности Луны, размеры которой ненамного меньше Меркурия.

Расстояние от Солнца до Меркурия в перигелии 47 млн. км, в афелии – 70 млн. км, среднее орбитальное – 53 млн. км. Таким образом, Меркурий имеет одну из самых вытянутых эллиптических орбит среди планет Солнечной системы. 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, которое в 100 раз меньше земного магнитного поля. Ввиду близости Солнца поверхность дневной стороны планеты буквально выжигается – температура поднимается до 437С. На теневой стороне она падает до -173С. Солнечная постоянная Q₀ = 60 кал/см²мин, что в 29 раз больше, чем получает Земля от Солнца. Никакие живые организмы земного типа не могут существовать и развиваться в условиях меркурианской температуры. Нет здесь и воды – ни жидкой, ни атмосферной, как нет и самой атмосферы. Это мертвая безжизненная планета, поверхность которой местами, возможно, тускло блестит свинцовыми озерами.

Поверхность Меркурия имеет низкую отражательную способность (альбедо – 0,56, сравнимо с Землей – 0,36). Это указывает на преобладание темноцветных минералов в коре планеты, скорее всего, железисто-магнезиальных силикатов (Войткевич, 1979). 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 километров и более (рис. 90). Между кратерами располагаются весьма протяженные равнины. Это первое отличие от

Рис. 90. Поверхность Меркурия – фотография сделана

американской межпланетной станции «Маринер-10» в 1974 г.

Луны, где нет межкратерных равнин (Кауфман, 1982). Кратеры имеют плоское дно без центральной горки, как на Луне. Все они ударного происхождения – за счет падения крупных и мелких метеоритов, астероидов и, возможно, комет. Судя по возрасту пород подобных образований на Луне, образование кратеров происходило 3 – 4 млрд. лет назад. 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 1 – 2 км и длиной в несколько сотен километров (Кауфман, 1982). Такие геологические образования возникают обычно в результате сжатия 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?

То, что на Меркурии нет атмосферы, однозначно указывает на давно угасшую здесь вулканическую деятельность. Отсутствие у большинства кратеров центральной горки-вулкана, существование безлавовых кратеров свидетельствует о большой глубине астеносферного или подобного ему высокотемпературного слоя, где вещество пребывает в расплавленном состоянии. Частично лавовые заполнения кратеров могли образоваться за счет местного расплава пород, возникающего при преобразовании кинетической энергии в тепловую.

По оценкам исследователей (Хаббард, 1987), 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, по всей видимости, из силикатных пород, в этом случае будет около 640 км. Типичная плотность силикатов – 3,3 г/см³, железа – 8,95 г/см³. Их смесь дает искомую 5,44 г/см³ плотность Меркурия, если железо составляет 60% массы планеты.

При таком мощном железном ядре у Меркурия не остается места для достаточного развития жидкого внешнего ядра, подобно тому, что мы видели у Земли. Тогда возникает вопрос о природе наблюдаемого магнитного поля, имеющего тоже дипольную структуру. Здесь могут быть два предположения – либо оно генерируется намагничением железного ядра в прошлые эпохи, 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 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. Его ядро еще может пребывать в расплавленном состоянии.

Межкратерные равнины и отсутствие внекратерных горных образований сколько-нибудь значительных размеров можно объяснить отсутствием на планете условий для вулканизма. В отличие от Земли на Меркурии из-за мощного железного ядра, возникшего, по всей вероятности, изначально в ходе гетерогенной аккреции (см. гл. XV), никогда не было внешнего жидкого ядра, а отсюда и зоны вторичного расплава – астеносферы. Поэтому не было и вулканизма. Давление в основании мантии на глубине 640 км составляет всего 70 кбар (70000 атм), что позволяет развить температуру порядка 1500 К (около 2000С), какой в общем-то недостаточно для образования мощного слоя расплавленного вещества, подобного земной астеносфере. В железном, однородном по химическому составу ядре нет источников тепла, так как нет ни радиоактивных, ни пероксидов (MeO₂) и дигидритов (MeH₂) металлов. Поэтому здесь не происходят термохимические реакции, являющиеся дополнительным источником тепла, летучих и воды. Эндогенная подпитка низов мантии не происходит.

Поскольку небольшая геологическая активность на Меркурии вследствие его малой массы и мощного приливного воздействия со стороны Солнца завершилась 4 млрд. лет назад, не оставив на поверхности почти никаких следов, кроме последующего сжатия (контрак­ции), то можно предположить, что за предыдущие 500 млн. лет произошла полная дифференциация металлической и силикатной фазы с образованием мощного железного ядра и тонкой мантии. Поэтому совершенно естественно, как и в случае с Землей, выводить внутреннее строение Меркурия как результат изначального разделения вещества. В условиях высоких температур близкой протозвезды легкие фракции улетучивались, а тяжелые сформировали вначале массивное ядро, на поверхность которого затем стремительно выпали более легкие силикатные частицы из окружавшего протосолнце пылегазового облака. Образ планеты был создан в процессе ее творения и в дальнейшем остался практически неизменным. Лишь запоздавший дождь каменных обломков, выпавший несколько позже на уже сформировавшуюся поверхность планеты, изрыл ее кратерами. Этот древний лик Меркурия и предстает сегодня перед нами.