Det närmaste till den ljusa och den minsta planeten i solsystemet är fortfarande ett mysterium. Liksom Jorden och de fyra gasjättarna - Jupiter, Saturn, Uranus och Neptune, har Merkurius sin egen magnetosfär. Efter undersökningar av MESSENGER-stationen (MErcury Surface, Space Environment, GEochemistry) började detta magnetiska skikt bli tydligt. De viktigaste resultaten av uppdraget ingår redan i monografier och läroböcker. Hur en liten planet lyckades bevara magnetosfären.
För att en himmelkropp ska ha sin egen magnetosfär behövs en källa till magnetfält. Enligt de flesta forskare utlöses dynamoeffekten här. När det gäller jorden ser det ut så här. I tarmarna på planeten finns en metallkärna med ett fast centrum och ett flytande skal. På grund av sönderfallet av radioaktiva element frigörs värme, vilket leder till bildande av konvektiva flöden av en ledande vätska. Dessa strömmar genererar planetens magnetfält.
Fältet interagerar med solvindströmmar av laddade partiklar från stjärnan. Denna kosmiska plasma medför sitt eget magnetfält. Om planetens magnetfält tål solstrålningstrycket, det vill säga avleder det på ett betydande avstånd från ytan, säger de att planeten har sin egen magnetosfär. Förutom Merkurius, Jorden och de fyra gasjättarna har Ganymede, den största satelliten i Jupiter, också en magnetosfär.
I övriga planeter och månar i solsystemet möter stjärnvinden praktiskt taget inget motstånd. Detta händer till exempel på Venus och troligen på Mars. Naturen av jordens magnetfält anses fortfarande geofysikens huvudmysteri. Albert Einstein ansåg det vara en av vetenskapens fem viktigaste uppgifter.
Detta beror på det faktum att även om geodynamo-teorin är praktiskt taget obestridd, orsakar den stora svårigheter. Enligt klassisk magnetohydrodynamik bör dynamoeffekten ruttna och planetens kärna bör svalna och härda. Det finns fortfarande ingen exakt förståelse för de mekanismer som Jorden upprätthåller dynamos självgenererande effekt tillsammans med de observerade egenskaperna hos magnetfältet, främst geomagnetiska avvikelser, migration och polinversion.
Svårigheten med en kvantitativ beskrivning beror troligen på problemets väsentligen icke-linjära karaktär. När det gäller Merkurius är dynamoproblemet ännu mer akut än för jorden. Hur behöll en sådan liten planet sin egen magnetosfär? Betyder detta att dess kärna fortfarande är i flytande tillstånd och genererar tillräckligt med värme? Eller finns det några speciella mekanismer som gör det möjligt för himmelkroppen att skydda sig mot solvinden?
Kvicksilver är ungefär 20 gånger lättare och mindre än jorden. Medeltätheten är jämförbar med jordens. Året varar 88 dagar, men himmelkroppen är inte i tidvattensfångst med solen, utan roterar runt sin egen axel med en period av cirka 59 dagar. Kviksølv skiljer sig från andra planeter i solsystemet med en relativt stor metallkärna - den står för cirka 80 procent av en himmelkropps radie. Som jämförelse tar jordens kärna bara upp ungefär hälften av sin radie.
Det magnetiska fältet Mercury upptäcktes 1974 av den amerikanska stationen Mariner 10, som registrerade skurar av högenergipartiklar. Det himmelska kroppens magnetfält som är närmast solen är ungefär hundra gånger svagare än den jordiska, det skulle passa helt in i en sfär på jorden och liksom vår planet bildas av en dipol, det vill säga den har två och inte fyra, som gasjättar, magnetpoler.
Kampanjvideo:
Foto: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington / NASA
De första teorierna för att förklara karaktären på Merkurius magnetosfär föreslogs på 1970-talet. De flesta av dem är baserade på dynamoeffekt. Dessa modeller verifierades från 2011 till 2015, då MESSENGER-stationen studerade planeten. Uppgifterna som erhölls från enheten avslöjade den ovanliga geometrien för magnetosfären av Merkurius. I synnerhet i närheten av planeten inträffar magnetisk återanslutning - den ömsesidiga omarrangemanget av magnetfältets inre och yttre kraftlinjer ungefär tio gånger oftare.
Detta leder till bildandet av många tomrum i magnetosfären av Merkurius, vilket tillåter solvinden att nå planetens yta nästan obehindrad. Dessutom upptäckte MESSENGER remanens i en himmelskropps skorpa. Med hjälp av dessa uppgifter har forskare uppskattat den undre gränsen för medelåldern för Merkurius magnetfält till 3,7-3,9 miljarder år. Detta, som forskarna noterade, bekräftar giltigheten av dynamoeffekten för bildandet av planetens globala magnetfält, samt närvaron av en flytande yttre kärna i den.
Samtidigt är frågan om Merkurius struktur öppen. Det är möjligt att det yttre lagret av dess kärna innehåller metallflingor - järnsnö. Den här hypotesen är mycket populär eftersom den förklarar Merkurius egen magnetosfär med samma dynamoeffekt, den tillåter låga temperaturer och en kvasi-fast (eller kvasi-flytande) kärna inne i planeten.
Foto: Carnegie Institution of Washington / JHUAPL / NASA
Det är känt att kärnorna i de markbundna planeterna huvudsakligen bildas av järn och svavel. Svavelinneslutningar är också kända för att sänka smältpunkten för kärnämnet och lämna det flytande. Detta innebär att mindre värme krävs för att upprätthålla dynamoeffekten, som Merkurius redan producerar för lite. För nästan tio år sedan visade geofysiker, som genomför en serie experiment, att järnssnö under högt tryck kan falla mot planetens centrum, och en flytande blandning av järn och svavel kan stiga mot den från den inre kärnan. Detta kan skapa en dynamoeffekt i tarmarna hos Merkurius.
MESSENGER-data bekräftade dessa resultat. Spektrometern installerad på stationen visade ett extremt lågt innehåll av järn och andra tunga element i planetens vulkaniska bergarter. Det finns nästan inget järn i det tunna lagret av Merkurius mantel, och det bildas främst av silikater. Det solida centrum står för ungefär hälften (cirka 900 kilometer) av kärnans radie, resten är ockuperat av det smälta skiktet. Mellan dem finns det troligtvis ett lager där metallflingor rör sig från topp till botten. Kärnans densitet är ungefär dubbelt så hög som manteln och beräknas till sju ton per kubikmeter. Enligt svenskar svarar svavel cirka 4,5 procent av massan i kärnan.
MESSENGER upptäckte många veck, krökningar och fel på ytan av Merkurius, vilket gör det möjligt att dra en entydig slutsats om planetens tektoniska aktivitet under det senaste. Strukturen för den yttre skorpan och tektoniken, enligt forskare, är förknippade med de processer som sker i tarmarna på planeten. MESSENGER visade att planetens magnetfält är starkare på den norra halvklotet än på den södra. Utifrån tyngdkraften som sammanställts av apparaten är tjockleken på jordskorpan nära ekvatorn i genomsnitt 50 kilometer högre än vid polen. Detta innebär att silikatmanteln i planetens nordliga breddegrader värms starkare än i dess ekvatoriella del. Dessa uppgifter överensstämmer med upptäckten av relativt unga fällor på norra breddegrader. Även om vulkanaktiviteten på Merkurius upphörde för cirka 3,5 miljarder år sedan, är den nuvarande bilden av termisk diffusion i planetens mantel till stor delbestämdes troligen av hennes förflutna.
I synnerhet kan konvektiva flöden fortfarande existera i skikten intill planetens kärna. Därefter blir temperaturen på manteln under planetens nordpol 100-200 grader högre än under ekvatorialområdena på planeten. Dessutom upptäckte MESSENGER att det kvarvarande magnetfältet i en av sektionerna i den norra skorpan är riktad i motsatt riktning relativt planetens globala magnetfält. Detta innebär att tidigare en inversion inträffade på Merkurius minst en gång - en förändring i magnetfältets polaritet.
Endast två stationer har utforskat Mercury i detalj - Mariner 10 och MESSENGER. Och denna planet, främst på grund av sitt eget magnetfält, är av stort intresse för vetenskapen. Genom att förklara magnetosfärens natur kan vi nästan säkert göra detta för jorden. År 2018 planerar Japan och EU att skicka ett tredje uppdrag till Merkurius. Två stationer kommer att flyga. Först kommer MPO (Mercury Planet Orbiter) att sammanställa en karta med flera våglängder över ytan på en himmelkropp. Den andra, en MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter), kommer att utforska magnetosfären. Det kommer att ta lång tid att vänta på de första resultaten av uppdraget - även om starten äger rum 2018 kommer stationens destination att nås först 2025.
Yuri Sukhov