Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Меркурий - планета ближайшая к Солнцу

Известные данные о планете

Неизвестная планета Меркурий

ЧАСТЬ №1 - ЧАСТЬ №2

    14 января 2008 г. космический аппарат США Messenger прошел на небольшом расстоянии от планеты Меркурий. Ученые долго ждали этого события; по существу, с 1975 г., когда у планеты побывал другой аппарат, Mariner-10. Меркурий принадлежит к группе из четырех планет земного типа, расположенных близко к Солнцу. Он находится на самом коротком расстоянии от светила и недалеко от Земли. Увидеть планету непросто: она никогда не уходит от Солнца на угол больше чем на 28°, а обычно меньше. Это удаление называется элонгацией. Но и в наибольшей элонгации (18—28°) Меркурий можно наблюдать только на фоне светлого сумеречного неба в течение короткого времени на восходе или после захода Солнца. Минимальное расстояние до Меркурия всего 80 млн км, но наблюдать его в это время не удается не только из-за яркого света Солнца, но и потому, что к Земле в этот период обращена его ночная сторона. «Счастлив астроном, Меркурий увидевший», — значится в средневековых астрономических наставлениях. Тем не менее заметить планету нетрудно, если только помнить короткие календарные периоды ее видимости, знать, где ее искать, и учитывать, что видна она очень недолго, теоретически не более 1,5 ч, а практически намного меньше. Условия видимости повторяются несколько раз в год. С помощью телескопа Меркурий можно увидеть только в дневное время, причем распознать какие-либо детали на нем практически не удается. Угол, под которым планета видна в квадратуре (половина диска), составляет в среднем 7,3 угл. с. «Хорошим» в наземных обсерваториях считается телескоп с разрешением около одной угловой секунды (т.е. его способность разделить точки изображения, разделенные углом в 1 с). Поэтому на фотографических изображениях Меркурий всегда остается небольшим мутным пятнышком. Делу могли бы помочь автоматические орбитальные телескопы, например «Хаббл» (HST), но, по мнению администрации телескопа, если возникнет ошибка в движении инструмента, мощное излучение Солнца может попасть на уникальные приборы и их испортить. Кстати, то же касается наземных астрономических инструментов для работы с Меркурием.

Обсерватория Пик Терскол в Приэльбрусье

    Некоторые наиболее искусные астрономы прошлого пытались использовать удивительные свойства человеческого зрения для составления карт этой планеты. В первой половине прошлого века их рисовали французские астрономы Б. Лио (1897—1952) и А. Дольфюс. По их наблюдениям, каждые 116 суток, когда Меркурий сближался с Землей, он был обращен к ней одной и той же стороной. Впервые с таким утверждением выступил итальянский астроном Д. Скиапарелли (1835—1910), больше известный в связи с марсианскими «каналами». Он провел первые наблюдения Меркурия в 1881 г. и повторил их через год. Никаких изменений во внешнем виде планеты ученый не заметил. Скиапарелли продолжал наблюдения, и в 1889 г. окончательно решил, что планета всегда ориентирована одной стороной к Солнцу. (В 1890 г. исследователь пришел к аналогичному выводу и в отношении Венеры, что тоже неверно.) Был сделан вывод, что Меркурий вращается синхронно, т.е. что противоположной стороной планета всегда обращена к Солнцу. Иными словами, считалось, что период вращения планеты совпадает с периодом ее обращения вокруг Солнца, в результате чего на одном полушарии Меркурия вечный зной, а на другом — постоянный космический холод. Это было ошибкой, но обнаружилась она только с появлением межпланетной радиолокации. Вращение планеты оказалось необычным: благодаря резонансу вращения и обращения 3 оборота вокруг оси Меркурий завершает точно за 2 своих «года», т.е. за 176 земных суток (период обращения планеты вокруг Солнца, ее «год», составляет 88 суток). Солнце поочередно освещает оба полушария планеты, а из-за того, что полярная ось планеты практически нормальна к плоскости ее орбиты, над глубокими долинами вблизи полюсов Солнце не восходит никогда.
    С началом космических исследований надежды на значительный прогресс в изучении Меркурия стали возлагать на посылку к нему космического аппарата. Из астрономических наблюдений давно были найдены основные характеристики орбиты Меркурия: она наклонена к плоскости эклиптики (орбите Земли) на 7° и сильно вытянута: при среднем расстоянии от Солнца в 0,39 а.е, в перигелии Меркурий приближается к нему до 0,31 а.е. и удаляется в афелии до 0,47 а.е. Орбитальная скорость планеты в среднем составляет 48 км/с, а максимально (в перигелии) достигает 54 км/с, что почти вдвое превышает орбитальную скорость Земли. Поэтому прямой перелет космического аппарата к Меркурию с выходом на орбиту его спутника невозможен. Приходится использовать мощное средство небесной механики, так называемые «гравитационные маневры», — многократное последовательное сближение аппарата с планетами. Такой аппарат, Mariner-10 (США), был запущен в 1973 г. и в 1974—1975 гг. несколько раз кратковременно сближался с Меркурием в пролетном режиме.
    Наземные спектрофотометрические измерения показывают, что по своим свойствам поверхностные породы многих областей Меркурия напоминают материковые (горные) породы Луны, хотя и несколько светлее их. Свойства Меркурия «по умолчанию» относили к свойствам Луны. До начала космических исследований даже диаметр планеты был известен неточно, а оценка его массы и средней плотности была затруднена из-за отсутствия спутников. Атмосферы у Меркурия практически нет; она крайне разрежена, в миллиарды раз менее плотная, чем у Земли, причем с необычным газовым составом.

На восходе Солнца, когда астрономы уже закончили работу и закрыли купол телескопа, Меркурий поднялся невысоко над горизонтом (САО РАН, ноябрь 2006 г.)
НЕИЗВЕСТНЫЙ МЕРКУРИЙ

    В отличие от Марса и Венеры, к которым было направлено много исследовательских миссий, Mariner-10 до 2008 г. оставался единственным космическим аппаратом, который побывал у Меркурия. Значительная часть основных данных о физике планеты, как и ее изображения, были получены при сближениях Mariner-10 с Меркурием. В отличие от других планет земной группы, последний обладает гигантским железо-никелевым ядром. Скрывающая его внешняя силикатная сферическая оболочка по составу действительно похожа на породы поверхности Луны, причем имеет толщину всего 700—800 км. Одним из главных результатов Mariner-10, наряду с получением снимков почти половины планеты, было открытие значительного магнитного поля у Меркурия, возможно, дипольного, что стало научной сенсацией. Парадокс этого открытия заключается в том, что для возбуждения поля нужно, чтобы у планеты было жидкое ядро, а возможность его существования как раз оспаривается теорией: запасы тепла у столь маленькой планеты (с диаметром 4880 км и массой 5,5% земной) не могли сохраниться дольше четверти ее возраста, 1—1,5 млрд лет. Кроме того, медленное вращение планеты и наблюдаемое положение полярной оси плохо согласуются с теоретическими представлениями о необходимых для возбуждения поля условиях. Происхождение магнитного поля Меркурия пока не находит однозначного объяснения.
    Орбитальные особенности миссии Mariner-10 оказались неожиданностью для Джузеппе Коломбо, автора проекта полета Mariner-10. (Ныне имя Джузеппе Коломбо носит проект Европейского космического агентства «БепиКоломбо», предназначенный для вывода одноименного аппарата на орбиту спутника Меркурия с запуском в 2011—2012 гг.) После первого сближения Mariner-10 с планетой (24 марта 1974 г.) и сообщения в прессе об успехе, Д. Коломбо спросили, что произойдет с аппаратом дальше. Чтобы рассчитать дальнейшие события, была запущена программа расчета движения аппарата. Однако результаты расчета сначала были восприняты как ошибочные. Они показали, что аппарат будет возвращаться к планете с периодом в два меркурианских года и находить ее в абсолютно той же позиции относительно Солнца и аппарата, с теми же тенями от тех же самых гор. Авторы не сразу поняли, что все происходящее стало проявлением резонансов, которыми пронизана вся Солнечная система. А в движении аппарата это привело к тому, что другую сторону планеты сфотографировать так и не удалось. На рис. показано положение исследованных и отснятых аппаратом Mariner-10 участков поверхности планеты, почти 60% которой в 1974—1975 гг. остались неизвестными.

Изображения 46% поверхности Меркурия передал в 1974—1975 гг. аппарат США Mariner-10, который трижды сближался с планетой.
НЕИЗВЕСТНЫЙ МЕРКУРИЙ

НЕИЗВЕСТНЫЙ МЕРКУРИЙ
Поверхность Меркурия в секторе долгот 70—185°W по рисунку французского астронома А. Дольфюса (наблюдения 6.10.1950)

    В начале XXI в. исследования Меркурия активизировались. Запущенный в 2004 г. новый аппарат США Messenger после нескольких гравитационных маневров, включая первое сближение с ним в январе 2008 г., должен в марте 2011 г. выйти на орбиту первого спутника Меркурия. Среди главных научных задач — исследование неизвестной стороны планеты. Необходимость в новых данных для обеспечения обеих миссий, как Messenger, так и «БепиКоломбо», очевидна, но дело не только в этом. К началу XXI в. Меркурий остается одной из наименее исследованных планет. Актуальность ее изучения определяется несколькими причинами. Существует, например, космогонический парадокс расположения орбиты Меркурия в зоне, где известные модели аккреции (образование планет путем накопления и слипания частиц и глыб протопланетного материала, называемых планетезималями) не могут объяснить возникновение планетного тела из-за слишком высоких орбитальных скоростей исходного материала. Если относительные скорости частиц слишком велики, то при столкновении в космос разбрасывается больше материала, чем накапливается у формирующейся планеты. Именно такова орбита Меркурия. Тем не менее модели планеты, основанные на наблюдаемом составе ее поверхности, прежде всего на содержании FeO, все же утверждают, что Меркурий образовался из планетезималей, возникших именно в районе современной орбиты планеты. Это необычная «железная» планета, с отношением содержания железа к кремнию [Fe/Si] в 5 раз больше земного. Она имеет наиболее высокую в Солнечной системе среднюю плотность (5,43 г/см3), практически равную средней земной (5,52 г/см3), а так называемая «освобожденная» (разгруженная от давления) плотность Меркурия (5,30 г/см3) намного превосходит «освобожденную» земную (4,10 г/см3). Отношение радиусов ядра и поверхности (около 0,8) наибольшее среди планет группы Земли. Так называемый безразмерный момент инерции, низкая величина которого характеризует отличие внутреннего строения от однородного шара, среди них наименьший — 0,324. Реголит (грунт) Меркурия, лишенного атмосферы, подвергается постоянному воздействию космических факторов и значительному термическому циклированию. Солнечная радиация на Меркурии в среднем в 6,7 раз выше, чем на Земле. Только там действует уникальный механизм прямого взаимодействия солнечного ветра с поверхностью безатмосферной планеты, расположенной так близко к Солнцу. При различии в размерах Земли и Меркурия в три раза, магнитосфера последнего меньше земной примерно в 18 раз. Ионосфера фактически отсутствует, что приводит к необычному взаимодействию магнитосферы с потоками фотоэлектронов, эмиттируемых дневной стороной планеты, и с исходящими от поверхности потоками атомов Na, K и даже Ca.

Рельеф Меркурия

    Несмотря на то что снимки поверхности Меркурия напоминают «материковые» области Луны, «морей» лунного типа (лавовых), которые так привычны на диске нашего спутника, на данной стороне планеты не оказалось. Луна и Меркурий показаны в одинаковом масштабе на рис снизу, где малоконтрастные детали последнего контрастируют с пятнистой поверхностью Луны. Поверхность рассматриваемой планеты имеет особенности, присущие только Меркурию. Выделяются несколько характерных типов рельефа. Наиболее древний, насыщенный, - равнина, покрытая бесчисленным количеством перекрывающихся метеоритных кратеров, где удар каждого следующего метеоритного тела приходился на участок, уже многократно изрытый кратерами. Такая поверхность показана на фото, где размер еще различимых деталей составляет 300 м. Солнце светит слева и находится довольно низко над горизонтом. Вся поверхность покрыта сплошной сетью кратеров и кажется не отличимой от материковых районов Луны. Почти все они образовались от падения крупных метеоритных тел в период формирования планеты, около 4 млрд лет назад. Сначала выпадали протопланетные тела (планетезимали) и метеориты самых различных размеров, а потом все более мелкие фрагменты, следами которых покрыто все дно кратера справа. Вместе с тем крупные метеоритные тела порой врезались в поверхность даже на поздней стадии. Так образовался хорошо сохранившийся кратер диаметром 25 км правее и ниже центра снимка. Следов более поздних мелких кратеров его вал не имеет.

Луна (слева) и Меркурий в одинаковом масштабе. Поверхности этих двух небесных тел похожи. Изображение Меркурия построено обработкой мозаики из сотен снимков, сделанных видиконной камерой аппарата Mariner-10 в 1974—1975 гг. Сторона Луны, обращенная к Земле, покрыта многочисленными лунными «морями» — равнинами застывшей лавы, извергавшейся во время формирования поверхности Луны (около 3,9 млрд лет назад). Несмотря на сходство поверхности этих тел, на поверхности Меркурия подобных «морей» Mariner-10 не обнаружил.
НЕИЗВЕСТНЫЙ МЕРКУРИЙ

НЕИЗВЕСТНЫЙ МЕРКУРИЙ
Вся поверхность Меркурия покрыта сплошной сетью кратеров, возникших при падении крупных метеоритных тел в период формирования планеты, около 3,9 млрд лет назад. На поздней стадии образовался хорошо сохранившийся кратер диаметром 25 км правее и ниже центра снимка.

    Другая отметка последовательности событий видна в левом нижнем углу снимка, где расположен большой шестидесятикилометровый кратер с сильно разрушенным валом. На его дне заметны следы излияния лавы, образовавшей огромный поток, который двигался слева и затвердел, пройдя больше половины диаметра кратера. Извержение происходило уже после выпадения основного объема метеоритного вещества. Вместе с тем редкие и сравнительно мелкие тела выпадали на поверхность лавового натека и после его образования. С большей или меньшей плотностью ударные образования покрывают значительную часть известной ныне поверхности Меркурия. События, оставившие на ней след, в основном происходили 3,9х109 лет назад. Точно так же выглядит поверхность Луны, возраст образцов которой установлен непосредственно.
    Кинетическая энергия сталкивавшихся с поверхностью Меркурия протопланетных тел была очень велика. Каждый их удар сопровождался мощным взрывом, энергия которого была заметно выше, чем у обычной взрывчатки с той же массой, что и у метеорита. Интересно, что у лунных кратеров значительно большие диаметры, чем у подобных на Меркурии, образованные такими же по массе метеороидами. Поскольку ускорение свободного падения на Меркурии (3,72 м/c2) выше, чем на Луне (1,62 м/c2), выброшенный при ударах метеоритов материал выпадал не так далеко от центра, как на Луне: при одинаковой энергии взрыва площадь, которую покрывает выброс на Меркурии, в 5 раз меньше, чем на Луне.
    Бескратерные равнины или обширные промежутки между кратерами характерны только для Меркурия. Тем не менее, сходство внешнего вида и реголита Луны и Меркурия поразительно. Некоторые меркурианские кратеры имеют систему «лучей», простирающихся на большое расстояние. На Луне, где много таких кратеров, их протяженность гораздо больше из-за меньшего ускорения свободного падения. Например, лучи кратера Тихо уходят за край видимого диска Луны. Известно, что яркость лучей заметно усиливается к полнолунию, а затем ослабевает, что объясняется высокой пористостью материала: Солнце освещает внутренность мелких пор материала лучей, только когда поднимается высоко над горизонтом. Высота гор на Меркурии, вычисленная по длине теней, оказалась меньше, чем на Луне, что вероятно, тоже связано с различием в ускорениях свободного падения. Горы Меркурия достигают 2—4 км, а наибольшая высота лунных Скалистых гор составляет 5,8 км.
    Необычная деталь рельефа на Меркурии — эскарп (уступ высотой 2—3 км, разделяющий два в общем ничем не отличающихся района). Протяженность таких обрывов — от сотен до полутысячи километров. Таков эскарп Дискавери. Эскарпы образовались, когда происходило сжатие Меркурия, повлекшее за собой сдвиги и наползание отдельных участков его коры. Подобного явления на Луне не наблюдалось. Поверхность Меркурия, как и лунная поверхность, лишена ярких цветовых оттенков. Несмотря на сходство рельефа и реголита Луны и Меркурия, поверхность последнего отличается большим своеобразием. Вся видимая сторона Луны покрыта огромными низинами — «морями». А на исследованной Mariner-10 стороне Меркурия морей (т.е. есть равнин или «бассейнов») нет совсем. В этом смысле он скорей напоминает обратную сторону Луны. Здесь единственное образование, которое отдаленно напоминает большое лунное кратерное море — бассейн Caloris Planitia («Море Зноя», или «Море Жары»), часть которого находилась во время миссии Mariner-10 на самом терминаторе (на границе день-ночь). Мозаика из снимков Caloris Planitia.

Наземные средства

    Выяснилось, что Caloris Planitia — не самый большой бассейн на Меркурии. Гигантское образование такого рода находится на «неизвестной» стороне планеты. За 30 лет, прошедшие после посещения Mariner-10, астрономия продвинулась настолько, что поверхность Меркурия удается исследовать в наземных астрономических наблюдениях. Важнейшую роль в этом сыграли два новшества: приемники излучения ПЗС (приборы с зарядовой связью) и компьютерные средства обработки информации. К тому же ученые теперь смело берутся за проблемы, которые совсем недавно казались такими же безнадежными, как картирование Меркурия наземными средствами.
    Отложим немного описание неизвестной стороны планеты, чтобы рассказать, как все это удалось сделать. Наземные наблюдения Меркурия «классическими» методами, по сравнению с изучением других тел Солнечной системы, подвержены многим другим ограничениям. Поскольку наблюдения выполняются в астрономические сумерки или даже на фоне дневного неба, для улучшения отношения сигнал-шум часто используется ближний инфракрасный диапазон, т.к. яркость чистого неба падает с увеличением длины волны, как -4. Время наблюдений в сумерки редко превышает 20—30 мин, причем планета находится невысоко над горизонтом, когда значительная воздушная масса на луче зрения еще больше осложняет задачу. Более или менее продуктивное изучение Меркурия возможно только в горных обсерваториях низких широт. Но на пределе технических возможностей получить изображения планеты с достаточным разрешением наземными техническими и аналитическими средствами все же возможно. Что же касается улучшения качества изображений, ключевой идеей стало использование очень коротких, миллисекундных экспозиций. Одним из первых обширные серии наблюдений Меркурия с ПЗС-приемниками в 1995—2002 гг. выполнил Й. Варелл (J. Warell) в обсерватории на о. Ла Пальма (Канарские острова) на полуметровом солнечном телескопе. Экспозиции были от 25 до 300 мс. Варелл использовал единичные наиболее удачные электронные снимки без их дальнейшего совмещения. Естественно, они уступают изображениям, полученным при совместной обработке больших массивов электронных фотографий.
    Уже упоминавшееся разрешение телескопа определяется отношением длины волны к его диаметру — теоретический дифракционный предел, который на длине волны зеленого, например, света, 550 нм, для полутораметрового телескопа должен составлять около 0,1 угловой секунды. Но типичное реальное разрешение оказывается в 9—15 раз хуже дифракционного предела. Оно определяется, главным образом, неспокойствием земной атмосферы и зависит от места наблюдения, времени суток, плотности аэрозольной составляющей (тумана, облаков) и, конечно, зенитного расстояния объекта. Идея метода коротких экспозиций заключается в том, что прибор использует мгновенные прояснения атмосферы, когда изображение четкое и не успевает размыться. Но все не так просто. Атмосферу можно представить себе как множество случайно образовавшихся слабо преломляющих линз неправильной формы, которые возникают и исчезают, искажая фронт приходящей световой волны. Когда астрономы получали снимки небесных тел на фотопластинках, за время экспозиции этот небесный сценарий изменялся десятки раз, а каждая точка неспокойного изображения успевала засветить тысячи зерен фотоэмульсии, размывая снимок. Характерное время, за которое мгновенные оптические свойства атмосферы изменяются, редко бывает меньше 15—20 мс. Если экспозицию сделать короткой, скажем, 3 миллисекунды, среди фотографий попадутся и «хорошие», хотя их будет немного. Уменьшение экспозиции не устраняет искажения, вызываемые нерегулярностями воздушных линз, но существенно уменьшает размытие изображения и позволяет приблизиться к дифракционному пределу. Накопив значительное количество снимков, можно затем выбрать из них изображения с наименьшими искажениями, пригодные для дальнейшей обработки. Это очень трудоемкая операция, особенно если учесть, что сам размер изображения Меркурия обычно составляет всего от 0,2 до 0,5 мм.
    Несмотря на всю убедительность основной идеи метода коротких экспозиций, реализовать ее с фотоэмульсиями было невозможно: в реальных условиях наблюдений невысокая фоточувствительность эмульсий требовала минимальных экспозиций в сотни миллисекунд, а то и секунду. Короткие экспозиции стали возможными только с появлением новых детекторов изображений — ПЗС, квантовая эффективность которых достигает 80% и более. Интересно отметить, что сравнительно небольшие телескопы (диаметром 1—2 м) обладают определенными преимуществами при коротких экспозициях, т.к. охватывают меньше атмосферных «линз», но собирают еще достаточно света. Тем не менее, число фотонов, приходящееся на единичный пиксель (элемент изображения) при использовании ПЗС с высоким разрешением, всегда ограничено и подвержено значительным флуктуациям. Поэтому хороший результат можно получить лишь при последующей совместной обработке многих сотен и даже тысяч электронных снимков. А доступное время наблюдений Меркурия настолько ограничено, что экспериментальный материал необходимого объема возможно получить только на достаточно большом инструменте, когда суммарное время экспозиций составляет лишь малую часть всего наблюдательного времени. При очень благоприятных атмосферных условиях до 25% изображений получаются сравнительно четкими.
    Результаты наблюдений критично зависят от состояния атмосферы, но характеризовать их можно только после завершения обработки. Начало описываемой работе положила большая удача в наших пробных наблюдениях. 3 ноября 2001 г., в Абастуманской астрофизической обсерватории республики Грузия (41°45’ с.ш., 42°50’ в.д.) с помощью новой ПЗС-камеры, установленной на телескопе диаметром 1,25 м, проводились наблюдения Меркурия в утренней элонгации планеты. Положение планеты в принципе позволяло наблюдать сектор, сфотографированный Mariner-10 в 1974 г. Всю ночь шел сильный дождь, но на рассвете облака разошлись, и при полном безветрии удалось получить серию изображений в ближнем инфракрасном диапазоне, от 700 до 950 нм. После обработки всего полученного массива снимков методами корреляционного совмещения (stacking) было создано разрешенное изображение планеты, обладавшее сходством деталей с фотомозаикой Mariner-10. Более того, очертания небольших образований размерами 150—200 км повторялись на полученном изображении. После подробного анализа результатов сомнений уже не оставалось: благодаря коротким экспозициям и необычному кратковременному прояснению атмосферы удалось получить комбинированные снимки такой четкости, которая соответствует дифракционному пределу инструмента. В дальнейшем такие благоприятные атмосферные условия встречались нечасто; как правило, требовалось собрать 5—10 тыс. удачных изображений для дальнейшего синтеза изображений.

ЧАСТЬ №1 - ЧАСТЬ №2
ЛЕОНИД ВАСИЛЬЕВИЧ КСАНФОМАЛИТИ - доктор физ.-мат. наук, "SciAm" 

 
Горячий Меркурий  
Подробное описание эпиляция у нас.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru