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第6章 公转最快的行星—水星

1.水星概况

在太阳系八大行星中,水星是最小的行星。它和太阳的平均距离为5790万千米,约为日地距离的0.387,是距离太阳最近的行星。正因如此,它受到的太阳引力也最大,轨道速度为每秒48千米,比地球的轨道速度快18千米。这样快的速度,只需15分钟就能环绕地球一周,只需88天就能绕太阳一周,所以它是公转最快的行星。它比月球大1/3,是最靠近太阳的行星。水星目视星等可见度范围是0.4~5.5.水星如此接近太阳,常常被猛烈的阳光淹没。它的轨道距太阳4590万~6970万千米之间,因此望远镜很少能够仔细观察它。水星没有自然卫星,靠近过水星的探测器只有美国探测器“水手10号”和美国发射的“信使号”探测器。1974~1975年,“水手10号”探索水星时,只拍摄到大约45%的表面;2008年1月,“信使号”掠过水星。

水星的英文名字,是来自罗马神话中众神的使者墨丘利(对应希腊神话中的赫耳墨斯)。水星符号是上面一个圆形下面一个交叉的短垂线和一个半圆形,和墨丘利所拿魔杖的形状一样。公元前5世纪,水星实际上被认为是两个不同的行星,这是因为它时常交替地出现在太阳的两侧。当它出现在傍晚时,它被叫做墨丘利;但是当它出现在早晨时,为了纪念太阳神阿波罗,它被称为阿波罗。毕达哥拉斯后来指出,他们实际上是相同的一颗行星。公元前3000年的苏美尔人也发现了水星。

水星的轨道偏离正圆程度很大,近日点距太阳仅4600万千米,远日点却有7000万千米。在轨道的近日点,它以十分缓慢的速度按岁差围绕太阳向前运行。水星因太阳的引力场而绕其公转,太阳引力场极其巨大。

水星在许多方面与月球相似,它的表面有许多陨石坑,而且十分古老。一方面,它没有板块运动;另一方面,水星的密度比月球大得多,水星密度为5.43克/立方厘米,而月球是3.34克/立方厘米。水星是太阳系中仅次于地球、密度第二大的天体。事实上,地球的密度高,部分源于万有引力的压缩。若不是因为这个原因,水星的密度将大于地球,这表明水星的铁质核心,比地球的相对要大些,很有可能构成了行星的大部分。因此,相对而言,水星仅有一圈薄薄的硅酸盐地幔和地壳。

巨大的铁质核心半径为1800~1900千米,是水星内部的支配者。硅酸盐外壳仅有500~600千米厚,至少有一部分核心大概成熔融状。

事实上,水星的大气很稀薄,几乎不存在,由太阳风带来的被破坏的原子构成。水星温度如此高,使得这些原子迅速地散逸至太空中,与地球和金星稳定的大气相比,水星的大气频繁地被补充更换。

水星的表面表现出巨大的急斜面,有些达到几百千米长,3000千米高。有些横处于环形山的外环处,而另一些急斜面的面貌表明,它们是受压缩形成的。据估计,水星表面收缩了大约0.1%。

水星上最大的地貌特征之一是卡路里盆地,直径约为1300千米。人们认为它与月球上最大的盆地相似。除了布满陨石坑的地形,水星也有相对平坦的平原,有些也许是古代火山运动的结果,但另一些大概是陨石所形成的喷出物沉积的结果。

2.水星的温度和日照情况

因为没有大气的调节,距离太阳又非常近,水星表面的日照比地球强8.9倍,所以在太阳的烘烤下,向阳面的温度最高时可达430℃,但背阳面的夜间温度可降到零下160℃,昼夜温差近600℃,是行星表面温差最大的冠军,这真是一个处于火和冰之间的世界,所以它是表面温差最大的行星。令人惊讶的是,1992年进行的雷达观察显示,水星的北极有冰。一般相信,这些冰在阳光永远无法照射到的环形山底部,是由于彗星的撞击或行星内部的气体冒出表面积累而成的。

3.水星的大气环境

据科学探测,水星只有微量的大气,水星的大气极其稀薄。实际上,水星大气中的气体分子与水星表面相撞的频密程度,比它们之间互相相撞要高许多。出于这些原因,水星应被视为是没有大气的。它的“大气”主要由氧、钾和钠组成。

水星的大气非常少,主要成分为氦(42%)、气化钠(42%)和氧(15%)。大气在白天气温非常高,平均地表温度为179℃,最高为427℃,最低为-173℃。因此水星上看来不可能存在水,但1991年科学家在水星的北极发现了一个不同寻常的亮点,形成这个亮点的可能是在地表或地下的冰。水星上真的有可能存在冰吗?由于水星的轨道比较特殊,在它的北极,太阳始终只在地平线上徘徊。在一些陨石坑内部,可能由于永远见不到阳光而使温度降至-161℃以下。这样低的温度,就有可能凝固从行星内部释放出来的气体,或积存从太空来的冰。

组成水星大气的原子,不断被遗失到太空中,所以钾或钠原子在一个水星日上,大约有3小时的平均“寿命”。散失的大气不断被一些机制所替换,如被行星引力场俘获、火山蒸汽以及两极冰冠的除气作用。

4.水星的地形与地貌

据天文观测,水星的环形山类似月球。水星表面最显著的特征(只包括已经被拍摄过的部分)之一是一个直径达到1350千米的冲击性环形山。卡路里盆地,是水星上温度最高的地区。水星地形被标记为多起伏状,原因是几十亿年前,水星的核心冷却收缩引起的外壳起皱。大多数的水星表面,包括两个不同的年龄层。除此之外,水星有“显著性”的“周期性膨胀”。

水星的表面很像月球,满布着环形山、大平原、盆地、辐射纹和断崖。水星表面大大小小的环形山星罗棋布,既有高山,也有平原,还有令人胆寒的悬崖峭壁。据统计,水星上的环形山有上千个,这些环形山比月亮上的环形山的坡度平缓些。

水星表面上环形山的名字,都是以文学艺术家的名字来命名的,没有科学家。这是因为月面环形山大都用科学家的名字命名。水星表面被命名的环形山直径,都在20千米以上,而且都位于水星的西半球。这些名人的大名,将永远与日月争辉,以纪念他们为人类做出的卓越贡献。

5.水星的地质构造

据科学观测,水星内部构造很像地球,分为壳、幔、核三层。水星的半径为2439千米,是地球半径的38.2%,18个水星合并起来才抵得上1个地球的大小,质量为3.33×1026克,为地球质量的5.58%,平均密度为5.433克/厘米3,略低于地球的平均密度。在八大行星中,除地球外,水星的密度最大。由此天文学家推测,水星的外壳是由硅酸盐构成的,其中心有个比月球大得多的铁质内核。

水星所含有的铁的百分率,超过任何其他已知的星系行星。核球的主要成分是铁、镍和硅酸盐,所以水星应含铁2万亿亿吨,按目前世界钢的年产量(约8亿吨)计算,可以开采2400亿年,真是一座取之不尽,用之不竭的大铁矿!

在1992年的雷达观察中显示,水星含有冻结的水冰。这被认为只存在于那永远的阴暗一面的环形山底,被彗星或从行星内部喷发出来,并堆积在那里。

6.水星的运动

据科学测算,水星离太阳的平均距离为5790万千米,绕太阳公转轨道的偏心率为0.206,故其轨道很扁。太阳系天体中,除冥王星外,要算水星的轨道最扁了。水星在轨道上的平均运动速度,为48千米/秒,是太阳系中运动速度最快的行星,它绕太阳运行一周只需88天。除公转之外,水星本身也有自转,而自转周期正好是公转周期的2/3.

地球每自转一周,就是一昼夜,而水星自转三周才是一昼夜。水星上一昼夜的时间,相当于地球上的176天。因此,人们说水星上的一天等于两年。由于水星在近日点时,总以同一经度朝着太阳,在远日点时,以相差90°的经度朝着太阳,所以水星随着经度的不同而出现季节变化。

水星的运行轨道是偏心的,半径从4600万~7000万千米变化。围绕太阳的缓慢岁差,不能完全地被牛顿经典力学所解释,这称为“水星近日点进动”。随着科学的发展,爱因斯坦的广义相对论,后来提供了一种可以消除这个小误差的解释。

在水星的表面上的一些地方,在同一个水星日里,当在太阳升起时,可以看见太阳先上升,然后倒退,最后落下,然后再一次上升。这是因为大约四天的近日点周期,水星轨道速度,完全等于它的自转速度,以至于太阳的视运动停止。在近日点时,水星的轨道速度,超过自转速度。因此,太阳看起来会逆行性运动,在近日点后的四天,太阳恢复正常的视运动。

直到1965年使用雷达观测后,观察数据否决了水星对太阳是潮汐固定的想法:自转使得所有时间里,水星保持相同的一面对着太阳。水星轨速振谐为3:2,这就是说,自转三次的时间,是围绕太阳公转两次的时间;水星的轨道离心,使这个谐振持稳。最初天文学家认为,它有被固定的潮汐,是因为水星处于最好的观测位置,它总是在3:2谐振中的相同时刻,展现出相同的一面,就如同它完全地被固定住一样。水星的自转,比地球缓慢59倍。

7.水星的磁场

据科学观测,水星有一个相对强劲的磁场,赤道上的磁场约0.004高斯,两极处略微强些,约0.007高斯;地球赤道上的磁场强度在0.29~0.40高斯之间,两极处的强度也略大,地磁北极约0.61高斯,南极约0.68高斯。大体上说来,水星表面磁场的强度大致是地球的1%。这个磁场的产生方式和地球磁场的产生方式相似,也是凭借核心金属液体的流动而产生磁场。根据目前的估计,水星核心的热度不足以热液化镍—铁合金,但是它应该可以液化一些低熔点的物质,比如硫或锍。水星的磁场,也可能是一个现在已经停止的早期的发电机效应产生的残余产品,磁场已经“冻结(保存)”在固体磁性材料中。

水星的偶极磁场与地球的很相像,极性也相同,即水星磁场的北极在水星的北半球,其南极在南半球。

8.水星的观测

水星最亮的时候,目视星等达-1.9等。由于水星和太阳之间的视角距离不大,使得水星淹没在耀眼的阳光中而不得见。即使在最宜于观察的条件下,也只有在日落西山之后在西山低处的夕阳余晖中,或是在日出之前在东方地平线,才能看到它。

观察水星的最佳时候,是在日出前50分钟或日落后50分钟。需要牢记的是,不要直接看太阳。若用望远镜看水星,则可以选择水星在其轨道上处于太阳一侧或另一侧,离太阳最远时。若是在西边,则可以在清晨观测;若是在东边,则可以在黄昏观测。知道了日期,又知道在太阳的哪一侧搜寻,还应该尽可能挑一个地平线没有东西阻隔的地点。搜寻水星,要在离太阳升起或落下处大约10厘米左右的位置。你将会看到一个小小的发出淡红色光的星星。在其被太阳光淹没之前,你大概可以观测它2个星期。6个星期之后,它又会在相对的距角处,重新出现。

你知道水星凌日吗?

当水星走到太阳和地球之间时,我们在太阳圆面上会看到一个小黑点穿过,这种现象称为水星凌日。其道理和日食类似,由于水星和地球的绕日运行轨道不在同一个平面上,而是有一个7度的倾角。因此,只有水星和地球两者的轨道处于同一个平面上,而日、水、地三者又恰好排成一条直线时,才会发生水星凌日。地球每年5月8日前后,经过水星轨道的降交点;每年11月10日前后,又经过水星轨道的升交点。所以,水星凌日只能发生在这两个日期的前后。由于水星比月亮离地球远,视直径仅为太阳的190万分之一。水星挡住太阳的面积太小,不足以使太阳亮度减弱,所以用肉眼看不到水星凌日,只能通过望远镜进行投影观测。水星凌日,每100年平均发生13次。最近一次凌日是在1999年11月16日5时42分。

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