Залізна зима на меркурії

NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington / Goddard Space Flight Center

Сама невелика, але в той же час найближче розташована до Сонця планета Сонячної системи, до теперішнього часу викликає чимало запитань вчених. Подібно Землі і чотирьох газових гігантів - Юпітера, Урана, Сатурна і Нептуна, Меркурій має власну магнітосферу. Дослідження станції MESSENGER допомогли трохи прояснити природу магнітного шару даної планети. Деякі результати досліджень поступово включають в учні і наукові монографії. Але яким чином маленька планета зуміла зберегти магнітосферу, безумовно вчені поки відповісти не можуть.

Для виникнення у небесного об`єкта власної магнітосфери необхідне джерело магнітного поля. На переконання більшості вчених, в даному випадку має місце ефект динамо. Якщо говорити про нашу планету, то це виглядає наступним чином. В надрах Землі розташоване металеве ядро ​​з рідкою оболонкою і твердим центром. Коли розпадаються радіоактивні елементи, відбувається виділення тепла, яке призводить до утворення конвективних потоків провідної рідини. Ці потоки і виробляють магнітне поле Землі.

Поле вступає у взаємодію з потоками заряджених частинок від Сонця - сонячним вітром. В результаті утворюється космічна плазма, яка має власне магнітне поле. У тому випадку, якщо магнітне поле планети здатне витримати тиск сонячної радіації, відхиляючи її на великій відстані від поверхні, тоді прийнято говорити про те, що у планети є власна магнітосфера. Крім Землі, Меркурія і газових гігантів, магнітосфера є у Ганімеда - найбільшого супутника Юпітера.

Решта планети і місяця Сонячної системи не надають сонячному вітрі практично ніякого опору. Подібне, зокрема, відбувається на Венері і, як вважають деякі вчені, на Марсі. До теперішнього часу природа магнітного поля нашої планети вважається однією з найбільших загадок геофізики. А, на думку Альберта Ейнштейна, вона є однією з п`яти основних завдань науки.

За словами вчених, це може бути пов`язано з тим, що незважаючи на безальтернативність теорії геодінамо, вона в той же час викликає чимало труднощів. Класична магнітогідродинаміка говорить про те, що ефект динамо повинен затухати, а ядро ​​планети - твердеть після охолодження. Але до теперішнього часу не існує точного розуміння механізмів, за рахунок яких наша планета підтримує ефект самогенерации динамо разом з геомагнітними аномаліями, інверсією і міграцією полюсів і іншими особливостями магнітного поля.

Кількісний опис утруднено, ймовірно, істотно нелінійним характером завдання. Проблема динамо в разі Меркурія набагато більш істотна, ніж у Землі. Вчені не можуть визначити, яким чином настільки маленька планета зуміла зберегти свою магнітосферу. Деякі висловлюються на користь того, що ядро ​​Меркурія знаходиться в рідкому стані і здатна генерувати достатню кількість тепла. Або існують певні механізми, які дають можливість цьому небесному тілу чинити опір сонячному вітру.

За своїми розмірами Меркурій приблизно в 20 разів менше і легше нашої планети. Його середня щільність схожа із земною. Рік на Меркурії триває приблизно 88 днів, але цей небесний об`єкт обертається навколо власної осі з інтервалом близько 59 діб, не перебуваючи в приливному захопленні зі світилом. Меркурій відрізняється від інших планет Сонячної системи тим, що має відносно велику металеве ядро, на яке припадає близько 80 відсотків усього радіусу планети. Ядро нашої планети, для порівняння, дорівнює приблизно половині її радіусу.

Магнітне поле планети Меркурій було відкрито американської станцією Mariner 10 в 1974 році, коли були зафіксовані сплески високоенергетичних частинок. Як виявилося, магнітне поле Меркурія слабше земного приблизно в сто разів, і воно могло б повністю поміститися в сферу розміром з нашу планету. Подібно магнітного поля Землі, поле Меркурія формується диполем, іншими словами, у нього є два, а не чотири, магнітних полюси, як у газових гігантів.

Найперші гіпотезу, які намагалися пояснити природу магнітосфери Меркурія, вчені запропонували в 1970-і роки. Багато з цих теорій засновані на ефекті динамо. Все гіпотезу пройшли підтвердження в 2011-2015 роках, в той період, коли американська станція вивчала планету. Завдяки даним, отриманим за допомогою апарату, вдалося виявити незвичайну геометрію магнітосфери даного небесного тіла. В околицях Меркурія взаємна перебудова зовнішніх і власних силових ліній магнітного поля або магнітне перез`єднання відбувається частіше приблизно в десять разів.

За рахунок цього в магнітосфері планети утворюється чимало пустот, які дають можливість сонячному вітру досягати поверхні Меркурія практично безперешкодно. Крім цього, апарат виявив в корі планети залишкову намагніченість. Вчені спробували оцінити нижню межу середнього віку магнітного поля планети, використовуючи отримані дані. Це значення, за словами дослідників, дорівнює приблизно 3,7-3,9 мільярдів років. Це, за словами вчених, є підтвердженням справедливості ефекту динамо для освіти глобального магнітного поля Меркурія, а крім того, наявності у планети зовнішнього рідкого ядра.

У той же час, питання щодо структури Меркурія і раніше залишається відкритим. Вчені не виключають, що в зовнішньому шарі ядра планети можуть міститися металеві пластівці - так званий залізний сніг. Дана теорія дуже популярна, тому як пояснює наявність власної магнітосфери Меркурія ефектом динамо, але в той же час допускає дуже тверде або дуже рідке ядро ​​всередині планети і невисокі температури.

Наукою встановлено, що ядра планет земної групи утворені сірою і залізом. Крім того, відомо, що сірка знижує температуру плавлення матерії ядра, залишаючи його в рідкому стані. Таким чином, щоб підтримувати ефект динамо, необхідно трохи тепла, якого Меркурій виробляє і так дуже мало. Близько десяти років тому геофізики було проведено кілька експериментів, які показали, що в сторону центру планети за умови високого тиску може падати залізний сніг, а від внутрішнього ядра назустріч йому - підніматися рідка суміш сірки і заліза. Завдяки цьому в надрах планети і створюється ефект динамо.

Даний, отримані за допомогою станції MESSENGER, тільки підтвердили дані припущення. Встановлений на апараті спектрометр показав наявність дуже невеликого змісту в вулканічних породах небесного об`єкта заліза та інших важких елементів. Тонкий шар мантії планети практично позбавлений заліза, і сформована вона майже повністю силікатами. Твердий центр складає приблизно половину радіуса ядра, все решта припадає на розплавлений шар. Цілком ймовірно, між ними знаходиться ще один шар, в якому переміщаються залізні пластівці зверху вниз. Щільність ядра приблизно в два рази більше щільності мантії, і дорівнює семи тоннам на один кубічний метр. Відповідно до припущень вчених, сірка становить приблизно 4,5 відсотка маси ядра.

На поверхні планети Меркурій американський апарат виявив безліч складок, розломів і вигинів, що дає можливість припустити тектонічну активність планети в недавньому минулому. Вчені вважають, що тектоніка і будова зовнішньої кори має зв`язок з процесами, які відбуваються в надрах планети. Згідно з даними апарату, в північній півкулі магнітне поле сильніше, ніж в південному. MESSENGER склав гравітаційну карту, згідно з якою в районі екватора товщина кори приблизно на 50 кілометрів більше, ніж на полюсі. Це може означати, що в північних широтах Меркурія силікатна мантія розігріта сильніше, ніж в її екваторіальній частині. Ці припущення добре узгоджуються з тим, що в північній частині були виявлені відносно молоді Трапп. Незважаючи на те, що на Меркурії вулканічна активність закінчилася близько 3,5 мільярдів років тому, та картина термодифузії, яка спостерігається в мантії в даний час, визначена в чому її минулим.

У шарах, які впритул прилягають до ядра Меркурія, до теперішнього часу можливе існування конвективних потоків. В такому випадку температура мантії в північній півкулі буде на кілька сотень градусів вище, ніж в області екватора. Крім того, апаратом було виявлено, що на одній з дільниць північній кори залишкове магнітне поле направлено щодо глобального магнітного поля Меркурія в протилежну сторону. За словами вчених, це може означати, що на планеті в минулому як мінімум один раз відбулася зміна полярності магнітного поля.

Докладним вивченням Меркурія займалися лише дві станції - MESSENGER і Mariner 10. У той же час, дана планета завдяки наявності власного магнітного поля, для науки представляє великий інтерес. У тому випадку, якщо вченим вдасться пояснити природу магнітосфери Меркурія, то вони, цілком можливо, зможуть зробити це і для нашої планети. У 2018 році планується запуск третьої, міжнародної (в складі Європейського Союзу і Японії) місії до Меркурію. Передбачається, що полетить кілька станцій. Перша повинна скласти мультіволновую карту поверхні Меркурія. А друга буде проводити дослідження магнітосфери. Перших результатів місії доведеться чекати досить довго - навіть у тому випадку, якщо старт і відбудеться в 2018 році, то до точки призначення станції зможуть дістатися лише до 2025 року.