Най-близката до светилото и най-малката планета в Слънчевата система все още е загадка. Подобно на Земята и четирите газови гиганта - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, Меркурий има собствена магнитосфера. След проучвания на станцията MESSENGER (повърхност на Меркурий, космическа среда, GEochemistry), естеството на този магнитен слой започва да става ясно. Основните резултати от мисията вече са включени в монографии и учебници. Как малка планета успя да запази магнитосферата.
За да има небесно тяло собствена магнитосфера, е необходим източник на магнитно поле. Според повечето учени тук ефектът на динамо се задейства. В случая със Земята изглежда така. В недрата на планетата има метално ядро с твърд център и течна обвивка. Поради разпадането на радиоактивни елементи се отделя топлина, което води до образуването на конвективни потоци от проводима течност. Тези течения генерират магнитното поле на планетата.
Полето взаимодейства със слънчевия вятър - потоци от заредени частици от звездата. Тази космическа плазма носи със себе си собствено магнитно поле. Ако магнитното поле на планетата издържа на налягането на слънчевата радиация, тоест я отклонява на значително разстояние от повърхността, тогава те казват, че планетата има собствена магнитосфера. Освен Меркурий, Земята и четирите газови гиганта, Ганимед, най-големият спътник на Юпитер, също има магнитосфера.
В останалите планети и луни на Слънчевата система звездният вятър не среща практически никакво съпротивление. Това се случва например на Венера и, най-вероятно, на Марс. Природата на магнитното поле на Земята все още се счита за основна загадка на геофизиката. Алберт Айнщайн го смята за една от петте най-важни задачи на науката.
Това се дължи на факта, че макар теорията за геодинамото да е практически безспорна, тя създава големи трудности. Според класическата магнитохидродинамика, ефектът на динамо трябва да се разпадне, а ядрото на планетата да се охлади и да се втвърди. Все още няма точно разбиране на механизмите, поради които Земята поддържа ефекта от самогенерирането на динамото, заедно с наблюдаваните характеристики на магнитното поле, преди всичко геомагнитни аномалии, миграция и обръщане на полюсите.
Трудността на количественото описание най-вероятно е по същество нелинейния характер на проблема. В случая с Меркурий проблемът с динамото е още по-остър, отколкото за Земята. Как такава малка планета запази собствената си магнитосфера? Означава ли това, че сърцевината му все още е в течно състояние и генерира достатъчно топлина? Или има някакви специални механизми, които позволяват на небесното тяло да се защити от слънчевия вятър?
Меркурий е около 20 пъти по-лек и по-малък от Земята. Средната плътност е сравнима с тази на земята. Годината трае 88 дни, но небесното тяло не е в прилив на прилив със Слънцето, а се върти около собствената си ос с период от около 59 дни. Меркурий се отличава от другите планети на Слънчевата система с относително голямо метално ядро - то представлява около 80 процента от радиуса на небесно тяло. За сравнение, ядрото на Земята заема само около половината от своя радиус.
Магнитното поле на Меркурий е открито през 1974 г. от американската станция Mariner 10, която регистрира изблици на високоенергийни частици. Магнитното поле на най-близкото до Слънцето небесно тяло е около сто пъти по-слабо от земното, то би се вписало напълно в сфера с размерите на Земята и подобно на нашата планета се образува от дипол, тоест има два, а не четири, като газови гиганти, магнитни полюси.
Промоционално видео:
Снимка: Лаборатория за приложна физика на университета Джонс Хопкинс / Институт Карнеги от Вашингтон / НАСА
Първите теории, които обясняват естеството на магнитосферата на Меркурий, са предложени през 70-те години. Повечето от тях са базирани на динамо ефект. Тези модели бяха проверени от 2011 до 2015 г., когато станцията MESSENGER проучи планетата. Данните, получени от устройството, разкриха необичайната геометрия на магнитосферата на Меркурий. По-специално, в близост до планетата, магнитното повторно свързване - взаимното пренареждане на вътрешните и външни сили на магнитното поле - се случва около десет пъти по-често.
Това води до образуването на много празнини в магнитосферата на Меркурий, което позволява на слънчевия вятър да достигне почти безпрепятствено повърхността на планетата. В допълнение, MESSENGER открил остатъци в кората на небесно тяло. Използвайки тези данни, учените са оценили долната граница за средната възраст на магнитното поле на Меркурий на 3,7-3,9 милиарда години. Това, както отбелязаха учените, потвърждава валидността на динамовия ефект за формирането на глобалното магнитно поле на планетата, както и наличието на течно външно ядро в него.
Междувременно въпросът за структурата на Меркурий остава отворен. Възможно е външният слой на сърцевината му да съдържа метални люспи - железен сняг. Тази хипотеза е много популярна, тъй като, обяснявайки собствената магнитосфера на Меркурий със същия динамо ефект, тя позволява ниски температури и квази-твърдо (или квази-течно) ядро вътре в планетата.
Снимка: Институция Карнеги от Вашингтон / JHUAPL / НАСА
Известно е, че сърцевините на земните планети са образувани главно от желязо и сяра. Известно е, че включенията на сярата също понижават точката на топене на основната материя, оставяйки я течна. Това означава, че за поддържане на ефекта на динамо е необходима по-малко топлина, която Меркурий вече произвежда твърде малко. Преди близо десет години геофизиците, провеждайки серия от експерименти, демонстрираха, че при условия на високо налягане желязният сняг може да падне към центъра на планетата и течна смес от желязо и сяра може да се издигне към него от вътрешното ядро. Това може да създаде ефект на динамо в червата на Меркурий.
Данните на MESSENGER потвърдиха тези констатации. Спектрометърът, инсталиран на станцията, показва изключително ниско съдържание на желязо и други тежки елементи във вулканичните скали на планетата. Почти няма желязо в тънкия слой на мантията на Меркурий и се образува главно от силикати. Твърдият център представлява около половината (около 900 километра) радиус на сърцевината, останалата част е заета от разтопения слой. Между тях, най-вероятно, има слой, в който металните люспи се движат отгоре надолу. Плътността на сърцевината е около два пъти по-голяма от тази на мантията и се изчислява на седем тона на кубичен метър. Сярата, смятат учените, представлява около 4,5 процента от масата на ядрото.
MESSENGER откри многобройни гънки, завои и разломи на повърхността на Меркурий, което дава възможност да се направи еднозначен извод за тектонската активност на планетата в близкото минало. Структурата на външната кора и тектониката според учените са свързани с процесите, протичащи в недрата на планетата. MESSENGER показа, че магнитното поле на планетата е по-силно в северното полукълбо, отколкото в южното. Съдейки по гравитационната карта, съставена от апарата, дебелината на кората близо до екватора е средно с 50 километра по-висока, отколкото при полюса. Това означава, че силикатната мантия в северните ширини на планетата се нагрява по-силно, отколкото в екваториалната му част. Тези данни са в отлично съгласие с откриването на сравнително млади капани в северните ширини. Въпреки че вулканичната активност върху Меркурий е престанала преди около 3,5 милиарда години, настоящата картина на термичната дифузия в мантията на планетата е до голяма степеннай-вероятно се определя от миналото й.
По-специално, конвективните потоци все още могат да съществуват в слоевете, съседни на ядрото на планетата. Тогава температурата на мантията под северния полюс на планетата ще бъде със 100-200 градуса по Целзий по-висока, отколкото под екваториалните райони на планетата. Нещо повече, MESSENGER откри, че остатъчното магнитно поле на един от участъците на северната кора е насочено в обратна посока спрямо глобалното магнитно поле на планетата. Това означава, че в миналото на Меркурий се е появила инверсия поне веднъж - промяна в полярността на магнитното поле.
Само две станции са проучили подробно Меркурий - Mariner 10 и MESSENGER. И тази планета, предимно заради собственото си магнитно поле, представлява голям интерес за науката. Обяснявайки природата на нейната магнитосфера, почти сигурно можем да направим това за Земята. През 2018 г. Япония и ЕС планират да изпратят трета мисия в Меркурий. Две станции ще летят. Първо, MPO (Mercury Planet Orbiter) ще състави карта на многовълнова дължина на повърхността на небесно тяло. Вторият, MMO (Меркурий магнитосферен орбитър), ще изследва магнитосферата. Ще отнеме много време да се изчакат първите резултати от мисията - дори и стартът да се проведе през 2018 г., местоназначението на гарата ще бъде постигнато едва през 2025 година.
Юрий Сухов