Najbliższa luminarz i najmniejsza planeta w Układzie Słonecznym wciąż pozostaje tajemnicą. Podobnie jak Ziemia i cztery gazowe giganty - Jowisz, Saturn, Uran i Neptun, Merkury ma własną magnetosferę. Po zbadaniu stacji MESSENGER (powierzchnia MErcury, środowisko kosmiczne, geochemia) natura tej warstwy magnetycznej zaczęła się wyjaśniać. Główne wyniki misji są już zawarte w monografiach i podręcznikach. Jak małej planecie udało się zachować magnetosferę.
Aby ciało niebieskie miało własną magnetosferę, potrzebne jest źródło pola magnetycznego. Zdaniem większości naukowców tutaj wyzwalany jest efekt dynama. W przypadku Ziemi wygląda to tak. W trzewiach planety znajduje się metalowy rdzeń ze stałym środkiem i płynną powłoką. Z powodu rozpadu pierwiastków radioaktywnych uwalniane jest ciepło, co prowadzi do powstania konwekcyjnych przepływów płynu przewodzącego. Prądy te wytwarzają pole magnetyczne planety.
Pole oddziałuje z wiatrem słonecznym - strumieniami naładowanych cząstek z gwiazdy. Ta kosmiczna plazma niesie ze sobą własne pole magnetyczne. Jeśli pole magnetyczne planety wytrzymuje ciśnienie promieniowania słonecznego, to znaczy odchyla je na znaczną odległość od powierzchni, to mówią, że planeta ma swoją własną magnetosferę. Oprócz Merkurego, Ziemi i czterech gazowych gigantów, Ganimedes, największy satelita Jowisza, ma również magnetosferę.
Na pozostałych planetach i księżycach Układu Słonecznego wiatr gwiazdowy nie napotyka praktycznie żadnego oporu. Dzieje się tak na przykład na Wenus i najprawdopodobniej na Marsie. Natura pola magnetycznego Ziemi jest nadal uważana za główną tajemnicę geofizyki. Albert Einstein uznał to za jedno z pięciu najważniejszych zadań nauki.
Wynika to z faktu, że chociaż teoria geodynamiczna jest praktycznie bezsporna, stwarza duże trudności. Zgodnie z klasyczną magnetohydrodynamiką efekt dynamo powinien zanikać, a jądro planety powinno ostygnąć i stwardnieć. Nadal nie ma dokładnego zrozumienia mechanizmów, dzięki którym Ziemia utrzymuje efekt samogeneracji dynama wraz z obserwowanymi cechami pola magnetycznego, głównie anomaliami geomagnetycznymi, migracją i inwersją biegunów.
Trudność opisu ilościowego jest najprawdopodobniej spowodowana zasadniczo nieliniowym charakterem problemu. W przypadku Merkurego problem z dynamem jest jeszcze bardziej dotkliwy niż w przypadku Ziemi. W jaki sposób taka mała planeta zachowała swoją własną magnetosferę? Czy to oznacza, że jego rdzeń jest nadal w stanie ciekłym i wytwarza wystarczającą ilość ciepła? A może są jakieś specjalne mechanizmy, które pozwalają ciału niebieskiemu chronić się przed wiatrem słonecznym?
Merkury jest około 20 razy lżejszy i mniejszy niż Ziemia. Średnia gęstość jest porównywalna z ziemią. Rok trwa 88 dni, ale ciało niebieskie nie jest w trakcie przechwytywania pływów wraz ze Słońcem, ale obraca się wokół własnej osi w okresie około 59 dni. Merkury odróżnia się od innych planet Układu Słonecznego stosunkowo dużym metalowym rdzeniem - stanowi około 80 procent promienia ciała niebieskiego. Dla porównania jądro Ziemi zajmuje tylko około połowy jego promienia.
Pole magnetyczne Merkurego zostało odkryte w 1974 roku przez amerykańską stację Mariner 10, która zarejestrowała wybuchy wysokoenergetycznych cząstek. Pole magnetyczne ciała niebieskiego znajdującego się najbliżej Słońca jest około stukrotnie słabsze niż ziemskie, zmieściłoby się całkowicie w kuli wielkości Ziemi i, podobnie jak nasza planeta, jest utworzone przez dipol, czyli ma dwa, a nie cztery, jak gazowe olbrzymy, bieguny magnetyczne.
Film promocyjny:
Zdjęcie: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington / NASA
Pierwsze teorie wyjaśniające naturę magnetosfery Merkurego zostały zaproponowane w latach siedemdziesiątych XX wieku. Większość z nich opiera się na efekcie dynamo. Modele te zostały zweryfikowane od 2011 do 2015 roku, kiedy stacja MESSENGER badała planetę. Dane uzyskane z urządzenia ujawniły niezwykłą geometrię magnetosfery Merkurego. W szczególności w pobliżu planety ponowne połączenie magnetyczne - wzajemne przegrupowanie wewnętrznych i zewnętrznych linii sił pola magnetycznego - występuje około dziesięciu razy częściej.
Prowadzi to do powstania wielu pustek w magnetosferze Merkurego, dzięki czemu wiatr słoneczny dociera do powierzchni planety niemal bez przeszkód. Ponadto MESSENGER odkrył remanencję w skorupie ciała niebieskiego. Korzystając z tych danych, naukowcy oszacowali dolną granicę średniego wieku pola magnetycznego Merkurego na 3,7-3,9 miliarda lat. To, jak zauważyli naukowcy, potwierdza słuszność efektu dynama w tworzeniu globalnego pola magnetycznego planety, a także obecność w nim płynnego jądra zewnętrznego.
Tymczasem kwestia struktury Merkurego pozostaje otwarta. Możliwe, że zewnętrzna warstwa jego rdzenia zawiera płatki metalu - żelazny śnieg. Ta hipoteza jest bardzo popularna, ponieważ wyjaśniając własną magnetosferę Merkurego tym samym efektem dynama, dopuszcza ona niskie temperatury i quasi-stałe (lub quasi-ciekłe) jądro wewnątrz planety.
Zdjęcie: Carnegie Institution of Washington / JHUAPL / NASA
Wiadomo, że rdzenie planet ziemskich zbudowane są głównie z żelaza i siarki. Wiadomo również, że wtrącenia siarki obniżają temperaturę topnienia materiału rdzeniowego, pozostawiając go w stanie ciekłym. Oznacza to, że do utrzymania efektu dynama potrzeba mniej ciepła, którego Merkury już teraz wytwarza za mało. Niemal dziesięć lat temu geofizycy, przeprowadzając serię eksperymentów, wykazali, że w warunkach wysokiego ciśnienia żelazny śnieg może spaść w kierunku środka planety, a płynna mieszanina żelaza i siarki może unieść się w jego kierunku, z jądra wewnętrznego. Może to wywołać efekt dynamo w jelitach Merkurego.
Dane MESSENGER potwierdziły te ustalenia. Spektrometr zainstalowany na stacji wykazał wyjątkowo niską zawartość żelaza i innych ciężkich pierwiastków w skałach wulkanicznych planety. W cienkiej warstwie płaszcza Merkurego prawie nie ma żelaza i jest ono utworzone głównie z krzemianów. Centrum stałe stanowi około połowy (około 900 kilometrów) promienia rdzenia, resztę zajmuje warstwa stopiona. Między nimi najprawdopodobniej znajduje się warstwa, w której płatki metalu przesuwają się od góry do dołu. Gęstość rdzenia jest około dwa razy większa niż płaszcza i szacowana jest na siedem ton na metr sześcienny. Naukowcy uważają, że siarka stanowi około 4,5% masy jądra.
MESSENGER odkrył liczne fałdy, załamania i uskoki na powierzchni Merkurego, co pozwala wyciągnąć jednoznaczny wniosek o aktywności tektonicznej planety w niedalekiej przeszłości. Struktura zewnętrznej skorupy i tektonika, zdaniem naukowców, są związane z procesami zachodzącymi w trzewiach planety. MESSENGER wykazał, że pole magnetyczne planety jest silniejsze na półkuli północnej niż na południu. Sądząc po mapie grawitacyjnej sporządzonej przez aparat, grubość skorupy w pobliżu równika jest średnio o 50 kilometrów większa niż na biegunie. Oznacza to, że płaszcz krzemianowy na północnych szerokościach geograficznych planety nagrzewa się silniej niż w części równikowej. Dane te doskonale zgadzają się z odkryciem stosunkowo młodych pułapek na północnych szerokościach geograficznych. Chociaż aktywność wulkaniczna na Merkurym ustała około 3,5 miliarda lat temu, obecny obraz dyfuzji termicznej w płaszczu planety jest w dużej mierzenajprawdopodobniej zdeterminowana jej przeszłością.
W szczególności przepływy konwekcyjne mogą nadal istnieć w warstwach sąsiadujących z rdzeniem planety. Wtedy temperatura płaszcza pod biegunem północnym planety będzie o 100-200 stopni Celsjusza wyższa niż pod równikowymi regionami planety. Ponadto MESSENGER odkrył, że szczątkowe pole magnetyczne jednej z sekcji skorupy północnej jest skierowane w kierunku przeciwnym do globalnego pola magnetycznego planety. Oznacza to, że w przeszłości co najmniej raz na Merkurym wystąpiła inwersja - zmiana polaryzacji pola magnetycznego.
Tylko dwie stacje zbadały szczegółowo Merkurego - Mariner 10 i MESSENGER. A ta planeta, głównie ze względu na swoje własne pole magnetyczne, jest przedmiotem wielkiego zainteresowania nauki. Wyjaśniając naturę jego magnetosfery, prawie na pewno możemy to zrobić dla Ziemi. W 2018 roku Japonia i UE planują wysłać trzecią misję na Merkurego. Będą latać dwie stacje. Po pierwsze, MPO (Mercury Planet Orbiter) skompiluje wielofalową mapę powierzchni ciała niebieskiego. Drugi, MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter), będzie badał magnetosferę. Oczekiwanie na pierwsze wyniki misji zajmie dużo czasu - nawet jeśli start nastąpi w 2018 roku, to stacja docelowa zostanie osiągnięta dopiero w 2025 roku.
Yuri Sukhov