星辰大海之旅（19）——水星

離太陽最近的水星

水星並非水多的星。水星質量較大。是個高金屬性星球。水星是太陽系中最內側、最小、離太陽最近的行星。水星離太陽的平均距離為5790萬公里。它非常靠近太陽，所以只會出現在凌晨或黃昏-稱為辰星或昏星。水星隨著經度不同而出現季節變化。

水星

一、公轉和自轉

水星的運行軌道很扁，半徑在4600萬-7000萬公里之間變化。有著太陽系行星中最小的軌道傾角。太陽系中，它的軌道橢圓是最“扁”的。水星在軌道上的平均運動速度為48公里/秒，是太陽系中運動速度最快的行星。它繞太陽運行一週只需要88天（公轉週期）。水星軌道有每世紀快43″的反常進動。

過去認為水星的自轉週期應當與公轉週期相等，都是88天。1965年，美國射電望遠鏡測定了水星的自轉週期，是58.646天，正好是水星公轉週期的2/3。

二、地質構造

水星是太陽系中密度第二高的行星，僅次於地球。由大約70%的金屬和30%的硅酸鹽材料組成，密度是5.427，僅次於地球的5.515（克/立方厘米）。據此估計水星內部必定存在一個超大的內核，且含有許多的鐵，佔總質量的2/3，而相比之下，地球的內核區質量只佔地球總質量的1/3。美國科學界認為這是在太陽系早期的狂暴撞擊時代，水星曾遭遇嚴重撞擊而形成的。水星含鐵的百分率超過任何其他已知的星系行星。

水星是太陽系內與地球相似的4顆類地行星之一。有著與地球一樣的岩石個體。在赤道的半徑是2,439.7公里。

注：類地行星是以硅酸鹽石作為主要成分的行星。類地行星的結構大致相同：一個主要是鐵的金屬中心，外層則被硅酸鹽地幔所包圍。它們的表面一般都有峽谷、隕石坑、山和火山。地球所在的太陽系有四顆類地行星：水星、金星、地球和火星。

太陽系

水星

三、地形地貌

水星的表面很像月球，大大小小的環形山星羅棋佈，既有高山，也有平原；有裂谷、盆地、輻射紋，也有令人膽寒的懸崖峭壁、斷崖等地形。據統計，水星上的環形山有上千個，比月亮上的環形山的坡度平緩些。

水星是溫差最大的行星。白天太陽光直射處溫度高達427℃，夜晚太陽照不到時溫度降低到-173℃。水星的表面的日照比地球強8.9 倍。

1992年雷達觀察顯示，水星的北極有冰。據說這些冰存在於陽光無法照射到的環形山底部，由於彗星的撞擊或內部的氣體冒出表面而積累的。由於沒有大氣調節，這些地方的溫度一直維持約合-173℃左右。

水星的表面有巨大的急斜面，有些達到幾百千米長，三千米高。有些橫處於環形山的外環處，而另一些急斜面看起來是受壓縮而形成的。

水星表面受到無數次的隕石撞擊，到處坑坑窪窪。盆地周圍山脈圍繞，在盆地之外是撞擊噴出的物質以及平坦的熔岩洪流平原。此外，水星表面還形成許多褶皺、山脊和裂縫，彼此相互交錯。

水星表面最顯著的的特徵之一是個直徑達到1360km的衝擊性環形山，即卡路里（Caloris）盆地，它是水星上溫度最高的地區。這個盆地很可能形成於太陽系早期的大碰撞中。

水星地形多起伏，原因是幾十億年前水星的核心冷卻收縮引起的外殼起皺。大多數的水星表麵包括二個不同的年齡層；比較年輕的比較平，或許是因為溶岩浸入了較早地形的結果。除此之外，水星有“顯著性”的“週期性膨脹”。

水星有兩種地質顯著不同的平原。在坑穴之間，起伏平緩、多丘陵的平原，是水星表面可見最古老的地區。這些埋藏著隕石坑的平原似乎已湮滅許多較早的隕石坑。這些埋藏著隕石坑的平原大致是均勻的分佈在整個行星的表面。

平坦的平原是廣闊的平坦區域，佈滿了各種大大小小的凹陷，和月球的海非常的相似。它們廣泛的環繞在卡洛里盆地的周圍。所有水星平坦平原的形成都比卡洛里盆地晚。

行星表面一個不尋常的特徵是眾多的壓縮皺褶或峭壁，在平原表面交錯著。水星的表面也會被太陽扭曲（潮汐），太陽對水星的潮汐力比月球對地球的強17倍。

太陽系各行星

四、星體磁場

在太陽系中，火星、金星、地球、木星、土星都有磁場。水星的磁場強度僅有地球的1%不到。

地球磁場構成了地球上生命的保護傘，幫助抵擋有害的太陽射線和其它宇宙射線，從而造就了生命的樂園。有人將地球磁場稱作“我們的輻射保護傘”，如果沒有地球磁場，地球上的生命將很難出現和演化。磁場產生機制是星球外核部位導電熔漿的流動形成的“電機”模式。

五、大氣層

水星上有極稀薄的大氣，因而水星的表面白天和夜晚的溫度相差很大。實際上水星大氣中的氣體分子與水星表面相撞的頻密程度比它們之間互相相撞要高。出於這些原因，水星應被視為是沒有大氣的。

水星的大氣非常少，而且在白天氣溫非常高，平均地表溫度為179℃，最高為427℃，最低為零下173℃，因此水星上看來不可能存在水。但1991年發現水星北極的亮點，可能是在地表或地下的冰。由於水星的軌道比較特殊，在它的北極，太陽始終只在地平線上徘徊。在一些隕石坑內部，可能由於永遠見不到陽光而使溫度降至零下161℃以下。這樣低的溫度就有可能凝固從行星內部釋放出來的氣體，或積存從太空來的冰。

在太陽的強烈輻射轟擊下，水星大氣被向後壓縮延伸開去，在背陽處形成一個“尾巴”，就像一顆巨大的彗星。

六、行星之最

在太陽系中，水星獲得了幾個"最" 的記錄：

離太陽距離最近：水星和太陽的平均距離為5790萬公里，約為日地距離的0.387倍。

軌道速度最快：因為距離最近，所以受到太陽的引力也最大，因此在它的軌道上比任何行星都跑得快，軌道速度為每秒48公里，比地球的軌道速度快18公里。這樣快的速度，只用15分鐘就能環繞地球一週。

表面溫差最大：因為沒有大氣的調節，距離太陽又非常近，所以在太陽的烘烤下，向陽面的溫度最高時可達430℃，但背陽面的夜間溫度可降到零下160℃，晝夜溫差近600℃，奪得行星表面溫差最大的冠軍，這真是一個處於火和冰之間的世界。

衛星最少：太陽系中發現了越來越多的衛星，總數超過60個，但水星和金星是根本沒有衛星的行星。

時間最快：

水星年：地球每一年繞太陽公轉一圈， 而"水星年"是太陽系中最短的年，它繞太陽公轉一週只用88天，還不到地球上的3個月。這都是因為水星圍繞太陽高速飛奔的緣故。

水星日：在太陽系的行星中，“水星年”時間最短，但水星"日"卻比別的行星更長。水星公轉一週是88天（地球日），自轉一週是58.646天

八、軌道變動

水星擁有太陽系8大行星中偏心率最大的軌道，通俗的說，就是它的軌道的橢圓是最“扁”的。而最新的計算機模擬顯示，在未來數十億年間，水星的這一軌道還將變得更扁，使其有1%的機會和太陽或者金星發生撞擊。更讓人擔憂的是，和外側的巨行星引力場一起，水星這樣混亂的軌道運動將有可能打亂內太陽系其他行星的運行軌道，甚至導致水星，金星或火星的軌道發生變動，並最終和地球發生相撞。

註釋：內太陽系指太陽系中太陽和小行星帶之間的區域。

小行星帶以及類地行星

九、水星凌日現象

當水星走到太陽和地球之間時，我們在太陽圓面上會看到一個小黑點穿過，這種現象稱為水星凌日。其道理和日食類似，不同的是水星比月亮離地球遠，視直徑僅為太陽的190萬分之一。水星擋住太陽的面積太小了，不足以使太陽亮度減弱，所以，用肉眼是看不到水星凌日的，只能通過望遠鏡進行投影觀測。水星凌日每100年平均發生13次。在20世紀末有一次凌日是在1999年11月16日5時42分。

水星凌日過程示意圖

在人類歷史上，第一次預告水星凌日是"行星運動三大定律"的發現者，德國天文學家開普勒（1571---1630年）。他在1629年預言：1631年11月7 日將發生稀奇天象--水星凌日。當日，法國天文學家加桑迪在巴黎親眼目睹到有個小黑點（水星）在日面上由東向西徐徐移動。從1631年至2003年，共出現50次水星凌日。其中，發生在11月的有35次，發生在5月的僅有15次。每100年，平均發生水星凌日13.4次。

在目前及以後的十幾個世紀內，水星凌日只可能發生在五月或十一月。

人類對水星的探測

中國古代稱水星為“辰星”或“昏星”。最早觀測記錄是希臘人給它起了兩個古老的名字，當它出現在早晨時叫阿波羅，當它出現在傍晚叫赫耳墨斯。希臘哲學家赫拉克利特甚至認為水星和金星（維納斯星）是繞太陽公轉的。

水星的觀測因為它過於接近太陽而變的非常複雜，在地球可以觀測它的唯一時間是在日出或日落時。水星經常因距離太陽太近，淹沒在耀眼的陽光之中而不得見。即使在最宜於觀察的條件下，也只有在日落西山之後，在西天低處的夕陽餘暉中，或是在日出之前，在東方地平線才能看到它。

水手10號

一、美國水星探査機----水手10號探測水星

美國一系列以飛越方式進行的行星探險水手號計劃中的第10個計劃，也是計劃中的最後一個。水手10號以飛掠的方式探測水星與金星，也是第一個探測過水星的太空船。

水手10號在1974年3月29日20:47首次近距離飛掠水星，當時距離水星為703公里。在水星完成2次公轉後，水手10號在1974年9月21日再度接近水星，當時距離為48069公里。水手10號最後一次接近水星是在1975年3月16日，距離水星僅327公里，也是最接近的一次。

在姿勢控制瓦斯（無色、無味的氣體）大約耗盡之後，水手10號開始環繞太陽運行。工程測試直到1975年3月24日停止，當時有一個未定的程序讓船身傾斜旋轉而讓氮氣供應消耗殆盡，因此對水手10號發送了緊急命令來關閉它的發報機，於是水手10號停止傳送訊號回地球。直到現今，儘管船身上的電子儀器可能受到太陽輻射的影響而損壞，水手10號仍舊在軌道上繞著太陽運行。

探測歷程

在地面上觀測水星，幾乎看不到它的細節。1973年11月3日，美國發射了水手10號宇宙飛船，對水星進行飛近探測。它是人類第一個“訪問”水星的宇宙飛船，也是到目前為止唯一發射成功的水星探測器。它的既定考察任務中，有一項就是探測水星究竟有沒有磁場。

探測器曾經3次從水星上空飛過，那是在1974年的3月29日和9月21日，以及1975年3月16日。在它與水星三次相會的過程中，向地面發回了5000多張照片，為我們瞭解水星提供了珍貴的信息，包括水星的地形地貌。在最後一次，它距水星表面僅372千米，拍攝了非常清晰的水星電視圖像。

“水手10號”第一次飛越水星時，距水星只有720多公里，照相機在拍攝佈滿環形山的水星地貌的同時，磁強計意外地探測到水星似乎存在一個很弱的磁場，而且可能是跟地球磁場那樣有著兩個磁極的偶極磁場。

由於水手10號僅拍攝到水星表面的37%，所以人類對水星的瞭解還很少。“水手10號”探測器的飛行軌道是這樣安排的：在到達水星區域時，它每176天繞太陽轉一圈。我們知道，水星每88天繞太陽一週，也就是說，水星每繞太陽兩圈，“水手10號”來到水星附近一次，飛越水星並進行探測。

“水手10號”第二次飛越水星時，距表面最近時在48000公里左右，對水星磁場沒有發現什麼新的情況。科學家們對探測器的軌道作了校準，使它第三次飛越水星時，離表面只有327公里，而且更接近水星北極。

水星的偶極磁場與地球的很相像，極性也相同，即水星磁場的南極在水星的北半球，其北極在南半球。

水星的密度與地球接近，並有一全球性的磁場。水星磁場的發現，表示水星內部可能是一個高溫液態的金屬核。這個既重又大的鐵鎳內核直徑超過水星直徑的1/3，有整個月球那麼大。水星磁場強度只有地球的1%，磁力線的分佈圖形簡直就是地球磁場按比例的縮影。

信使號探測器

二、信使號探測器探測水星

信使號探測器，美國第一個水星專門探測器，MESSENGER 意為"水星表面，空間環境， 地理化學和全向遙測"。NASA的“信使”號水星探測飛船於2004年8月3日點火升空。 “信使”號開始了計劃中的耗時6年半、飛行79億公里的探測遠征，在2011年3月到達水星。

1、最新發現水星曾是顆“大火球”：遍佈巨型岩漿海洋

麻省理工學院的科學家通過對水星岩石化學成分分析的過程中，發現這顆星球過去可能擁有一片巨大的岩漿海洋，時間點處於45億年前，這項新的研究任務由“信使”號探測器完成，旨在分析水星表面、空間環境以及行星化學物質組成等。

2、最年輕火山活動跡象

科學家對“信使號”探測器2009年第三次飛越水星的觀測數據進行了分析，最新結果發現水星表面最年輕的火山活動跡象

在前兩次勘測中，信使號探測器發現水星早期歷史時期曾遍佈著火山活動，在最新的第三次飛越水星勘測中，該探測器發現290公里直徑的環狀碰撞坑，這是迄今觀測發現最年輕的水星表面坑狀結構，其底部具有非常平滑的平原。

3、磁場亞暴

磁場亞暴是一種太空氣象，曾間歇地出現在地球上，通常每天會出現幾次，持續1-3小時。地球上的磁場亞暴常伴隨著一系列特殊現象發生，比如：北極和南極上空出現的壯麗極光現象。磁場亞暴也伴隨出現危險的能量粒子，這將導致地球觀測衛星和地面通訊系統災難性事故，尤其是地球同步軌道區域。地球磁場亞暴的能量來源於地球磁場尾部的磁性能量。

在信使號探測器第三次飛越水星時，該探測器裝載的磁力計首次發現水星磁場尾部磁性能量中像亞暴一樣“載荷”，這種水星磁場亞暴能量大約是地球磁場亞暴的10倍，其運行速度是地球磁場亞暴的50倍。

4、水星外大氣層構成

水星的外大氣層非常稀薄，是由水星表面和太陽風中的原子和離子構成。信使號探測器對水星外大氣層的觀測，將提供一個研究水星表面和其太空環境之間交互影響的機會，並能夠探測水星表面的構成。

信使號探測器第三次飛越勘測，首次探測到水星南極和北極外大氣層的構成。美國科學家說：“勘測顯示水星外大氣層中包含著鈉（Na）、鈣（Ca）、鎂（Mg）元素，在這次飛越水星勘測中，信使號首次發現外大氣層含有電離鈣。

5、水星極地發現大量水冰。

在水星軌道運行的信使號探測器獲取的數據顯示，這顆行星上擁有大量水冰。

考慮到水星距離太陽如此之近，這顆行星上似乎是不可能存在水的。但是由於水星的自轉軸傾角非常小，接近於零(更準確的說是不到1度)，因此在水星的極區存在很多永久陰影區

1991年，這一想法得到了一項重要證據。當時世界上最強大的射電望遠鏡——設在波多黎各島上的阿雷西博射電天線，向水星發射的雷達波，在其反射信號上發現這顆行星的極區存在一些反射率高的異乎尋常的“亮區”。

信使號探測器搭載的水星雙成像系統在2011年和2012年年初拍攝的圖像證明，那些強烈反射雷達波的亮區的確都位於水星南北兩極的永久陰影區內。而來自信使號的最新數據確認了水星北極永久陰影區內沉積物質的主要成分確是水冰。

真正發現水星有冰

2014年，美國航天局派往水星的探測器信使號，早前傳來的照片中，卻發現北極地區一個隕石坑附近有冰的存在，是首次真正發現水星有冰。

學者早於兩年前已透過間接的分析指出水星上存在著冰，但這次則是首次直接看到。專家估計冰塊有數十米厚，但亦可能延伸至坑洞內。雖然水星自轉一圈需時58個地球日，幾乎整個大地都被陽光照射，但水星的極地則永遠無法被太陽照到，溫度低得有機會讓冰形成。

6、“信使”號撞擊水星

“信使”號水星探測器燃料即將耗盡，可能將以撞擊水星的方式結束使命。

“信使”號於2004年8月升空，經過約6年半的飛行於2011年3月進入繞水星運行軌道。認為該任務第一次讓人們真正認識了水星。本月24日，地面人員還將對“信使”號實施最後一次軌道調整，這一操作將基本耗盡“信使”號推進系統最後所剩的氦氣。此後“信使”號將飛向水星表面，預計將以每秒3.91公里的速度撞擊水星背對地球的一面。

水星文化

1976年，國際天文學聯合會開始為水星上的環形山命名。

水星的表面很像月球，滿布著環形山、大平原、盆地、輻射紋和斷崖。於是，水星上的環形山和月球上的環形山一樣，也進行了命名。水星表面上環形山的名字都是以文學藝術家的名字來命名的，沒有科學家，這是因為月面環形山大都用科學家的名字命名了。水星表面被命名的環形山直徑都在20公里以上，而且都位於水星的西半球，這些名人的大名將永遠與日月爭輝，紀念他們為人類作出的卓越貢獻。

水星上的環形山也進行了命名。在國際天文學聯合會已命名的310多個環形山的名稱中，其中有15個環形山是以中國人物的名字命名的。有伯牙：傳說是春秋時代的音樂家；蔡琰：東漢末女詩人；李白：唐代大詩人；白居易：唐代大詩人：董源：五代十國南唐畫家；李清照：南宋女詞人；姜夔：南宋音樂家；梁楷：南宋畫家；關漢卿：元代戲曲家；馬致遠：元代戲曲家；趙孟頫：元代書畫家；王蒙：元末畫家；朱耷：清初畫家；曹沾（即曹雪芹）：清代文學家；魯迅：中國現代文學家。

2019-1-8

水星

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