Меркурий маленький, быстрый и близко к солнцу, что делает скалистый мир сложным для посещения. Только один зонд когда-либо вращался вокруг планеты и собирал достаточно данных, чтобы рассказать ученым об химии и ландшафте поверхности Меркурия. Однако изучение того, что находится под поверхностью, требует тщательной оценки.
После того, как миссия зонда закончилась в 2015 году, ученые-планетники оценили, что корка Меркурия имела толщину около 22 миль. Один ученый из Университета штата Аризона не согласен.
Используя самые последние математические формулы, ученый из Луны и Планетарной лаборатории, ученый Майкл Сори, оценивает, что Меркуриальная кора имеет толщину всего лишь 16 миль и плотнее алюминия. Его исследование «Тонкая, плотная кора для ртути» будет опубликована 1 мая в «Earth and Planetary Science Letters» и в настоящее время доступна в Интернете.
Сори определил плотность коры Меркурия, используя данные, собранные космическим аппаратом Меркурий, космическая среда и геохимия (MESSENGER). Он создал свою оценку, используя формулу, разработанную Исаму Мацуямой, профессором Лунной и Планетарной лаборатории, а также ученым Калифорнийского университета в Беркли Дугласом Хемингуэем.
Оценка Сори поддерживает теорию о том, что корка Меркурия формируется в основном за счет вулканической активности. Понимание того, как образовалась кора, может позволить ученым понять формирование всей странно структурированной планеты.
«Из земных планет Меркурий имеет самое большое ядро по сравнению с его размером», сказала Сори.
Считается, что ядро Меркурия занимает 60 процентов всего объема планеты. Для сравнения, ядро Земли занимает примерно 15 процентов от его объема. Почему ядро Меркурия настолько велико? «Возможно, он приблизился к нормальной планете, и, возможно, большая часть земной коры и мантии были удалены гигантскими ударами», сказала Сори. «Еще одна идея заключается в том, что, возможно, когда вы так близки к солнцу, солнечные ветры сдувают большую часть скалы, и вы получаете большой размер ядра на ранней стадии. Нет ответа, на который все согласны».
Работа Сори может помочь ученым в правильном направлении. Уже он решил проблему, связанную с камнями в земной коре Меркурия.
Таинственные скалы Меркурия
Когда планеты и луна Земли сформировались, их корки рождались из их мантий, слоя между сердечником планеты и земной корой, которая просачивается и течет в течение миллионов лет. Объем земной коры представляет собой процент мантии, которая была превращена в скалы.
До исследования Сори оценки толщины коры Меркурия заставили ученых полагать, что 11 процентов первоначальной мантии планеты были превращены в скалы в земной коре. Для Луны Земли ближайшего к Меркурию небесного тела число ниже, около 7 процентов.
«Два тела сформировали свои корки по-разному, поэтому не обязательно было тревожно, что у них не было такого же процента пород в их корке», сказала Сори.
Кора луны образовалась, когда менее плотные минералы плыли к поверхности океана жидкой породы, которая стала мантией тела. В верхней части океана магмы плавучие минералы Луны охлаждались и закаливались в «флотационную кору». Эоны вулканических извержений покрыли поверхность Меркурия и создали свою «магматическую кору».
Объясняя, почему Меркурий создал больше камней, чем луна, это была научная тайна, которую никто не разрешил. Теперь дело можно закрыть, так как исследование Сори ставит процент горных пород в земной коре Меркурия на 7 процентов. Меркурий не лучше луны при создании камней,
Сори решил тайну, оценив глубину и плотность коры, а это означало, что он должен был выяснить, какая изостазия поддерживала кору Меркурия.
Определение плотности и глубины
Наиболее естественной формой для планетарного тела является гладкая сфера, где все точки на поверхности находятся на равном расстоянии от ядра планеты. Изостази описывает, как горы, долины и холмы поддерживаются и удерживаются от сплющивания до гладких равнин.
Существует два основных типа изостазии: Пратт и Эйри. Оба сосредоточены на балансировке масс равных по размеру кусочков планеты. Если масса в одном срезе намного больше массы в кусочке рядом с ней, планета планеты будет просачиваться, сдвигая кору сверху, пока массы каждого среза не будут равны.
Pratt isostasy утверждает, что кора планеты имеет плотность. Кусочек планеты, содержащей гору, имеет ту же массу, что и кусочек, который содержит плоскую землю, потому что кора, которая делает гору менее плотной, чем кора, которая образует плоскую землю. Во всех точках планеты дно земной коры равномерно плавает на мантии.
Пока Сори не закончил свое исследование, ни один ученый не объяснил, почему Пратт-изостасия будет или не будет поддерживать пейзаж Меркурия. Чтобы проверить это, Сори нужно было связать плотность планеты с ее топографией. Ученые уже построили топографическую карту Меркурия, используя данные MESSENGER, но карта плотности не существовала. Поэтому Сори сделал свой собственный, используя данные MESSENGER о элементах, найденных на поверхности Меркурия.
«Мы знаем, какие минералы обычно образуют камни, и мы знаем, какие элементы содержатся в каждом из этих минералов. Мы можем разумно разделить все химические вещества в список минералов», сказал Сори о процессе, который он использовал для определения местоположения и обилия минералов на поверхности. «Мы знаем плотность каждого из этих минералов, добавляем их все, и получаем карту плотности».
Затем Сори сравнил карту плотности с топографической картой. Если бы Пратт-изостази мог объяснить пейзаж Меркурия, Сори ожидал найти высокоплотные минералы в кратерах и минералы с низкой плотностью в горах; однако он не нашел таких отношений. На ртути минералы высокой и низкой плотности встречаются в горах и кратерах.
С недостойностью Пратта изостази, Сори считал Airy isostasy, который использовался для оценки толщины земной коры Меркурия. Airy isostasy утверждает, что глубина земной коры варьируется в зависимости от топографии.
«Если вы увидите гору на поверхности, ее можно поддержать корнем под ней», сказала Сори, уподобляя ее айсбергу, плавающему на воде.
Наконечник айсберга опирается на массу льда, который выступает глубоко под водой. Айсберг содержит ту же массу, что и вода, которую она вытесняет. Аналогично, гора и ее корень будут содержать ту же массу, что и перемещаемый материал мантии. В кратерах корочка тонкая, а мантия ближе к поверхности. Клин планеты, содержащей гору, будет иметь такую же массу, как клин, содержащий кратер.
«Эти аргументы работают в двух измерениях, но когда вы учитываете сферическую геометрию, формула точно не работает, сказала Сори.
Однако формула, недавно разработанная Мацуямой и Хемингуэем, работает для сферических тел, таких как планеты. Вместо того, чтобы балансировать массы коры и мантии, формула уравновешивает давление, оказываемое корой на мантию, обеспечивая более точную оценку толщины земной коры.
Сори использовал свои оценки плотности земной коры и формулы Хемингуэя и Мацуямы, чтобы найти толщину коры. Сори уверен, что его оценка толщины земной коры Меркурия в ее северном полушарии не будет опровергнута, даже если будут собраны новые данные о ртути. Он не разделяет эту уверенность в плотности земной коры Меркурия.
MESSENGER собрал гораздо больше данных о северном полушарии, чем о юге, и Сори предсказывает, что средняя плотность поверхности планеты изменится, когда данные о плотности будут собраны по всей планете. Он уже видит необходимость последующего исследования в будущем.
Следующая миссия в Меркурий прибудет на планету в 2025 году. Тем временем ученые будут продолжать использовать данные MESSENGER и математические формулы, чтобы узнать все, что они могут о первой планете от солнца.