Меркурий и Земля - единственные планеты Солнечной системы с активными, внутренне генерируемыми динамомагнитными полями. Динамо-поле Земли имеет среднюю экваториальную интенсивность ∼30 μT на поверхности планеты и является преимущественно диполярным, при этом вторичные недипольные вклады существуют на исторических, археологических и геологических временных масштабах.
Напротив, Марс и Луна не имеют современных динамо-полей, хотя намагниченные корковые породы на Марсе свидетельствуют о наличии сильного поля в течение миллиардов лет, и появляется все больше доказательств наличия раннего динамо-поля на Луне, и др. История динамо-поля Венеры неизвестна, отчасти потому, что история возникновения планеты могла стереть все свидетельства о прошлых ключевых полях.
Современное магнитное поле Меркурия анализировалось магнитометрами на орбите. В ходе этих миссий было обнаружено приблизительно диполярное поле со средним моментом 190 нТл RM 3, где RM = радиус Меркурия, что соответствует напряженности поля поверхности менее 1% от величины напряженности поля Земли. Экватор магнитного поля Меркурия смещен на север от географического экватора планеты на ∼480 км, и в отличие от поля Земли, поле Меркурия высокоосесимметрично относительно оси вращения планеты.
Земля, Луна, Марс и Меркурий имеют признаки намагниченности коры. Остаточное намагничивание, древнее намагничивание геологическими материалами, имеет особое значение для понимания планетарных интерьеров, поскольку оно может предоставить информацию об интенсивности, ориентации и временных изменениях древних динамополей, которые, в свою очередь, ограничивают модели тепловой эволюции данной планеты или Луны. Кроме того, литосферная намагниченность, индуцированная на современном поле или приобретенная в древнем поле и сохраненная, дает косвенную информацию о распределении железосодержащих минералов.
Однако интерпретация магнитных полей земной коры на внеземных телах представляет ряд проблем в связи с ограниченностью типов и объема имеющихся данных. В оптимальном случае прямые пробы могут быть проанализированы для определения магнитной минералогии и регистрации свойств, а также радиоизотопного возраста для известных районов происхождения, что позволяет интерпретировать магнитные поля.
Косвенные образцы (например, метеориты) также полезны для характеристики тел-хозяев, но расшифровать их записи магнитных полей не так просто из-за сложных процессов доставки материала из тела-хозяина на Землю и отсутствия информации о его точном происхождении. Дистанционные спутниковые наблюдения определяют пространственное распределение и интенсивность магнитных полей, возникающих в результате намагничивания земной коры, предоставляя альтернативный набор данных.
Химические и тепловые ограничения на намагничивание
По сравнению с другими внутренними планетами Солнечной системы Меркурий является одновременно горячей и сильно восстанавливающей; таким образом, двумя основными элементами контроля над регистраторами магнетизма являются условия термодинамической стабильности и, для поддержания намагниченности, температурный профиль литосферы и ее эволюция во времени. Здесь мы описываем современные окислительно-восстановительные условия коры и суммируем известные ограничения на содержание железа в коре и мантии. Кроме того, мы описываем современные тепловые условия коры Меркурия и выясняем, как они могли меняться с течением времени.
Композиционные ограничения
Химический состав Меркурия уникален среди планет внутренней Солнечной системы. Меркурий сильно восстанавливается, при заявленной мантийной летучести кислорода (fO2) в диапазоне от -6,3 до -2,6ΔIW (единицы измерения ниже железо-вуститового буфера), ниже, чем у наиболее известных малых тел и всех других планет. Эти оценки основаны на данных рентгеновского спектрометра MESSENGER (XRS) и гамма-спектрометра, а также высокой средней плотности закиси железа. Это говорит о том, что носители восстановительной активности на Меркурии будут заметно отличаться от минералов окиси железа, которые доминируют в относительно окислительных системах, таких как Земля и Марс, поскольку эти минералы будут термодинамически нестабильными в таких восстановительных условиях.
В земной коре содержание железа составляет 5,6% массы Fe, а в марсианской - 4-7%, при этом содержание железа в ней достаточно велико (∼20 % массы Fe). Сочетание спектральных данных MESSENGER с моделированием равновесной кристаллизации позволяет предположить, что содержание железа в коре Меркурия составляет ≤ 10 % массы FeO (∼7,7 % массы Fe).
Дальнейшие ограничения связаны с измерениями XRS, которые дают диапазоны 1,5-2% массы железа, указывающие на то, что Меркурий беден по отношению к Земле и Марсу, но сопоставим с некоторыми лунными породами. Однако это низкое содержание железа все еще больше, чем содержание расплавов энстатитовых хондритов, предлагаемых в качестве возможных исходных материалов для Меркурия.
Тепловые ограничения
Температура контролирует основные магнитные свойства породы магнитных материалов и, в свою очередь, их способность удерживать постоянное намагничивание, хотя его влияние варьируется в зависимости от состава. Каждый ферромагнитный материал имеет собственную температуру Кюри (TC), выше которой его поведение является парамагнитным, без учета магнитного порядка на большие расстояния, независимо от ранее существовавшей магнитной ремантности.
Термореактивная намагниченность (TRM) получается совокупностью магнитных зерен при охлаждении их через ТС в присутствии магнитного поля, вызывая статистическое выравнивание их индивидуальных намагничиваний таким образом, чтобы их чистый момент соответствовал направленности и напряженности поля. И наоборот, если такие зерна охлаждаются через TC в отсутствие поля, магнитные моменты отдельных зерен не выравниваются, а полученный результирующий момент близок к нулю.
Для данного среднего термического градиента через литосферу географические колебания приземной температуры преобразуются непосредственно в изменения глубины до определенной изотермы: минимальная (промежуточная, максимальная) глубина на горячих (холодных, спиновых) полюсах. Эти колебания вместе с тепловым градиентом в литосфере являются решающими факторами, определяющими распределение остаточной активности коры. Если TC магнитного минерала ниже температуры в коре в данном месте и на определенной глубине, он не будет способен удерживать TRM.
Модели термической эволюции Меркурия предполагают средний современный тепловой градиент ∼4 K/km. Максимально возможная толщина намагниченного слоя или глубина до изотермы TC для пирротина (Fe7S8, TC=320-325∘C) и железа (TC= 770∘C), соответственно, в этих тепловых условиях. Что касается железа, максимальная глубина проникновения ТС превышает среднюю толщину коры Меркурия (∼40 km) по всей планете, что указывает на то, что только с учетом современных ограничений температуры некоторые магнитные минералы могут содержать TRM в верхней мантии.
