Из-за своей близости к Солнцу Меркурий изучен хуже, чем другие планеты. Зонд BepiColombo должен изменить это. Его путешествие в последний раз унесло мимо Земли.
Меркурий, названный в честь посланника богов греко-римской мифологии, является самой внутренней планетой нашей солнечной системы. При взгляде с Земли он всегда стоит на ярком небе и его трудно наблюдать с помощью телескопов. Поэтому долгое время на его поверхности были известны только смутные детали. С начала космической эры, исследования двух космических зондов дали множество новых идей о самой маленькой и ближайшей планете к Солнцу.
В 1974 году американский космический зонд Mariner 10 был первым, кто достиг Меркурия и нанес на карту около 45 процентов своей поверхности за три обхода. Изображения, переданные на Землю, показали небесное тело, усеянное ударными кратерами, которое на первый взгляд напоминает луну в замешательстве. После этого Меркурию потребовалось более 35 лет, чтобы снова побывать: космический корабль 'Мессенджер' вышел на орбиту вокруг планеты в 2011 году и исследовал ее в течение четырех лет.
В октябре 2018 года европейско-японская двойная миссия BepiColombo наконец отправилась в Меркурий. Оба зонда летят вместе к самой внутренней планете, где они отделяются друг от друга в декабре 2025 года, и каждый выходит на свою собственную орбиту. В случае успеха BepiColombo завершит и значительно расширит результаты своих двух предшественников путем обширных и более точных исследований. BepiColombo завершила веху: последний проход на земле.
Самый жаркий мир в Солнечной системе
Меркурий - планета крайностей: для наблюдателя на его поверхности диаметр Солнца в точке, ближайшей к Солнцу, перигелию, кажется, примерно в три раза больше, чем на Земле, а солнечная радиация примерно в десять раз интенсивнее. В результате температура в экваториальной области поднимается примерно до 470 градусов по Цельсию, но ночью она может упасть до минус 183 градусов по Цельсию в том же месте. Наклон оси вращения в направлении плоскости орбиты планеты практически равен нулю, поэтому в полярных регионах есть области, защищенные от солнечных лучей, такие как ударные кратеры и низменности, где никогда не становится теплее, чем около минус 163 градусов по Цельсию. Исследователи подозревают, что водяной лед, нанесенный ударами кометы, может оставаться там в течение очень длительных периодов, несмотря на очень высокие температуры.
С экваториальным диаметром 4880 километров, Меркурий является самой маленькой планетой в нашей солнечной системе и только примерно на 40 процентов больше, чем луна нашей Земли. Обход солнца занимает 88 дней. Его орбита сильно эллиптическая, поэтому его расстояние от Солнца колеблется между 46 миллионами километров в перигелии и 70 миллионами километров в самой отдаленной точке, афелииуме. Меркурий вращается один раз вокруг своей оси за 58,65 дней; Период его вращения мог быть определен только в 1960-х годах по данным радиолокационных наблюдений с Земли. Вращение происходит ровно в двух третях орбитального периода Меркурия вокруг Солнца. Таким образом, планета находится в резонансе 3: 2 между своим орбитальным и вращательным периодом: на двух орбитах вокруг Солнца она вращается три раза вокруг своей оси.
Внутренняя структура
Ртуть имеет чрезвычайно высокую среднюю плотность 5,44 грамма на кубический сантиметр. В нашей солнечной системе эта величина превышена только землей с 5,52 грамма на кубический сантиметр. Однако, если принять во внимание, что в случае с землей слои породы, лежащие выше, сжимают нижележащий материал, плотность Меркурия даже выше, чем у Земли.
Подобно земле, Меркурий разделен на ядро из металлического железа и никеля, слой силиката и корку. Космический аппарат 'Мессенджер' определил диаметр ядра примерно 4060 километров, что соответствует 83 процентам от общего диаметра Меркурия; В земле это только около 54 процентов. Если дополнительно принять во внимание, что кора состоит преимущественно из силикатных пород, становится очевидным, что, несмотря на свою высокую плотность, ядро, вероятно, содержит не только чистый сплав металлического железа и никеля, но также и примеси более легких элементов, таких как кремний или сера.
Мантия и кора Меркурия вместе имеют толщину всего около 410 километров. Толщина коры на экваторе составляет от 50 до 80 километров, а в северной полярной области - только от 20 до 40 километров. Из-за расположения орбиты от Посланника до Меркурия толщина коры в районе Южного полюса не может быть определена.
Кратер и вулканизм
Изображения космического корабля показали обитую кратерами поверхность Меркурия, которая, как и поверхность Луны, отражает историю столкновений ранней фазы Солнечной системы более четырех миллиардов лет назад. В отличие от Луны, на Меркурии есть только один большой ударный бассейн - Калорис, который должен был быть создан в результате удара небесного тела размером более 100 километров. Он имеет диаметр 1500 километров и был значительно изменен в результате последующих вулканических воздействий. В его центре происходит извержение вулкана, а дно Калориса выше края. Внутренняя часть бассейна была, очевидно, заполнена набухающей магмой из глубин, подобной морским бассейнам Луны.
На противоположной стороне планеты находится своеобразный хаотический район с холмами неправильной формы и долинами высотой до километра. Сильные сейсмические колебания, вызванные воздействием, вероятно, связаны здесь. Зона поражения имеет размер самого бассейна Калорис.
Высокие северные широты характеризуются большими регионами, покрытыми паводковыми базальтами - еще один признак сильного вулканизма на планете, ближайшей к Солнцу. Нет никаких признаков крупномасштабных движений земной коры, то есть тектоники плит, но есть много свидетельств извержений вулканов.
Вся поверхность покрыта множеством крутых ступеней длиной в несколько сотен километров, иногда достигающих высоты в три километра. Их общая длина составляет около 42 000 километров. В некоторых случаях они прорезают кратеры и равнины, созданные ранее; Смещенные в поперечном направлении части кратера указывают, что поверхность также была перемещена горизонтально.
Крутые шаги стали результатом глобального сокращения планеты. Его радиус уменьшился до семи километров. Ни на одной другой планете в Солнечной системе движения земной коры не приводят к такой большой усадке. Причина, скорее всего, в том, что внутренняя часть Меркурия значительно остыла, так как она образовалась и сократилась в процессе.
Экзосфера вместо атмосферы
В отличие от трех других похожих на Землю планет Солнечной системы, у Меркурия нет примечательной атмосферы. Только чрезвычайно тонкая, так называемая экзосфера была открыта Mariner 10 в 1974 году. Он состоит из газовой оболочки, в которой плотность частиц настолько мала, что частицы газа практически не сталкиваются друг с другом. Давление на поверхность Меркурия составляет всего около триллионной части земной стоимости. Экзосфера состоит в основном из элементов водорода и кислорода, а также водяного пара, гелия и натрия со следами магния, калия и аргона.
Экзосфера не стабильна в течение длительных периодов времени. Если поверхность планеты не будет непрерывно снабжать частицы газа, она будет испаряться в космос в течение двух-трех дней. Частицы экзосферы - это поверхностный материал планеты, частицы солнечного ветра и частицы пыли, которые в основном поступают из комет и которые осаждаются на Меркурии. Впоследствии эти частицы могут снова высвободиться с поверхности в результате химических и физических процессов, которые запускаются солнечным излучением или воздействием частиц.
Плотность экзосферы зависит от расстояния от Меркурия до Солнца. Предположительно, это является следствием изменения солнечного излучения и притока частиц от Солнца во время орбиты, а также временных флуктуаций притока материала кометы. Существуют также различия в плотности частиц и составе на дневной и ночной сторонах планеты.
Крошечная магнитосфера
Помимо Земли, Меркурий является единственной другой земной планетой с внутренним магнитным полем. Он был обнаружен Моряком 10 и позже измерен с Посланником. Подобно магнитному полю Земли, это дипольное поле, подобное магнитному стержню. Однако он в 130–340 раз слабее своего земного аналога. Ось диполя наклонена менее чем на 0,8 градуса к оси вращения Меркурия - для Земли этот переменный угол в настоящее время составляет около одиннадцати градусов. Диполь смещен на 480 километров к северу от центра планеты, что соответствует примерно 20 процентам радиуса планеты, по сравнению с только восемью процентами для Земли. Магнитное поле Меркурия, скорее всего, возникает подобно земному благодаря движениям электропроводящего жидкого материала внутри планеты.
Когда магнитное поле Меркурия взаимодействует с солнечным ветром, вокруг планеты образуется магнитосфера. Содержит электрически заряженные частицы, плазму. Частицы высвобождаются с поверхности Меркурия под воздействием частиц и солнечной радиации или захватываются непосредственно от солнечного ветра. Магнитосфера имеет структуру, аналогичную магнитосфере Земли, но ее объем составляет всего лишь около двадцатого из-за гораздо более слабого магнитного поля. Он гораздо более динамичен, чем магнитосфера Земли, поэтому он меняется гораздо быстрее и в более коротких пространственных масштабах.
На солнечной стороне Меркурия находится магнитопауза, граница магнитосферы, всего около 1000 километров над поверхностью. Магнитосфера Меркурия имеет размер магнитного поля луны Юпитера Ганимеда, единственной луны в нашей солнечной системе с таким полем.
В полярных регионах Меркурия, как и на Земле, есть зоны, в которых солнечный ветер может глубоко проникать в магнитосферу. Поскольку на планете нет атмосферы, солнечный ветер достигает поверхности беспрепятственно. Во времена сильной солнечной активности магнитопауза даже прижимается почти к поверхности, а это означает, что там выпускается больше частиц. Поскольку дипольное поле сильно смещено от центра планеты, поверхность, подверженная воздействию солнечного ветра на южном полюсе, простирается на площадь, в четыре раза большую, чем на северном полюсе.
Особенно сильная солнечная активность временно сжимает магнитосферу, так что значительная часть поверхности планеты напрямую подвергается воздействию солнечного ветра - чего-то, чего не происходит на Земле. На стороне Меркурия, обращенной от Солнца, создается длинный хвост, аналогичный Земле, в котором электрически заряженные частицы из магнитосферы вытекают из планеты. Магнитосферная плазма в основном состоит из ионов водорода и гелия солнечного ветра, а также ионов кислорода, натрия, магния и кальция, которые в основном поступают с поверхности Меркурия.
Как возникло железное ядро Меркурия?
Один из главных вопросов в исследовании Меркурия - как он мог сформировать такое большое железное ядро по сравнению с другими планетами, подобными Земле.
В настоящее время обсуждается несколько гипотез: Первая предполагает накопление железа во внутренней области первичной солнечной туманности, из которой наша солнечная система была образована 4,56 миллиарда лет назад. В качестве альтернативы, огромная часть его оболочки могла быть удалена рано после образования планеты. Либо Меркурий был поражен большим небесным телом, которое уничтожило огромную часть еще молодой коры и мантии, либо тогда еще горячее и молодое солнце бомбардировало будущую планету сильным электромагнитным излучением и излучением частиц. В другой модели металлическое железо химически обогащено реакциями с пылью, богатой углеродом, во внутренней солнечной системе.
Хотя все эти объяснительные подходы делают разные прогнозы для состава планетарной корки, богатой кремнием, ни один из результатов Посланника еще не был явно исключен. Последняя модель лучше всего описывает измерения на данный момент. С космической миссией BepiColombo исследователи планеты надеются на новое понимание формирования планеты.
Миссия БепиКоломбо
Проект BepiColombo назван в честь итальянского математика Джузеппе (Бепи) Коломбо (1920–1984), первопроходца в космосе, благодаря которому полет с Mariner 10 на Меркурий стал возможным в первую очередь благодаря его расчетам орбиты. BepiColombo состоит из двух независимых космических зондов и модуля передачи. Миссия является совместным проектом ЕКА и японского космического агентства JAXA.
Первоначально BepiColombo должен был начаться в 2013 году. Технические проблемы, особенно из-за высоких тепловых нагрузок в среде Меркурия, снова и снова задерживали запуск. На внешних сторонах двух зондов температура будет превышать 360 градусов Цельсия, а на внутренней стороне, для работы научных приборов, 40 градусов Цельсия не должно превышаться. Не только датчики будут нагревать прямой солнечный свет, но также и тепловое излучение от поверхности Меркурия, которое достигает 470 градусов Цельсия.
Более крупный из двух зондов, «Планетарный орбитальный аппарат Меркурия» (MPO), был разработан и изготовлен ЕКА. Он оснащен в общей сложности одиннадцатью научными приборами (см. Таблицу). Инструменты на MPO предназначены для исследования планеты в целом и предназначены для ее внутреннего пространства, ее поверхности, а также ее экзосферы и магнитосферы. Кроме того, MPO должен проверить теорию относительности Эйнштейна, измеряя вращение перигелия орбиты Меркурия с помощью своих радиосигналов.
Меркурий - последняя планета перед солнцем
Среднее расстояние от Солнца 57,9 миллиона километров = 0,387 астрономических единиц
Орбитальный эксцентриситет 0,21
Период обращения вокруг Солнца 88 дней = 0,241 года
Траектория наклона против эклиптики 7 градусов
Экваториальный диаметр 4880 километров = 0,38 диаметра земли
Наклон оси вращения к плоскости пути 0,03 градуса
Период вращения 58,65 дней = 0,16 года
Масса 0,055 массы земли
Средняя плотность 5,44 грамма на кубический сантиметр
Максимальная температура поверхности около солнца (перигелий) +467 градусов по Цельсию
Минимальная температура поверхности около солнца в тени −183 градуса по Цельсию
Второй зонд, Ртутный магнитосферный орбитальный аппарат (MMO), предоставлен JAXA. Ваша научная полезная нагрузка состоит из пяти инструментов. На орбите Меркурия, между прочим, оба зонда выполняют скоординированные измерения с разных позиций в пространстве. Таким образом, они могут исследовать экзосферу и магнитосферу и их взаимодействия с солнечным ветром и планетой - большое преимущество перед отдельными измерениями космического зонда Посланника.
Во время полета к Меркурию оба космических зонда постоянно соединены друг с другом и расположены на передающем модуле. Кроме того, солнцезащитный экран окружает космический зонд МО и защищает его от чрезмерных температур.
Модуль передачи оборудован двумя различными приводами: для межпланетного полета имеются четыре ионных двигателя, которые снабжаются электроэнергией, необходимой для их работы солнечными элементами, общей площадью 40 квадратных метров. Газ ксенон используется в качестве топлива.
Для экономии топлива планируются маневры Swingby на Земле, Венере и Меркурии. Они позволяют достичь планеты, ближайшей к Солнцу, и адаптироваться к скорости ее орбиты. Без этих качелей много тонн топлива потребовалось бы для маневров тяги, что увеличило бы общую массу BepiColombo, так что зонд больше не мог быть запущен с Ariane-5. Во время длительных фаз полета ионный привод активен в течение более длительных периодов. Дополнительные химические двигатели используются для контроля положения и орбиты и используются во время маневров Swingby.
В 2021 году BepiColombo впервые пролетит мимо Меркурия и повторите это пять раз, прежде чем два зонда выйдут на разные орбиты вокруг планеты, ближайшей к Солнцу в декабре 2025 года. Оба зонда первоначально будут окружать Меркурий в течение одного года. В результате миссия может быть продлена еще на один год.
Оба зонда будут вращаться вокруг планеты на полярных орбитах. Они сконструированы таким образом, что времена обращения зондов находятся в соотношении примерно 1: 4, что означает, что когда MMO совершает одну орбиту, MPO обходит Меркурий четыре раза. Плоскости пути зондов идентичны. В течение первых нескольких месяцев оба космических зонда будут неоднократно сближаться друг с другом на расстоянии до 100 километров, что должно в первую очередь служить для калибровки их приборов.
Научные цели
Космический корабль NASA Messenger уже предоставил много нового понимания Меркурия, что является основой для дальнейшего детального исследования планеты с помощью BepiColombo. Помимо прочего, МРО должна исследовать южный полюс планеты, который Мессенджер мало изучил.
Впервые два космических зонда будут одновременно проводить измерения в окрестностях планеты, чтобы исследовать временные и пространственные изменения, особенно в магнитосфере и экзосфере. Почти круговая орбита МПО позволяет точно измерять гравитационное поле планеты. Еще одним направлением является изучение его состава поверхности и топографии.
Открытые научные вопросы в основном касаются происхождения и развития планеты так близко к ее центральной звезде, ее внутренней структуре и ее составу. BepiColombo также исследует динамику внутри Меркурия и создаваемое там магнитное поле. Дальнейшие цели касаются изменений на поверхности планеты из-за геологических процессов, таких как образование кратеров, тектоника и вулканизм. Кроме того, исследуются структура и динамика экзосферы и магнитосферы, а также состав и происхождение возможных ледяных отложений в полярных регионах планеты. Также интересен вопрос о том, остается ли Меркурий все еще вулканически активным, о чем Messenger не может предоставить никакой информации.
BepiColombo - одна из самых сложных межпланетных космических миссий ЕКА на сегодняшний день. В случае успеха два космических зонда предоставят множество новых знаний о самой внутренней планете в нашей солнечной системе. Надеемся, что они также дадут новое понимание условий, при которых Меркурий образовался 4,56 миллиарда лет назад.
Не забудь подписаться , дальше будет только интереснее!