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        水星有一顆與眾不同的“心”

        2021-11-03 09:15:42石無(wú)魚(yú)
        科學(xué)之謎 2021年8期
        關(guān)鍵詞:類(lèi)地行星水星太陽(yáng)系

        石無(wú)魚(yú)

        水星是太陽(yáng)系八大行星中最小的,也是離太陽(yáng)最近的一顆行星。它也是一顆巖石質(zhì)行星,跟金星、地球和火星一起,同屬于類(lèi)地行星。

        所有類(lèi)地行星的結(jié)構(gòu),從里到外都由地核、地幔和地殼三部分組成。地核主要由金屬,尤其是鐵組成;地幔和地殼則含鐵量較少,主要由硅酸鹽組成。

        核心所占比例高得異乎尋常

        說(shuō)水星有著與眾不同的“心”,主要是水星的鐵質(zhì)核心占其總質(zhì)量的70%,這一比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽(yáng)系中其他巖石質(zhì)行星。譬如,地球的地核只占總質(zhì)量的34%。

        水星核心所占比例高得如此異乎尋常,科學(xué)家猜想,可能過(guò)去發(fā)生過(guò)什么事情,使得水星的地幔和地殼一部分被剝離;由于含鐵量少的表層被剝?nèi)?,所以鐵核所占的比例就上來(lái)了。

        一種可能是,水星在年輕時(shí)經(jīng)歷了一次碰撞,外層熔化了——地球就是經(jīng)歷了類(lèi)似的碰撞后,一部分物質(zhì)飛出去形成了月球。考慮到水星沒(méi)有衛(wèi)星,碰撞之后濺射到太空的物質(zhì)可能都掉進(jìn)太陽(yáng)了。

        但美國(guó)的“信使號(hào)”探測(cè)器在2011年至2015年環(huán)繞水星飛行期間,在水星表面發(fā)現(xiàn)了存在鉀、硫等元素的跡象。這些元素在高溫下是極易蒸發(fā)的。如果水星經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的碰撞,會(huì)形成極高的溫度,其表面就不應(yīng)該有這些元素。

        最近,科學(xué)家通過(guò)模擬證明,如果水星沒(méi)有跟另一個(gè)天體碰撞,而是與另一顆行星——最有可能是它的鄰居金星——只是近距離運(yùn)行,同樣可以被剝?nèi)ニ堑谋韺?,而且不?huì)產(chǎn)生太多的熱量,使其表面的鉀、硫等元素得以保存。

        模擬顯示,年輕的水星只要以適當(dāng)?shù)姆较蜃赞D(zhuǎn),它的表層物質(zhì)是相對(duì)容易被剝離的。假設(shè)最初水星跟其他巖石質(zhì)行星一樣,其核心所占比例是30%,那么只需要被金星剝離四次,就能達(dá)到目前的水平。

        與眾不同的冷卻方式

        水星還存在兩個(gè)與眾不同的疑點(diǎn)。

        一個(gè)疑點(diǎn)是,有跡象表明,水星的冷卻導(dǎo)致其半徑縮小了大約10千米,相當(dāng)于其半徑的1%,是在行星中縮小幅度最大的。

        我們知道,太陽(yáng)系的行星形成之后,開(kāi)始都是一團(tuán)熾熱的火球,都有一個(gè)冷卻的過(guò)程。冷卻之后,因?yàn)闊崦浝淇s,體積也隨著縮小。另外,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),在八大行星中,別的行星都是緩慢冷卻的,唯有水星是個(gè)例外。水星在形成后的5億年內(nèi)就基本收縮完成,而別的行星還在緩慢冷卻中??茖W(xué)家推測(cè),這可能是因?yàn)樗堑蔫F質(zhì)核心占比較大,導(dǎo)致它的冷卻方式也與眾不同。

        水星還有一個(gè)疑點(diǎn)。在太陽(yáng)系類(lèi)地行星中,目前只有地球和水星有著全球性磁場(chǎng)的,其他類(lèi)地行星或許最初有過(guò)全球性磁場(chǎng),但都在冷卻過(guò)程中失去了。

        可是,一般來(lái)說(shuō),行星磁場(chǎng)只有在熔融的液態(tài)核受到劇烈攪動(dòng)時(shí)才能形成??茖W(xué)家認(rèn)為,在水星形成的早期,其液態(tài)核不會(huì)產(chǎn)生足以維持磁場(chǎng)的攪動(dòng)。所以,我們不知道這個(gè)磁場(chǎng)是如何形成和維持的。

        這兩個(gè)問(wèn)題也許都可以通過(guò)一個(gè)模型來(lái)解釋?zhuān)醇僭O(shè)水星早期可能是地核的液態(tài)巖漿直接沖出地殼來(lái)冷卻的。這實(shí)際上是另一種形式的火山噴發(fā),但與普通火山不同的是,普通火山噴發(fā)的物質(zhì)來(lái)自地幔,而水星因?yàn)閴K頭相對(duì)較小,內(nèi)部的壓力不夠大,無(wú)法在中心形成固態(tài)的核,所以其地核都處于熔融狀態(tài)。這些熔融的物質(zhì)直接自地核噴發(fā)出來(lái),而且噴發(fā)量更大。

        這樣的冷卻方式,首先散熱快,這就解釋了為什么水星早期收縮得如此之快。其次,迅速的冷卻讓水星的液態(tài)核上層和下層產(chǎn)生更大的溫度差,這樣會(huì)加劇對(duì)流,從而提供了維持磁場(chǎng)必要的劇烈攪動(dòng)。

        水星由于在初期釋放熱量過(guò)猛,內(nèi)部壓力得到極大的緩解,所以在早期的大規(guī)模噴發(fā)之后,火山活動(dòng)基本上就停止了,就像水龍頭被關(guān)掉一樣。

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