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水星,究竟有水与否,答案超乎想象,诡异轨道竟令牛顿力学抓狂

2020-12-18新闻24

太阳系八大行星,“水、金、地、火、木、土、天、海”。这个口诀我们从小就已熟记。当我们年龄稍大时,便发现叫水星的并没有遍布大海,叫金星的也不是遍地黄金,而木星上更没有郁郁葱葱的森林……原来“金木水火土”是我国古人根据阴阳五行,为肉眼可见的五大行星取的形象的称呼。如今只是沿用了这些称呼而已,与该星球上是否遍布大海或黄金等没有关系。

我们今天要聊的就是排在第一位的水星。水星是离太阳最近的行星,它与太阳的距离仅为5790万公里(0.38天文单位)。水星在太阳强大引力的“摧残”下,外部没有多余物质,更甭提大气层了。它几乎只是一颗原始行星的星核。水星的质量是3.3×10∧23kg,仅相当于地球的5.5%。

论个头,水星只比地球的卫星月球稍大,其半径只有2440千米。而且水星地表酷似月球表面,有环形山、平原、盆地等等。但是与水星较小的体形相反的是,其密度十分之高,约为5.427g/cm3。在太阳系八大行星中,水星的密度仅次于地球,位列第二。

密实的水星富含铁矿,约有2万亿亿吨。按目前人类的消耗水平,够我们开采2400亿年。以当下的科技水平,人类若是想去水星采矿,是万万做不到的。水星昼夜温差可达600摄氏度,白天太阳直射的地方温度高达427摄氏度,夜晚来临,阳光照不到的地方温度会低至-173摄氏度,简直是冰火两重天。

水星是八大行星中公转周期最短的。它绕太阳公转一圈只需88天,水星上的一年还没地球上的一季度长。水星的自转却很慢,它自转一圈需要58天。从某种意义上来说,水星的一天可以等于水星上的两年,这与水星的慢自转、快公转有关。水星公转2周和自转3周,刚好周期重合,完成一个日出日落。

这理解起来好像有些费劲,但水星接下来带给科学家的困扰,却是连牛顿都无能为力的。

水星近日点进动问题,水星在绕太阳公转时,轨道并不是一个封闭的椭圆。水星每转一圈,它的轨道位置就前移一点,此为进动。经过观察水星的实际进动速率,与牛顿力学求解的值存在较大误差,一百年约有43角秒。学界想尽各种办法,始终无法解释为何会造成这种误差,甚至有人提出存在一颗尚未被发现的行星,其引力影响了水星的运行轨道。

直到科学巨匠爱因斯坦的广义相对论横空出世,在考虑了大质量的太阳对水星附近时空的弯曲效应后,才完美解决了这43角秒的误差。理论预言在和实际观测拉扯了半个多世纪后,终于握手言和。

行文至此,聊个水星,都已经扯到高大上的相对论了。但是我们从小就有的疑问似乎还没彻底搞明白——水星上究竟有没有水?

通过上文的介绍,我们知道水星上没有大面积的海洋,那会有少量的液态水存在吗?遗憾的是,水星那样恶劣的条件,液态水是根本不可能存在的。唯一的可能就是以冰的形式存在。

水星的自转轴几乎与黄道面垂直,意味着几乎没有倾角(不到1度)。众所周知,地球赤道面与黄道面存在23度的倾角,所以我们能感受一年四季不同的温度变化。没有倾角的水星,在它的极地就会存在永远照不到太阳的阴暗深坑,在这些低温深坑(永久阴影区)里很可能会有水冰存在。

学界对于这个推测的正确与否,争论了二十多年。直到2014年,NASA的水星探测器信使号发回了一张震撼全球的照片,照片中显示在水星北极地区一处陨石坑中,发现了水冰。最新研究表明,水星极地这些永久阴影区所储藏的水冰,远比我们想象的要多得多。据估计,可能有1千至1万亿吨的水冰,冰层深度超过20米。

这么多的水冰究竟从何而来,难道是天上掉下来的?

的确,还真有这种可能性。水星上的冰,可能是由彗星等富含水冰的小天体,撞击水星地表,恰好落在了永久阴影区,长年累月积累下来的。

另一种较为可信的解释是,太阳风裹挟着带电粒子撞击水星地表后,土壤中的矿物质羟基被释放了出来,羟基在水星表面相互撞击,就会生成水分子。这些水分子若在永久阴影区就会被冻结成冰,逐年积累下来便形成了如今的水星冰层。

水星是颗神奇的星球,还有许多未解之谜。水星上富含铁矿,还有这么多的水冰存在。按理说应该是探索的大热门,可是迄今为止,人类拜访孤独的水星,其次数还不足三次。这又是为何?

我们下次再聊。

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#科学#水星#轨道

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