互动科普

虽然水星是临近地球的行星之一，但这个奇异的天体的许多情况至今仍然不为人所知。

作为距太阳最近的行星，水星是一个处于极端条件下的世界。在由前太阳星云凝聚而成的所有天体中，水星形成的温度是最高的。水星上的一天(从黎明到黄昏)等于176个地球日，在太阳系中是最长的，事实上比水星的一年还要长。当水星在近日点上时(近日点就是它的轨道上距太阳最近的那一点)。它运动得非常快，如果一个人站在水星表面上，那么在他看来太阳似乎在天空中停了下来并向后运动，直到水里的自转追上其公转并使太阳重新向前运动。在白天，水星的地面温度高达700开氏度，在太阳系的所有行星表面中首屈一指(超过了使铅熔化的温度)；然而到晚上，水星表面温度又猛降到只有100开氏度(足可使氮凝结)。

这些奇异的特性使天文学家们对水星格外感兴趣。事实上，水星对科学研究提出了非同一般的挑战。水里的极端特性使天文学家们很难用任何一种一般的太阳系进化理论来解释它。在某种意义上，水星与众不同的性质为天文学家们的理论提供了一种严格而灵敏的检验。尽管水星是距地球最近的行星之一(它到地球的距离仅排在火星和金星之后)。但是在太阳系中最远的冥王星是人们对它了解得比水星还少的唯一行星。有关水星的许多方面:诸如它的起源和演化，它那令人迷惑不解的磁场，它的稀薄的大气，它那可能是液态的核以及它的高得惊人的密度等都是模糊不清的。

水星十分明亮，但由于距离遥远，以致早期天文学家无法辨认出水星上的任何细节。他们只能绘出水星在天空中的运动路径。由于水星是太阳系中最靠内的行星，从地球上看来它与太阳之间的角距离不会大于27度。这个角度小于1点钟时手表上的时针和分针所成的角度。因此它基本上是与太阳同起同落，这样人们就只能在白天观测水星(但大气散射的太阳光使它很难被看见)，或者是在日出前或日落后趁太阳刚好在地平线上时的短暂时间中观测。然而，在黎明或黄昏时刻，水星在天空中的位置很低，以致它发出的光线在湍动大气中穿越的距离相当于它位于头顶上时其光线穿越的距离的10倍之多。最好的地面望远镜也只能看清水星上的大小为几百公里或更大的特征，这一分辨率比人们在地球上用肉眼观测月亮的分辨率还要低得多. 

虽然存在这样一些障碍，地面观测还是得出了若干令人感兴趣的结果。1955年，天文学家们得以使雷达波从水星表面上反射回来。通过测量反射波的所谓多普勒频移，天文学家们得知水星的自转周期为59天。而在这之前，人们一直以为水星的自转周期为88天，与它一年的时间相同，因此水星有一面永远向着太阳。水星上一天的长度与一年的长度之比为2比3。这一简单的比例引人注目.水星最初的自转速度曾经快得多，大概由于潮沙作用耗散了能量，因此自转速度逐渐慢了下来，最后因某种尚不清楚的过程而稳定在这个比例上. 

新的空间天文观测装置(例如哈勃太空望远镜)。不受大气畸变之类问题的限制，因此人们可能认为这类装置是。研究水星的理想工具.然而遗憾的是，哈勃望远镜同其它许多空间探测器一样，不能指向水星，因为水星离太阳太近，太阳发出的光有可能意外地损坏这些探测器上的灵敏光学仪器. 

唯一可行的另外一条研究水星的途径是发射一艘空间飞船到水星附近去观察它.只有一个空间探测器曾作过一次这样的飞行:七十年代，水手10号飞船在执行探测内太阳系的一项更大的计划时曾从水里近傍飞过.让水手10号飞到水星不是一项轻而易举的任务.直接进入太阳的引力势阱是不可能的;水手10号只能绕金星掠飞而过以释放引力能量，从而降低其速度以便与水星相会.水手10号绕太阳运行的轨道使它有三次从水星近傍飞过:1974年3月29日，1974年9月21日及1975年3月16日。这个空间探测器发回了占水星面积40%的地方的图象，显示出水星具有-个密布环形山的表面，乍看起来很像月球的表面。

不幸的是，这些图象使人们得出了一个错误的印象，即水星同月球没有多大区别，只不过碰巧占据了太阳系的另外一个区域而已。其结果是使水里成了美国空间计划中被遗忘的行星。至今为止已实现了40次到月球的空间飞行。20次到金星的飞行，到火星的飞行也在15次以上。到下一个十年结束时，一批空间飞行器将在绕金星、火星、木星和土星的轨道上运行，发回有关这些行星及其周围环境的详细资料供未来的许多年用。然而水星却仍将是基本上未被探测的行星。 

铁的问题

水手10号空间项目使人们对水星的科学认识从几乎一片空白增加到现今我们所了解的程度。水手10号探测器上携载的一批仪器发回了约2千张图象，其有效分辨率约为1.5公里，与地球上的大型望远镜拍摄的月球照片的分辨率差不多.然而这么多的图象只摄下了火星的一面，另一面则从未被观测过。

水星的引力场强度之大出人意外，天文学家通过测量水手10号在水星引力场中的加速度，证实了水星最不寻常的特征之一，即它的高密度.其它的类地天体(即非气态的天体，包括金星、月球、火星和地球)的密度和大小之间具有一种相当线性的关系。其中最大的两个天体(即金星和地球)的密度很大，而较小的两个天体(月球和火星)的密度则比较小。水星比月球大不了多少，但它却具有比它大碍多的行星(如地球)才应该有的密度。

这一观测结果为我们提供了有关水星的内部的极为重要的线索。一个类地行星的外层山较轻的物质(如硅酸盐岩石)组成。由于上覆岩石层的压缩作用以及内部物质’的组成不同，越到深处密度就越大。类地行星的高密度核心可能主要是由铁构成的。 

因此，相对于其大小而言，水星在所有类地行星中可能具有最大的金属内核。这一发现激起了有关太阳系的起源和演化问题的激烈争论。天文学家们认为，所有行星都是在差不多同一时间从太阳星云凝聚而成的。如果这一前提成立，那么下列三种可能情况中的一种可以说明水星为何如此与众不同。首先，在邻近水星轨道的区域，太阳星云的成份可能大不相同——其不同的程度比理论模型所预言的要大得多。第二种情况则是，在太阳系生命的早期，太阳的能量可能很大，以致使水星上的挥发性低密度元素都被蒸发韭清除掉了。第三种可能情况是，在火星形成后不久，一个质量非常大的天体同水星相撞，使密度较小的物质被蒸发掉了。目前所拥有的证据尚不足以在这几种可能性中分出个高低优劣来。 

说来也怪，天文学家对水手10号的资料的详尽分析以及从地球上进行的周密的光谱观测都未能检测出水星地壳岩石中有哪怕是痕量的铁存在。水星表面上明显缺乏铁的现象同人们认为水星内部有大量的铁形成了鲜明的对比。地球的地壳中有铁，而且光谱观测也探测到月球和火星的岩石中都有铁。这样，水星可能是内太阳系中唯一的一颗所有高密度的铁全部集中在内部、地壳中只剩下低密度的硅酸盐的行星。或许是由于水星处于熔融状态的时间很长，以致较重的物质都沉积到中心，正如炼铁炉中的铁沉到熔渣下面一样。 

水手10号也发现水星有一个比较强的磁场——除地球外，水星的磁场在所有类地行星中是最强的。地球的磁场由在地核中作环流的导电熔融金属通过一个称为自驱动发电机的过程而产生。如果水星的磁场具有类似的起源，那么它也必定有一个液态内核。但是这个假说存在一个问题。象水星这样的小天体，其表面积与体积的比值较大。因此，在其它条件相同的情况下，较小天体向空间辐射能量的速度更快。如果水星有一个纯粹山铁构成的内核一～它的高密度和强磁场就说明了这一点——那么这个内核应当早在亿万年前就冷却并凝固了。但是固体内核不可能支持一台自驱动磁发电机。 

这一矛盾说明水星内核中存在其它物质。这些额外的物质可以降低铁的凝固点，使它即使在比较低的温度下也保持液态。硫在宇宙中是一种比较丰富的元素，它是水星核额外物质的候选者之一。事实上，最近的模型假定水星的核山固态铁构成，但由一层液态的铁和硫包绕着，其温度为1300开氏度。但是这一解决此矛盾的方案仍然只是猜想。 

一旦行星表面充分固化，那么它在长期受到稳定的应力作用时就可能弯曲，或者在受到突然撞击时像一块玻璃那样碎裂。水星在4O亿年前诞生后，受到过大量陨石的轰击，这些陨石撕开了水星脆弱的外皮，释放出滚滚的熔岩流。更晚一些时候，较小的撞击导致熔岩流出。这些撞击必定释放出足够大的能量使水星表面熔化，或者是使更深的液态层流出。水星表面留下了在它的外层凝固后所发生的的种种事件的印记。 

行星地质学家们曾试图根据这些特征勾画出水星的历史，但他们对构成水星表面的岩石并没有精确的了解。测定绝对年代的唯一途径是对送回的岩石样品进行放射性测量断代(至今没有这种岩样)。不过地质学家们有一些巧妙的方法束确定相对年龄，这些方法基本上依据迭加原理：如果某一特征覆盖或跨越另一特征，那么它就是比较年青的。这一原理在确定环形山的相对年龄时特别有用。 

断裂的历史 

水星上有几个大环形山的周围被一圈一圈同心的山丘和低谷围绕着。这些环圈状地形可能是在陨石撞击水星时产生的。陨石撞上水星后产生向外扩展的激波，就像一块石头扔进池塘时产生向外扩展的水波一样。然后这些环罔就地凝固，形成交错的山丘和低谷。卡洛里斯环形山——一个直径1300公里的庞然大物——是这些环形山中最大者。导致这个环形山形成的撞击产生出一块平坦的盆地——好比是把石板擦干净——然后在其上留下了许多小规模撞击的较新记录。基于对抛射体撞击水星的速率的一个估计，由这些环形山的尺寸分布可以得知卡洛里斯撞击大概发生在36亿年前。这一时间起着基准时问的作用。卡洛里斯撞击非常猛烈，以致连水星另一侧的表面都受到了扰动：卡洛里斯环形山的对跖点上有许多的裂缝和断层。 

水星表面上也密布着起源尚不清楚的线状地形，多为南北走向、东北一西南走向或西北一东南走向。这些线状地形称为水星网格(Mcrcuriangrid)。对这种网格状结构的一种解释是，水星的地壳是在其自转速度比现在快得多(一天只有20小时)的时候凝固的。由于水星自转很快，它的赤道将凸出：而在它的自转放慢到现今的自转周期后，引力就将使它变为更近于球形的形状。线状地形可能是在水星表面适应这一变化的过程中产生的。这些皱纹没有穿过卡洛里斯环形山，说明它们形成的时问是在卡洛里斯撞击发生之前。 

当水星的自转速度在放慢时，它同时也在冷却，这样其内核的外部区域就凝固了。随之而来的收缩可能使水星的表面积减少了大约一百万平方公里，产生由许多断层，表现为水星表面上纵横交错的一系列曲线形悬崖。 

地球上的大多数环形山已经受侵蚀作用而变平坦了，与地球相比，水星、火星和月球都有一个环形山密布的表面。这三个天体上的环形山也具有类似的大小分布，只不过水星上的环形山一般要大一些。与撞击火星和月球的物体相比，撞击水星的物体极可能具有更高的速度。如果这些撞击体是沿着椭圆形轨道绕太阳运行的话，那么上述情况是可以预料得到的，因为它们在水星轨道区域的运动速度比在较远的外部区域的运动速度快。因此，这些撞击岩石可能全都来自同一个家族，这个岩石家族或许源于小行星带。相反，木星卫星的环形山的大小分布则呈现另外一种规律，这说明它们是因另一群物体的撞击而形成的。 

稀薄的大气 

水星的磁场强得足以捕获带电粒子，比如随太阳风吹进水星的粒子(太阳风是太阳发射出的质子流)。水星的磁场形成一层屏障，即磁层，它是围绕地球的磁层的微型翻版。磁层不断地随太阳的活动情况而变。水星的这个磁屏障比较小，因而其变化的速度可以比地球磁层的变化速度快很多。这样，水星对太阳风的响应很迅速(在水星位置上太阳风的密度比在地球位置上大10倍)。 

猛烈的太阳风不断地轰击着水星被太阳照着的一面。水星的磁场强度刚好可以阻止太阳风到达水星表面，在太阳活动很强烈或水星位于近日点时的情况除外。在这两种情况下，太阳风长驱直入，冲到水星表面上，它的高能质子把物质从水星地壳中轰击出来。然后，这样抛射出来的粒子被水星磁层所捕扶。 

然而，像水星这样的高温天体不会在其周围维持一个浓密的大气层，因为气体分子的运动速度通常超过了水星的逃逸速度。水星表面上任何显著数量的挥发性物质将立刻消失到空间中。山于这一原因，长期以来人们一直认为水星上没有大气。但是水手10号上的紫外分光计检测到少量的氢、氦和氧，而随后在地球上进行的观测也发现了痕量的钠和钾。 

这些大气物质的来源和最终命运是一个激烈争论的问题。与地球的大气层不同，水星的大气层是在不断地蒸发和补充的。水星的大部分大气可能是直接或问接地山太阳风产生的。这一稀薄大气的某些成份或许来自磁层，或来自直接落在水星上的彗星物质。此外，一旦太阳风把一个原子从水星表面上“溅射”出来，它也就加人到稀薄的大气中。甚至也有可能水星现在仍在排放出它的挥发性物质的原始储备的最后一点残余。 

最近，加利福尼亚理工学院和喷气推进实验窒(JPL)——均在加利福尼亚州帕萨迪纳——观测了从水星极地附近反射回来的一个雷达波束的圆偏振。观测结果表明水星上存在着水冰。象水星这样热的行星居然可能有冰帽(或者水)的前景令人大感兴趣。这些冰有可能藏在水星极地附近的永久背荫区域中，是水星形成时在其上凝聚的原生水的残留物。 

如果确是如此，那么水星在太阳系存在的楚个时代中必定一直保持着相当稳定的取向，从未使它的任何一极向太阳倾侧一一甚至连卡洛里斯撞击这样的毁灭性事件也没有改变它的取向。这样一种稳定性将是极为令人意外的。水的另一个可能来源或许是不断地掉入水星的彗星。掉在水星极地上的冰可能一直呆在太阳照不到的地方，蒸发极其缓慢。这些水可能是水星大气中氧和氢的来源。另一方面，亚利桑那大学的天文学家提出，水星极地上的背荫区可能含有其它挥发性物质，比如说硫。硫对于雷达波的反射特性与冰类似，但它的熔点则比冰高。 

探测的障碍 

为什么近二十五年来对太阳系进行的探测工作一直把水星排除在外呢?正如前面所说，一个可能的原因是水星看起来和月球非常相似。另一个为微妙的因素同行星探测项日的立项方式有关。美国国家航空航天局同行评议专家小组的成员们一般都曾参加过该局大多数新近的项目。项日的侧重点一直放在其它行星上，因此这批行星科学家已经积累起了高度专一的经验和兴趣。这样其它行星受到的重视程度更大，与之相比，只有少数的科学家替水星说活。 

另一个问题是经济方面的考虑。航空航天局的高层官员要求科学家们提出的项目“更快、更好、省钱”，日标要集中，要兼顾科学价值和总费用。在当前预算十分紧张的条件下，航空航天局能够考虑的山个人提出的最大的深空探测项目建议是对它的“发现”计划(Disco．vcryprogram)的项目建议。有兴趣的科学家们同工业界联合起来提出项目，航空航天局从中选择一部分业拨出经费以进行更深入研究(至今已有4个这类项目得到实施)。发现计划的项目建议应将单个项目的费用限制在2．26亿美元以下。与之相比，航空航天局探测木星的伽利略项目和探测土星的卡西尼项目的费用都将超过10亿美元。 

围绕水星作轨道飞行的探测项目有一个特殊的技术障碍。这个空问探测器必须采取保护措施以免受到来自太阳的强烈辐射能一一甚至水星反射的太阳能量——的危害。由于该探测器将靠近水星，因此水星光的威胁有时比太阳直射光本身的威胁更大。尽管存在着这些难题，航空航天局还是在1994年收到了一份关于水星轨道探测器的发现计划项目建议书，在1996年则收到两份此类建议书。 

1994年的那份项目建议书名为Hermes’94，它采用一个传统的肼一四氧化氮推进系统，需要多达1145]z}斤的推进剂。这些燃料中很大一部分是用来降低空问探测器在飞向太阳时的速度。此项目的计划者们(包括本文作者)当时本来也可以减少所需燃料的质量，但其途径只有一条一一增加这个空问探测器与行星会合的次数(以除去引力能量)。遗憾的是，这样将会延长它在空问中飞行的时间，长期暴露于辐射下将缩短其关键的固态元件的寿命。 

该探测器携载的仪器可以以1公里或更精确的分辨率绘制水星的整个表面的图象。这些地形图可以和水星的磁场与引力场图联系对比。航空航天局最初将此项目列入待审查的候选项目范围内，但最终这个项目因费用高、风险大而落选。 

1996年Hermes项目组、喷气推进实验室和亚利桑那州吉尔伯特的SpectrumAstro公司提出了一项新技术，此技术可在减少燃料质量、降低成本蓝缩短行星际飞行时问的情况下使空间探测器携带相同的有效负载。他们的设计需要一台以太阳为动力的离子推进发动机，仅需295公斤燃料。这种全新的发动机利用太阳能使氙原子变成离子，蓝利用从空间探测器的后部指向外的电场将这些离子加速到高速度，从而推动空间探测器。这一革新将使Hermes’96的行星际飞行时间比Hermes’94缩短一年。但是航空航天局没有把Hermes’96列人进一步审查的范围，因为它认为没有化学推进剂作充分后备的太阳能电推进系统纯属试验性质。 

但是航空航天局在1996年的“发现计划项目招标中将一个水星轨道飞行器的项目建议书列人了详细审查的范围内。此设计称为信使号(Messenger)，是由马里兰州应用物理实验室的工程师们研制的。与Hermes’94一样，它将采用传统的化学推进系统韭携载类似的传感器。此外，它携带的两个装置能够测定水星外壳岩石的含量最丰富元素的比例。虽然这两台仪器在科学研究上很吸引人，但它们的额外质量却要求信使号空问探测器在掠过金星两次韭掠过水星三次后再进入轨道。这一路线将把它到水星的行程延长到4年以上，约为Hermes’96的两倍。信使号也是正在接受审议的发现计划所有项目中造价最高的，当前标价为2．11亿美元。 

负责发现项目的合同发标工作的官员强调指出，他们在很大程度上依靠航空航天局以外的评议专家们的意见。这些评议小组在作出决定时力求达到一致，这一过程使他们倾向于成熟的技术，而不大容易接受新技术。幸运的是，航空航天局已制定了另一项独立的计划以鼓励有发展前途的设想。在这一计划下目前正在筹备的项目——称为新千年深空一号(NewMillenniumDeepSpaceOne卜将用来在空问中验证以前提出的所有各种开创性技术。1998年7月，以太阳能离子推进为动力的深空一号将开始其3年的行程，飞过小行星MeAulife(以挑战者号航天飞机的宇航员ChristaMcAuliffe的名字命名)、火星及West—Kohoutek—Ikamura彗星。深空一号可能会证明，太阳能电推进系统将能顺利工作，不负它的支持者们目前对它的期望．如果真是如此，则在下一个世纪的初期，太阳能发动机将会为环绕内太阳系的许多空问探测飞行提供动力——而且肯定将有助于揭开长期遭到忽视的水星之谜。 

图2卡洛斯环形山是在36亿年前当一个巨大的抛射体撞上水星时形成的(上)。激波穿过水星，在碰撞点的相对一侧上产生出多山匠的线条状地形。卡洛里斯环形山本身的边缘(下)呈同心波状地形，是在碰撞之后凝固而成的。该环形山底部平坦，直径约1300公里，自形成以来已布满了许多较小的环形山． 

图3卡洛里斯环形山的对跖地上的地形高度不规则，其中山丘和断裂是因水星对面一侧受撞击而产生的。Petrarch环形山(照片中央)是山后来晚得多的一次撞击产生的，这可以从它那平滑的环形山底部上只有很少一些较小的环形山看出来。然而这次撞击非常猛烈，以致使岩石熔化，熔化的岩石流过一条100公里长的通道，淹没了邻近的一座环形山。 

图4“发现”悬崖(上图以及左边照片中的弯曲地形)延伸达500公坐，有些地方高2公里．它是遍布水星表面的众多推力断层(thrust fault)中的一个。这些断层可能是在水星核凝固并收缩时形成的。由于水星核的缩小，水星外壳必须向内压缩以覆盖较小的面积。这一收缩是通过外壳的一部分在另外一部分之上滑动——由此产生一个推力断层——而实现的。