2025 年 2 月 12 日
- 430 ℃至 –170 ℃：沒有哪顆行星因晝夜變化而經歷的溫差比水星更大。
- 目前的研究成果：這些溫差對地球的地殼和岩石地函產生了深遠的影響。
- 新的全球地殼厚度圖顯示岩石的孔隙率異常高。
- 大型撞擊盆地的重力場差異顯示該行星自轉和軌道發生了重大變化，或過去曾發生過重大火山事件。
- 重點：太空旅行、探索、地球物理學
水星是距離太陽最近的行星，也是八大行星中最小的行星。而且它沒有大氣層。所有這些都使它成為行星研究領域的特殊事物。德國航空航天中心 (DLR)、柏林工業大學、卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 和布拉格查爾斯大學研究了與水星及其內部熱條件相關的各種地球物理方面。他們目前已在《地球物理研究快報》上發表了三篇文章來研究這項發現。結果令人驚訝。它們對於歐洲-日本水星探測器貝皮科倫坡號 (BepiColombo) 對水星的研究至關重要，該探測器將於 2026 年底進入繞行水星的軌道。
水星繞太陽運行，距離太陽約 6,000 萬公里，太陽表面溫度高達 5500 度。這導致水星向陽面強烈受熱，同時夜間一面溫度極低。這種差異之所以如此之大，也因為該行星沒有儲熱大氣層。日落後，熱量直接輻射到太空。水星與太陽的距離，加上它的表面結構、從核心到地殼的成分以及非常不同的引力場區域，與太陽系中的其他行星相比都是特殊的。這些極端事件的總和可能導致該行星在過去改變其自轉和繞太陽的軌道。但這只是可能的解釋之一。
這三篇科學論文包括美國太空總署信差號任務的測量數據，該任務在2011年至2015年間從軌道上對水星進行觀測。它們還包括基於已知參數的模型，用於模擬水星的結構以及行星在空間和時間上的演化過程。水星是一顆岩石行星，就像金星、火星或地球一樣。與地球一樣，它由於液態金屬核心而具有磁場，但沒有大氣層。
與月球一樣，水星的質量太小，無法結合氣體包層的揮發性分子。僅此一項事實就對與太陽熱輻射相關的特性和過程產生了相當大的影響。它的結構也與其他類地天體有很大不同：它的金屬核心異常大，佔據了行星球體半徑的 80% - 其上方的岩石地函厚度僅為 400 公里。為何會出現這種情況被認為是行星研究的重大謎團之一。
岩石地殼提供了有關行星演化的資訊：其孔隙度越大，熱傳遞越差
博士德國太空中心柏林阿德勒霍夫行星研究所的阿德里安·布羅凱和他的團隊發現，水星隕石坑地殼的孔隙率為 9% 到 18%。這使得岩石地殼的平均密度略高於每立方公尺 2.5 噸，考慮到孔隙率，這一密度與月球地殼淺色部分的岩石（即所謂的斜長岩）相當。這些是富含長石和鈣的鋁矽酸鹽。
這些明顯的空洞要么是由於熔岩冷卻結晶所致，要么是由於大型小行星撞擊地殼所致。在寬度為 1,500 公里的卡洛里斯盆地周圍測得的孔隙度值最高，絕非巧合。對於結果所基於的模型，地殼厚度是根據美國太空總署信使號軌道器測量的高解析度重力和地形數據得出的。
表面岩石的孔隙度影響著行星內部產生的熱量的傳輸，熱量向上滲透並「想要」輻射到太空。岩石行星的表面不僅吸收太陽輻射的能量，還在夜晚的黑暗中將其釋放回太空。外殼也能作為熱屏障，阻擋行星內部放射性元素衰變產生的熱量，這些熱量從行星形成時就被儲存起來；所謂的吸積熱。根據地殼的特性，這種熱量會向上滲透並輻射到太空。行星在數十億年的時間裡逐漸冷卻——行星體越小，冷卻速度就越快。因此，了解地殼結構對於解讀類地行星的地質歷史至關重要。
強烈的溫度對比會影響內部動態
水星繞太陽運行的軌道及其球形形狀意味著某些地區比其他地區接收更多的太陽輻射。水星目前處於所謂的 3:2 自旋軌道共振狀態：它自轉三次，同時繞太陽公轉兩次。此外，自轉軸幾乎垂直於軌道平面。這導致了太陽系中其他行星所沒有的獨特表面溫度模式。赤道附近的炎熱地區白天溫度高達攝氏 430 度。然而，在極地和由3:2共振產生的較冷地區，溫度只能達到攝氏零下170度。人們甚至懷疑在陽光無法穿透的兩極深處隕石坑中也存在冰。這些極端的溫度和特殊的表面溫度模式不僅對水星表面而且對水星內部都起著重要作用。
同樣來自德國航空航天中心行星研究所的地球物理學家艾梅里克·弗勒里 (Aymeric Fleury) 和他的團隊發現了不同的表面溫度如何影響行星深層的溫度。這些溫度也會導致表面熱流的變化。它們展示了水星如何散失其內部產生的熱量。但溫度不僅影響行星表面的熱流。它們也對岩石地函和位於深 400 公里處的金屬核之間的邊界產生影響。因此，由差異引起的熱流可能會影響磁場的產生。
這項非凡的觀測結果將在未來使用地核磁場模型進行測試，並將從 2027 年開始使用布倫瑞克工業大學在 BepiColombo 行星軌道器上開發的 MPO-Mag 實驗進行越來越多地測量和分析。
水星以前圍繞太陽的運動方式是否有所不同？
對水星表面大型撞擊盆地的研究也讓我們深入了解了相機無法看見的表面之下的結構。最初，該行星形成初期的小行星撞擊形成了數十個直徑超過100公里的隕石坑。這導致巨大岩石質量的重新分佈，從而引起重力場的差異。由於撞擊後較輕的地殼物質溶解和更下方更緻密的地函物質上升，因此那裡的引力比周圍區域更大。然而，引力場的這種對比通常會在數百萬年的時間內達到平衡。而被慢慢推到一邊的物質（透過所謂的黏性流動）再次填充了先前形成的凹陷。溫暖甚至炎熱的物質比脆冷的岩石流動得更快。可以這麼說，重力場的差異再次「趨於平穩」。
大型撞擊盆地的地殼結構為了解水星等行星的地質歷史提供了寶貴的見解。柏林工業大學地球物理學家 Claudia Szczech 和地球物理學家 Jürgen Oberst 與德國航空航天中心行星研究所的五人團隊合作，研究了 30 多億年後仍可測量的引力場差異。他們研究了 36 個直徑超過 300 公里的撞擊盆地，並研究了它們的布格對比度（以法國博學家皮埃爾·布格 (1698-1758) 的名字命名）作為黏彈性鬆弛的指標。
研究團隊利用熱演化模型預測地殼溫度，模型假設行星目前呈現 3:2 共振，自轉三次，繞太陽公轉兩次。調查表明，現有數據中並未觀察到地殼溫暖且布格對比度低（鬆弛小）區域之間的預期聯繫。這可能意味著過去的地殼溫度與先前的模型預測的不同。可能的原因是水星繞太陽運行的軌道發生了變化，或者是與水星北半球大片平坦平原的形成有關的大型火山事件。
貝皮科倫坡號將於 2026 年 11 月抵達水星軌道
2025年1月8日，歐洲太空總署（ESA）和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）聯合計畫的貝皮科倫坡號任務第六次也是最後一次飛越水星。飛掠距離水星表面 295 公里，確保了已經繞行水星的行星軌道器 ( MPO，ESA) 和水星磁層軌道器 ( MMO，JAXA) 的組合處於完美的軌道上——這對於貝皮哥倫布號探測器於 2026 年 11 月進入該行星的軌道非常有利。由於距離太陽較近，引力巨大，探測器共進行了六次飛越，以便能夠以理想的方式接近該行星。德國航太中心參與了 MPO 項目，擁有BELA雷射高度計和MERTIS光譜儀，與明斯特大學共同運作。
[照片]
(A) 黑白版和對比色版的水星
水星的直徑僅4,881公里（地球約1,2750公里），是太陽系八大行星中最小的一顆。同時，它是最內圈的行星，也是探索最少的岩石行星。只有兩艘太空探測器對它進行過近距離探測。這兩張黑白（左）和對比度增強的彩色全球視圖是在 2011 年至 2013 年間根據美國宇航局信使號探測器拍攝的數千張圖像創建的。 2026 年底，歐洲-日本聯合探測器「貝皮科倫坡號」將進入水星軌道，並對水星進行深入探索。在任務準備階段，進行了地球物理調查，其中包括研究極端溫差對水星地殼和地函的影響以及行星的演化。
(B) 水星上的卡洛里斯撞擊盆地
這幅寬度約 1,500 公里的卡洛里斯盆地馬賽克畫是彩色合成圖，覆蓋在單色馬賽克上。這張彩色馬賽克拼圖由美國太空總署信使號太空船於 2014 年拍攝的影像組成。卡洛里斯盆地被熔岩淹沒，在這幅馬賽克中熔岩呈現橘色。大型撞擊盆地的地殼結構以及大型撞擊坑及其周圍環境重力場差異的研究，為水星等行星的地質歷史提供了寶貴的見解。
(C) 水星：太陽系早期動盪時期的痕跡
水星表面與月球表面一樣，在其存在的四十五億年中受到各種大小天體的撞擊和重塑。在此背景下，研究人員甚至討論了這種可能性：該行星在早期可能遭受如此強烈的撞擊，以致其大部分地殼和地幔被吹走並拋入太空。歐洲-日本任務小組貝皮科倫坡號將從 2026 年底開始尋找這次宇宙碰撞的證據。美國太空總署信差號探測器拍攝的馬賽克影像顯示了北齋撞擊坑。它擁有令人印象深刻的噴出物質系統，噴出的物質範圍遍布整個星球，最遠可達 1,000 公里
(D) 水星北半球的火山平原
在水星的北極周圍，巨大的凝固熔岩平原向南延伸。這裡展示的景觀面積約為 600 x 300 公里，覆蓋了德國大約一半的面積。您可以在圖片的正中央看到一個所謂的“幽靈隕石坑”，這是撞擊坑的遺跡，只有圓形的隕石坑邊緣從火山平原略微突出。整體而言，水星熔岩平原上的隕石坑比火星許多地區的隕石坑要少，這表明火山活動比隕石坑較多的「古老」地形更年輕。
(E) 水星北部的地形圖
此圖像顯示了水星北部的透視圖，顏色則根據表面的地形高程而定。紫色最低，白色最高。水星上的高度差異約為 10 公里（地球上約 20 公里）。魯本斯隕石坑和蒙特威爾第隕石坑的直徑分別為 159 公里和 134 公里，位於影像中心上方。研究水星的大型撞擊盆地可以讓我們深入了解相機看不到的表面之下的結構；例如行星引力場的差異。今天觀測到的重力場的對比為過去的地表和地殼溫度提供了線索。這意味著在較溫暖的區域對比度較低。
(F) 信差號探測器抵達水星（藝術家的印象）
2011年3月，人造太空船首次進入水星軌道：美國太空總署信差號太空探測器。船上搭載的科學儀器可以繪製水星地圖，並分析其結構和表面成分，直到2015年。