水星与太阳的距离及其影响

水星是最靠近太阳的行星，它和地球形成了鲜明对比。水星的体积比地球小得多，但在引力压缩作用下，它的密度却比地球还要大一些。水星上几乎不存在大气、海洋，且大部分表面的年代都很久远。水星的自转速度极慢，每公转两周，才完成三周的自转。

水星的许多特性都要归因于它体积小和距离太阳近。水星为什么比离它最近的金星和地球小这么多，这个问题至今还没有答案。第一种可能的原因是，形成水星的那部分太阳星云相对比较稀薄（星云内沿的物质流入太阳）。遗憾的是，即便利用现代天文望远镜，我们也无法看清楚其他原行星盘的内部情况，所以只能靠猜测。第二种可能的原因是，太阳星云的物质足够在水星目前的位置形成一个大行星，只是星子和行星胚胎的成长速度不够快。离太阳这么近的天体的公转速度会非常快，因此它们的碰撞速度也非常快，但许多碰撞会导致侵蚀而非成长，因此妨碍了水星的成长。

第三种可能的原因是，也许水星根本就是在其他地方形成的。它的成分看起来和顽辉球粒陨石很像，而顽辉球粒陨石来自内小行星带。假如水星和火星一样，也是在离太阳更远的地方形成的（这点会在稍后提到），只是后来才移动到今天所在的位置，那么它体积小的原因就说得通了。

引力收缩作用使水星成了所有行星中密度最大的一个。一个显而易见的原因是，它有一个和它体积差不多大的内核，还有一层和其他类地行星相比较薄的地幔岩。“信使号”水星探测器于2011年3月到达水星的轨道，它采集到的数据证实了这一解释。这些数据表明，水星的地壳岩和地幔岩加起来只有400千米厚，而位于它们下方的内核的半径却达到2000千米。

科学家曾经认为，水星地幔如此薄是因为太阳高温加热使水星上部圈层的物质蒸发到太空。蒸发改变了水星的成分，最先蒸发的是一些容易挥发的元素，如钠和钾，最后剩下的都是一些难熔的元素，如镁和铝。然而，水星的大气非常稀薄，而且含有大量钠和钾，大气不断流向太空，因此那些从水星表面岩石逃出的原子进入了大气。由此可见，这些岩石中仍然含有大量钠和钾。“信使号”最终确认，水星表面的岩石中含有大量挥发性元素，甚至包括大量硫，这一点令人大跌眼镜。所以，水星密度高是由于太阳加热的可能性算是排除了。

还有一个可信度更高的解释：水星在形成后期曾经遭到一次重大碰撞。计算机模拟显示，假如当时水星的内核已经形成，那么一个行星胚胎高速撞击它时会将水星的大量地幔岩抛向太空，只有内核完好无损。也许后来有一部分岩石碎片又落到水星上面，但很多都已经被其他行星胚胎清空了。一些持有这种假说的人还提出一个有趣的想法，那就是一颗比水星大的行星曾经斜着撞击它，这次偏斜撞击造成水星的大量地幔被剥离，幸免于难的内核和剩下的地幔形成了今天的水星。像这种大碰撞一般会产生大量热量，但不清楚这是否就是今天的水星遗留下了挥发性物质的原因。

水星在行星中是一个特殊的存在，它的天和年形成一个简单的固定比率。从太空中一个固定的点看，水星自转三周与公转两周所用的时间相等，这样的比例源自太阳的引力摄动。当水星刚形成时，它的自转速度可能和地球一样快。由于受到太阳的引力作用，水星面对太阳的一面向外隆起，它自转时，潮汐隆起慢慢往太阳的方向移动。太阳的引力不断拉着隆起，从而减慢了水星的自转速度。假如水星的轨道以前是圆形的，这一效应最终会导致它的一面总是对着太阳，就像月球的一面总是朝着地球一样。但事实上水星的轨道非常扁长，这才造成了今天我们所见到的更加复杂的局面。

水星的自转轴几乎与它的轨道平面垂直，但这一情况在行星形成过程中出现的概率极低。看来，水星自转轴的倾斜度可能与它的自转速度一样，也曾经被慢慢改变过。没有悬念，罪魁祸首还是太阳引力，水星今天的自转轴是太阳引力以及水星内核与地幔的摩擦力共同作用的结果。由于水星的倾角很小，所以它上面没有季节之分，而地球的黄赤交角为23度，所以有四季之分。水星的两极终年寒冷，而赤道地区的昼夜温差则很大。(www.xing528.com)

别看水星这么小，它却存在磁场（虽然只有地球磁场的1%），这一点比较令人意外。这说明它的铁核至少有一部分处于熔融状态，这个猜测在深入观察水星的自转后得到了证实。水星的体积这么小，假如它的成分和地球一样的话，它应该早就已经冷却凝固了。水星的内核仍然处于部分熔融状态的事实说明，它除了铁以外，还含有大量轻元素，因此降低了内核的冰点。这些轻元素中很可能包括硫，这和“信使号”发现的水星表面含有大量硫的特征相符。

乍一看，水星和月球很像，但它们其实有着千差万别（图9-4）。水星的表面同样遍布陨击坑，其中包括几个直径超过1000千米的陨击盆地，但它所受到的撞击程度不像月球高地那么严重。水星的北半球以地势相对平缓的平原为主，这是熔岩浆淹没该地区后凝固而成的。有些地方还可以看到一些被淹没的大型陨击坑的环形痕迹。除了环形山外，水星的表面还有一些几百千米长的陡坡，很明显这是水星逐渐冷却收缩形成的。

水星的大部分表面还保留着许多远古的状态，但“信使号”也发现了一些近期才形成的特征：水星上有几千个叫作“凹地”的神秘洼地，这是水星独有的特征。它们的大小从几米到几千米不等，而且形成时间似乎比周边平原要近。这些凹地可能还在继续形成，但它们是如何形成的，至今仍然是一个谜。无疑，水星给了我们几个惊喜，但它也不像一些人所想的，是一个放大版的月球。

图9-4　“信使号”水星探测器首次掠过水星时拍摄的水星全景图（图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington）

水星过去的火山活动释放出一些气体，但是水星今天的大气含量却低到无法测量的程度。行星留住大气的能力受到几个因素的影响，但无一适用于水星。水星低引力和高表面温度的条件，使得它上面的气体比地球上的更容易蒸发到太空。水星离太阳很近，任何撞到水星的小行星和彗星都会在太阳引力下加速。强烈的撞击或许在早期就吹走了水星的大量大气。不像地球，水星的磁场不能保护它的大气免遭来自太阳粒子风暴的侵袭。碰撞后剩下的大气很可能在接触这些粒子后就消失了。