На Меркурии обнаружили железный снег

Ближайшая к светилу и самая маленькая планета Солнечной системы до сих пор представляет собой загадку. Как у Земли и четырех газовых гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, у Меркурия есть собственная магнитосфера. После исследований станции MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry) природа этого магнитного слоя стала проясняться.  Основные результаты миссии уже включают в монографии и учебники. Как же столь маленькой планете удалось сохранить магнитосферу?

Чтобы у небесного тела возникла своя магнитосфера, нужен источник магнитного поля. Как считает большинство ученых, тут срабатывает эффект динамо. В случае Земли это выглядит так. В недрах планеты находится металлическое ядро с твердым центром и жидкой оболочкой. За счет распада радиоактивных элементов выделяется тепло, приводящее к формированию конвективных течений проводящей жидкости. Эти течения и генерируют магнитное поле планеты.

Поле взаимодействует с солнечным ветром — потоками заряженных частиц от светила. Эта космическая плазма несет с собой собственное магнитное поле. Если магнитное поле планеты выдерживает давление солнечной радиации, то есть отклоняет ее на значительном расстоянии от поверхности, то говорят о наличии у планеты собственной магнитосферы. Кроме Меркурия, Земли и четырех газовых гигантов, магнитосферой обладает Ганимед — крупнейший спутник Юпитера.

У остальных планет и лун Солнечной системы звездный ветер не встречает практически никакого сопротивления. Так происходит, например, на Венере и, скорее всего, на Марсе. Природа магнитного поля Земли до сих пор считается главной загадкой геофизики. Альберт Эйнштейн считал ее одной из пяти важнейших задач науки.

Связано это с тем, что хотя теория геодинамо практически безальтернативна, она вызывает большие затруднения. Согласно классической магнитогидродинамике, динамо-эффект должен затухать, а ядро планеты — остывать и твердеть. Точного понимания механизмов, благодаря которым Земля поддерживает эффект самогенерации динамо вместе с наблюдаемыми особенностями магнитного поля, прежде всего геомагнитными аномалиями, миграцией и инверсией полюсов до сих пор нет.

Трудность количественного описания, скорее всего, в существенно нелинейном характере задачи. В случае Меркурия проблема динамо еще острее, чем для Земли. Как такая маленькая планета сохранила собственную магнитосферу? Не означает ли это, что ее ядро по-прежнему находится в жидком состоянии и генерирует достаточно тепла? Или же действуют какие-то особые механизмы, позволяющие небесному телу защищаться от солнечного ветра?

Меркурий легче и меньше Земли примерно в 20 раз. Средняя плотность сопоставима с земной. Год длится 88 дней, однако небесное тело не находится в приливном захвате с Солнцем, а вращается вокруг собственной оси с периодом около 59 суток. От других планет Солнечной системы Меркурий отличает относительно крупное металлическое ядро — на него приходится около 80 процентов радиуса небесного тела. Для сравнения, ядро Земли занимает только около половины ее радиуса.

Магнитное поле Меркурия открыла в 1974 году американская станция Mariner 10, зафиксировавшая всплески высокоэнергетических частиц. Магнитное поле ближайшего к Солнцу небесного тела примерно в сто раз слабее земного, полностью поместилось бы в сферу размером с Землю и, как и у нашей планеты, сформировано диполем, то есть имеет два, а не четыре, как у газовых гигантов, магнитных полюса.

Первые теории, объясняющие природу магнитосферы Меркурия, были предложены в 1970-е годы. Большинство из них основаны на динамо-эффекте. Эти модели прошли верификацию с 2011 по 2015 год, когда планету изучала станция MESSENGER. Данные, полученные с аппарата, выявили необычную геометрию магнитосферы Меркурия. В частности, в окрестностях планеты магнитное пересоединение — взаимная перестройка собственных и внешних силовых линий магнитного поля — происходит примерно в десять раз чаще.

Это приводит к образованию множества пустот в магнитосфере Меркурия, позволяющих солнечному ветру практически беспрепятственно достигать поверхности планеты. Кроме того, MESSENGER обнаружил остаточную намагниченность в коре небесного тела. Используя эти данные, ученые оценили нижнюю границу среднего возраста магнитного поля Меркурия в 3,7-3,9 миллиарда лет. Это, как отметили ученые, подтверждает справедливость эффекта динамо для формирования глобального магнитного поля планеты, а также наличие у нее жидкого внешнего ядра.

Между тем вопрос о структуре Меркурия остается открытым. Не исключено, что внешний слой его ядра содержит металлические хлопья — железный снег. Эта гипотеза весьма популярна, поскольку, объясняя собственную магнитосферу Меркурия все тем же динамо-эффектом, допускает невысокие температуры и квазитвердое (или квазижидкое) ядро внутри планеты.

Известно, что ядра планет земной группы сформированы в основном железом и серой. Также известно, что включения серы понижают температуру плавления материи ядра, оставляя его жидким. Значит, для поддержания динамо-эффекта требуется меньше тепла, которого Меркурий и так производит слишком мало. Почти десять лет назад геофизики, проведя серию экспериментов, продемонстрировали, что в условиях высоких давлений в сторону центра планеты может падать железный снег, а навстречу ему, от внутреннего ядра, подниматься жидкая смесь из железа и серы. Это и способно создать динамо-эффект в недрах Меркурия.

Данные MESSENGER подтвердили эти выводы. Спектрометр, установленный на станции, показал крайне низкое содержание железа и других тяжелых элементов в вулканических породах планеты. В тонком слое мантии Меркурия почти нет железа, и она сформирована в основном силикатами. На твердый центр приходится примерно половина (около 900 километров) радиуса ядра, остальное занимает расплавленный слой. Между ними, скорее всего, находится слой, в котором сверху вниз перемещаются металлические хлопья. Плотность ядра примерно в два раза выше, чем мантии, и оценивается в семь тонн на кубический метр. На серу, как полагают ученые, приходится около 4,5 процента от массы ядра.

MESSENGER обнаружил на поверхности Меркурия многочисленные складки, изгибы и разломы, что позволяет сделать однозначный вывод о тектонической активности планеты в недавнем прошлом. Строение внешней коры и тектоника, по мнению ученых, связаны с происходящими в недрах планеты процессами. MESSENGER показал, что магнитное поле планеты сильнее в северном полушарии, чем в южном. Судя по гравитационной карте, составленной аппаратом, толщина коры в районе экватора в среднем на 50 километров выше, чем на полюсе. Значит, силикатная мантия в северных широтах планеты разогрета сильнее, чем в ее экваториальной части. Эти данные прекрасно согласуются с обнаружением в северных широтах относительно молодых траппов. Хотя вулканическая активность на Меркурии прекратилась примерно 3,5 миллиарда лет назад, современная картина термодиффузии в мантии планеты во многом, скорее всего, определяется ее прошлым.

В частности, в слоях, примыкающих вплотную к ядру планеты, до сих пор могут существовать конвективные потоки. Тогда температура мантии под северным полюсом планеты будет на 100-200 градусов Цельсия выше, чем под экваториальными областями планеты. Более того, MESSENGER обнаружил, что остаточное магнитное поле одного из участков северной коры направлено в противоположную сторону относительно глобального магнитного поля планеты. Это означает, что в прошлом на Меркурии как минимум однажды произошла инверсия — смена полярности магнитного поля.

Подробно Меркурий исследовали только две станции — Mariner 10 и MESSENGER. А эта планета, прежде всего из-за собственного магнитного поля, представляет большой интерес для науки. Объяснив природу ее магнитосферы, мы почти наверняка сможем сделать это и для Земли. В 2018 году к Меркурию Япония и ЕС планируют отправить третью миссию. Полетят две станции. Первая, MPO (Mercury Planet Orbiter) составит мультиволновую карту поверхности небесного тела. Вторая, MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) займется исследованием магнитосферы. Ждать первых результатов миссии придется долго — даже если старт состоится в 2018-м, точки назначения станции достигнут только в 2025 году.