Меркурий маленький, быстрый и находится близко к солнцу, что затрудняет посещение каменистого мира. Только один зонд когда-либо вращался вокруг планеты и собрал достаточно данных, чтобы рассказать ученым о химическом составе и ландшафте поверхности Меркурия. Однако изучение того, что находится под поверхностью, требует тщательной оценки.
После завершения миссии зонда в 2015 году планетологи оценили толщину коры Меркурия примерно в 22 мили. Один ученый из Аризонского университета не согласен.
Используя самые последние математические формулы, младший научный сотрудник Лунной и Планетарной Лаборатории Майкл Сори подсчитал, что толщина коры Меркурия составляет всего 16 миль, и она плотнее алюминия. Его исследование «Тонкая, плотная кора для Меркурия» будет опубликовано 1 мая в журнале Earth and Planetary Science Letters и в настоящее время доступно в Интернете.
Сори определил плотность коры Меркурия, используя данные, собранные космическим кораблем Mercury Surface, Space Environment and Geochemistry Ranging (MESSENGER). Он создал свою оценку, используя формулу, разработанную Исаму Мацуямой, профессором Лунной и планетарной лаборатории, и ученым из Калифорнийского университета в Беркли Дугласом Хемингуэем..
Оценка Сори подтверждает теорию о том, что кора Меркурия сформировалась в основном в результате вулканической активности. Понимание того, как образовалась земная кора, может позволить ученым понять формирование всей планеты со странной структурой.
«Из планет земной группы у Меркурия самое большое ядро относительно его размера», - сказал Сори.
Ядро Меркурия, как полагают, занимает 60 процентов всего объема планеты. Для сравнения, ядро Земли занимает примерно 15 процентов ее объема. Почему ядро Меркурия такое большое?
«Возможно, она сформировалась ближе к нормальной планете, и, возможно, большая часть коры и мантии была разрушена гигантскими ударами», - сказал Сори. «Еще одна идея заключается в том, что, возможно, когда вы формируетесь так близко к солнцу, солнечные ветры сдувают большую часть породы, и вы очень рано получаете большой размер ядра. Пока нет ответа, с которым все согласны».
Работа Сори может помочь ученым выбрать правильное направление. Уже решена проблема с породами в коре Меркурия.
Таинственные скалы Меркурия
Когда сформировались планеты и Луна Земли, их коры образовались из их мантий, слоя между ядром планеты и корой, который просачивается и течет в течение миллионов лет. Объем коры планеты представляет собой процент мантии, которая превратилась в горные породы.
До исследования Сори оценки толщины коры Меркурия привели ученых к выводу, что 11 процентов первоначальной мантии планеты превратились в горные породы в коре. Для земной Луны - небесного тела, наиболее близкого по размеру к Меркурию - число меньше, около 7 процентов.
«Эти два тела сформировали свою кору совершенно по-разному, поэтому не обязательно было тревожно, что они не содержали одинаковый процент горных пород в своей коре», - сказал Сори.
Кора Луны образовалась, когда менее плотные минералы всплыли на поверхность океана жидкой породы, которая стала мантией тела. На вершине магматического океана плавучие минералы Луны остыли и затвердели, превратившись в «плавучую кору». Эпохи вулканических извержений покрыли поверхность Меркурия и создали его «магматическую кору».
Объяснение того, почему Меркурий создал больше камней, чем Луна, было научной загадкой, которую никто не разгадал. Теперь дело может быть закрыто, так как исследование Сори оценивает долю горных пород в коре Меркурия в 7 процентов. Меркурий не лучше Луны создает камни.
Сори решил эту загадку, оценив глубину и плотность коры, а это означало, что он должен был выяснить, какая изостазия поддерживает кору Меркурия.
Определение плотности и глубины
Наиболее естественная форма планетарного тела - гладкая сфера, все точки поверхности которой находятся на равном расстоянии от ядра планеты. Изостазия описывает, как горы, долины и холмы поддерживаются и удерживаются от превращения в гладкие равнины.
Существуют два основных типа изостазии: Пратт и Эйри. Оба сосредоточены на балансировке масс одинаковых по размеру кусочков планеты. Если масса одного среза намного больше, чем масса соседнего среза, мантия планеты будет просачиваться, смещая кору поверх нее до тех пор, пока массы всех срезов не станут равными.
Изостазия Пратта утверждает, что кора планеты имеет разную плотность. Кусок планеты, содержащий гору, имеет ту же массу, что и кусок, содержащий плоскую землю, потому что кора, образующая гору, менее плотная, чем кора, образующая плоскую землю. Во всех точках планеты дно земной коры равномерно плавает по мантии.
Пока Сори не завершил свое исследование, ни один ученый не объяснил, почему изостазия Пратта поддерживает или не поддерживает ландшафт Меркурия. Чтобы проверить это, Сори нужно было связать плотность планеты с ее топографией. Ученые уже построили топографическую карту Меркурия, используя данные MESSENGER, но карты плотности не существовало. Поэтому Сори сделал свой собственный, используя данные MESSENGER об элементах, обнаруженных на поверхности Меркурия.
«Мы знаем, какие минералы обычно образуют горные породы, и мы знаем, какие элементы содержит каждый из этих минералов. Мы можем разумно разделить все химические содержания на список минералов», - сказал Сори о процессе, который он использовал для определения расположение и обилие полезных ископаемых на поверхности. «Мы знаем плотность каждого из этих минералов. Мы сложим их все и получим карту плотности».
Сори затем сравнил свою карту плотности с топографической картой. Если изостатия Пратта могла объяснить ландшафт Меркурия, Сори ожидал найти минералы с высокой плотностью в кратерах и минералы с низкой плотностью в горах; однако он не обнаружил такой связи. На Меркурии минералы высокой и низкой плотности встречаются как в горах, так и в кратерах.
После того, как изостазия Пратта была опровергнута, Сори рассмотрел изостазию Эйри, которая использовалась для оценки толщины земной коры Меркурия. Изостазия Эйри утверждает, что глубина коры планеты варьируется в зависимости от топографии.
"Если вы видите гору на поверхности, она может поддерживаться корнем под собой", - сказал Сори, сравнив ее с айсбергом, плавающим по воде.
Вершина айсберга поддерживается массой льда, выступающей глубоко под водой. Айсберг содержит ту же массу, что и вода, которую он вытесняет. Точно так же гора и ее корень будут содержать ту же массу, что и перемещаемый материал мантии. В кратерах кора тонкая, а мантия ближе к поверхности. Клин планеты с горой будет иметь ту же массу, что и клин с кратером.
"Эти аргументы работают в двух измерениях, но когда вы учитываете сферическую геометрию, формула не совсем работает", - сказал Сори.
Формула, недавно разработанная Мацуямой и Хемингуэем, действительно работает для сферических тел, таких как планеты. Вместо уравновешивания масс коры и мантии формула уравновешивает давление коры на мантию, обеспечивая более точную оценку толщины коры.
Сори использовал свои оценки плотности земной коры и формулу Хемингуэя и Мацуямы, чтобы найти толщину земной коры. Сори уверен, что его оценка толщины коры Меркурия в его северном полушарии не будет опровергнута, даже если будут собраны новые данные о Меркурии. Он не разделяет этой уверенности в плотности земной коры Меркурия.
MESSENGER собрал гораздо больше данных о северном полушарии, чем о южном, и Сори предсказывает, что средняя плотность поверхности планеты изменится, когда данные о плотности будут собраны по всей планете. Он уже видит необходимость в последующем исследовании в будущем.
Следующая миссия к Меркурию прибудет на планету в 2025 году. Тем временем ученые будут продолжать использовать данные MESSENGER и математические формулы, чтобы узнать все, что они могут, о первом камне с Солнца.