Меркурій. Його особливості

Меркурій — найближча до Сонця планета Сонячної системи. Обертається навколо Сонця за 87,969 земних діб. Меркурій належить до внутрішніх планет, оскільки його орбіта лежить ближче до Сонця, ніж пояс астероїдів. Після того, як Плутона позбавили статусу планети - Меркурій є найменшою планетою Сонячної системи.

Особливості руху

Орбіта Меркурія значно витягнута (ексцентриситет 0,2056) і нахилена до площини екліптики (7,00°). Середня швидкість його руху орбітою — 47,36 км/с. За всіма цими показниками він тримає рекорд серед великих планет Сонячної системи.

Орбіта — рух матеріальної точки в полі сил, що на неї діють. У найпростішому випадку орбіта двох тіл це коло або еліпс, фокус якого розташовано в центрі мас системи. Орбіта може мати складнішу форму, якщо на тіло впливають багато силових полів.

Ексцентриситет — характеристика орбіти, що задається конічним перетином. Такі орбіти виникають в класичній задачі двох тіл з потенціалом, обернено пропорційним віддалі між тілами. Орбіти планет Сонячної системи, зокрема Землі, наближено описуються еліпсами — одним із видів конічного перерізу.

Конічні перетини — невироджені криві, утворені перетином площини з однією або обома частинами конуса. Перетин площини, перпендикулярній осі конуса, утворює коло. Перетин площини, не перпендикулярній осі конуса, з однією з частин конуса утворює еліпс або параболу. Крива, отримана перетином площини з обома частинами конуса називається гіперболою. Також існують вироджені перетини: точка, пряма та пара прямих.

Екліптика — уявна лінія (велике коло) небесної сфери, вздовж якої центр сонячного диска протягом року пересувається серед зір. Оскільки річний рух Сонця відбиває реальне обертання Землі (а точніше — системи Земля-Місяць) по орбіті, екліптика є слідом від перетину небесної сфери з площиною земної орбіти.

Відстань від Меркурія до Сонця змінюється від 46,00 до 69,82 млн км. Період обертання навколо Сонця (меркуріанський рік) становить 87,97 земної доби, а середній інтервал між однаковими фазами (синодичний період) — 115,9 земної доби. Відстань до Меркурія від Землі змінюється від 77,3 до 221,9 млн км, а кутовий розмір для земного спостерігача — від 13" до 4,5".

Період обертання Меркурія навколо своєї осі — 58,646 діб, що становить 2/3 періоду обертання навколо Сонця. Таким чином, за один оберт навколо Сонця планета робить 1,5 оберти навколо своєї осі, і під час проходження перигелію повертається до Сонця почергово то нульовим, то 180-м меридіаном.

Тривалість сонячної доби на планеті дорівнює 3 зоряним меркуріанським добам або 2 меркуріанським рокам, що становить близько 175,92 земної доби. Узгодженість обертання планети навколо власної осі з обертанням навколо Сонця — результат дії припливного тертя і крутного моменту гравітаційних сил з боку Сонця, зумовленого відхиленням розподілу мас на Меркурії від концентричного (центр мас зсунуто щодо геометричного центру планети).

Через близькість Сонця вплив припливних сил на Меркурій значно більший, ніж на інші планети.

Нахил осі обертання Меркурія становить лише 0,034°, тому сезонних змін, подібних до земних, на цій планеті нема (однак є зміни, спричинені витягнутістю орбіти). Для спостережень із Землі Меркурій — незручний об'єкт.

Як внутрішня планета, він не віддаляється від Сонця більш ніж на 28° і видимий лише на фоні вечірньої або ранкової зорі, низько над обрієм, на короткий час. Окрім цього в таку пору фаза планети (тобто кут між напрямками від планети до Сонця і до Землі) близька до 90°, і спостерігач бачить освітленою лише половину її диску.

Дослідження

Наземні телескопічні дослідження

Перше телескопічне спостереження Меркурія було зроблене Галілео Галілеєм на початку XVII ст. Хоча він спостерігав фази Венери, його телескоп був недостатньо потужним, щоб спостерігати фази Меркурія.

1631 року П'єр Гассенді здійснив перше телескопічне спостереження проходження планети перед диском Сонця. Момент проходження було обчислено до того Йоганном Кеплером. 1639 року Джованні Зупі за допомогою телескопа відкрив, що орбітальні фази Меркурія подібні фазам Місяця і Венери. Спостереження остаточно довели, що Меркурій обертається навколо Сонця.

Покриття однією планетою диска іншої з Землі спостерігається дуже рідко. Венера покриває Меркурій раз на кілька століть і ця подія спостерігалась в історії тільки одного разу — 28 травня 1737 року Джоном Бевісом у Гринвіцькій обсерваторії. Наступне покриття Меркурія Венерою відбудеться 3 грудня 2133 року.

Труднощі, притаманні спостереженню Меркурія, зумовили те, що він довгий час залишався найменш вивченою планетою. 1800 року Йоганн Шретер, який вів спостереження поверхні Меркурія, оголосив, що він виявив на ній гори висотою 20 км. Фрідріх Бессель, використовуючи замальовки Шретера, помилково визначив період обертання планети навколо своєї осі в 24 години і нахил осі у 70°.

У 1880-х роках Джованні Скіапареллі картографував планету більш точно і припустив, що період обертання становить 88 днів і збігається з сидеричним періодом обертання навколо Сонця через припливні сили.

Цей феномен, відомий як синхронне обертання, властивий також Місяцю. Роботу з картографування Меркурія продовжив Ежен Антоніаді. 1934 року він видав книгу, в якій було подано старі карти і його власні спостереження. Запропоновані ним назви деталей альбедо Меркурія згодом здебільшого були затверджені Міжнародним астрономічним союзом.

У червні 1962 року група науковців Інституту радіотехніки та електроніки Академії наук СРСР під керівництвом Володимира Котельнікова провела перші радіолокаційні спостереження планети та виявила схожість відбивних властивостей Меркурія та Місяця.

1965 року подібні дослідження, здійснені американцями Гордоном Петтенгіллом та Р. Дьюсом за допомогою радіотелескопа обсерваторії Аресібо в Пуерто-Рико, переконливо довели, що період обертання Меркурія навколо своєї осі становить 59±5 днів.

Того ж року італійський астроном Джузеппе Коломбо зауважив, що цей період близький до 2/3 сидеричного періоду обертання планети, і відзначив, що таке співвідношення може бути стабільним (подібно до синхронного обертання). Невдовзі значення періоду було уточнене завдяки фотографічним спостереженням із Землі та «Марінера-10», і згадане співвідношення підтвердилося. Це не означає, що карти Скіапареллі та Антоніаді були невірними.

Просто астрономи бачили одні й ті ж деталі планети кожен другий оберт її навколо Сонця, заносили їх у карти й ігнорували спостереження в той час, коли Меркурій був звернений до Сонця іншим боком, оскільки через геометрію орбіти умови для спостереження були несприятливими.

Близькість Сонця створює деякі проблеми для телескопічного вивчення Меркурія. Наприклад, телескоп «Габбл» ніколи не використовувався і не буде використаний для спостереження цієї планети. Його будова не дозволяє спостерігати близькі до Сонця об'єкти — спроба зробити це пошкодить апаратуру.

Сучасні дослідження

Меркурій залишається найменш вивченою планетою земної групи. На її дослідження було спрямовано лише два апарати. Першим був «Марінер-10», що у 1974—1975 роках тричі пролетів повз Меркурій: максимальне зближення становило 320 км.

У результаті було отримано кілька тисяч знімків із середньою роздільною здатністю 1 км/пікс, що охоплюють приблизно 45 % поверхні планети. Подальші дослідження з Землі дозволили отримати деякі дані про поверхню та атмосферу Меркурія, зокрема вказали на можливість існування водяного льоду в полярних кратерах.

З 2008 по 2015 рік планету досліджував апарат НАСА MESSENGER. Він був запущений 3 серпня 2004 року і летів складною траєкторією з кількома гравітаційними маневрами біля Землі, Венери та Меркурія. Повз останній він пролітав тричі (в січні 2008, жовтні 2008 та вересні 2009 року), і в березні 2011 нарешті став його супутником. Цей апарат відзняв усю поверхню планети та отримав багато інших даних. Його внесок у дослідження Меркурія став революційним.

Європейське космічне агентство спільно з Агентством аерокосмічних досліджень Японії розробили місію BepiColombo, що складається з двох космічних апаратів: Mercury Planetary Orbiter (MPO) та Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Європейський апарат MPO буде досліджувати поверхню Меркурія та його глибини, в той час як японський MMO буде спостерігати за магнітним полем та магнітосферою планети. Запуск BepiColombo успішно здійснено 20 жовтня 2018 року у 01:45 UTC, прибуття до Меркурія планується у грудні 2025.

Розвиток електроніки та інформатики зробив можливим наземне спостереження Меркурія за допомогою приймачів випромінювання ПЗЗ та подальшої комп'ютерної обробки знімків. Одним з перших серію спостережень Меркурія з ПЗЗ-приймачами здійснив у 1995—2002 роках Йохан Варел в обсерваторії на острові Ла-Пальма на півметровому сонячному телескопі.

Варел обирав найкращі знімки, не використовуючи комп'ютерного комбінування. Його почали застосовувати в Абастуманській астрофізичній обсерваторії до серій фотографій Меркурія, отриманих 3 листопада 2001 року, а також в обсерваторії Скінакас Іракліонського університету до серій 1-2 травня 2002 року; для обробки результатів спостережень застосували метод кореляційної сумісності. Отримане роздільне зображення планети мало схожість з фотомозаїкою Марінера-10, обриси невеликих утворень розмірами 150—200 км повторювались. Так було складено карту Меркурія для довгот 210—350°.

Прилад із зарядовим зв'язком, ПЗЗ — являє собою пристрій для руху електричного заряду, як правило всередині системи до пристрою, де можна проводити якісь маніпуляції з зарядом, наприклад, оцифровувати його. Це досягається шляхом переносу сигналів поетапно всередині пристрою. Часто в пристрій інтегрований датчик зображення, який продукує сигнал, що потім може бути зчитанний. В результаті цього ПЗЗ стали основою для створення CCD (ПЗЗ) матриць. Прилади використовуються для детектування світла (фотометрія), а також в медичних та професійних цілях, де потрібні зображення з високою роздільною здатністю.

Оцифровування — переведення інформації в цифрову форму.

Розміри, форма та маса

За формою Меркурій близький до кулі з екваторіальним радіусом (2439,7±1,0) км, що приблизно в 2,6 рази менше, ніж у Землі. Різниця півосей екваторіального еліпса планети становить десь 1 км; екваторіальне й полярне стискання незначні.

Відхилення геометричного центру планети від центру мас — у межах 1,5 кілометри. За площею поверхні Меркурій поступається Землі в 6,8 разів, а за об'ємом — у 17,8 разів.

Маса Меркурія дорівнює 3,30·1023 кг, що приблизно в 18 разів менше маси Землі. Середня густина близька до земної й становить 5,43 г/см³. Прискорення вільного падіння поблизу поверхні — 3,70 м/с2 (0,38 земного).

Деталі поверхні

Більша частина поверхні Меркурія вкрита лавовими рівнинами та метеоритними кратерами. Чимало там і тектонічних об'єктів, переважно уступів та гряд. Подекуди трапляються вулканічні кратери та своєрідні дрібні западини неясного походження[10]. Завдяки численним кратерам планета нагадує Місяць, але на ній значно більше слідів вулканічних та тектонічних явищ.

Метеоритні кратери на Меркурії більш розповсюджені, ніж на будь-якій іншій планеті Сонячної системи. Їх кількість на одиницю площі там приблизно така, як на материках Місяця (крім кратерів діаметром <100 та >500 км, для яких суттєво менша).

Концентрація басейнів із кільцевим хребтом усередині на Меркурії втричі більша (можливо, це пов'язано з інтенсивнішим плавленням порід через більшу швидкість зіткнень). Через більшу силу тяжіння меркуріанські кратери дещо мілкіші за місячні, а їх викиди та вторинні кратери поширюються на менші відстані.

Як і на Місяці, чимало кратерів залиті лавою, а контури схованих під нею кратерів іноді окреслені грядами. Найбільшим кратером Меркурія є 1500-кілометровий басейн рівнини Спеки. Протилежна до нього ділянка планети вирізняється сильно перетятим рельєфом — можливо, через фокусування в цьому місці сейсмічних хвиль від удару, що утворив цей басейн.

Серед рівнин Меркурія вирізняються два типи — старші й більш перетяті, що розташовані між великими кратерами, та молодші й рівніші, що трапляються як зовні, так і всередині кратерів. І другі і, ймовірно, перші утворені виливами дуже плинної лави, подібно до місячних морів.

Але на Меркурії лавові рівнини значно розповсюдженіші, світліші й переважно старші. Є на планеті й інші сліди вулканічної активності — западини, що можуть бути кратерами або кальдерами. Вони мають неправильну форму і сягають десятків кілометрів у ширину; всього їх виявлено близько ста.

Часто вони оточені світлим ореолом викидів, і в такому випадку інтерпретуються як кратери від вибухових вивержень пірокластичних порід. Великих щитових вулканів, характерних для решти планет земної групи, на Меркурії нема.

Нема на Меркурії й тектоніки плит, але є багато слідів інших тектонічних процесів, переважно спричинених стисканням його надр через поступове охолодження. Це звивисті уступи довжиною до сотень кілометрів і висотою до 3 км, окремі хребти порівнянних розмірів та численні невеликі гряди.

Подібні об'єкти є поверхневими проявами насувів, підкидів та складок. Крім того, стискання Меркурія видно за деформацією дна багатьох великих кратерів, яке подекуди піднялося вище їх валу. Виходячи з параметрів згаданих уступів, зменшення діаметра планети оцінюють у 2—3 км.

Слідів розтягнення поверхні на Меркурії дуже мало, а його причини менш зрозумілі. Воно відбувалося в деяких імпактних басейнах і створило грабени, візерунок яких буває дуже різним. Особливо складною системою тектонічних об'єктів (зокрема незвичайною групою радіальних грабенів) примітна рівнина Спеки.

На Меркурії розповсюджені загадкові дрібні западини, оточені світлим ореолом. Вони мають плоске дно з чіткими краями, неправильну форму й часто злиті в групи; їх глибина становить десятки метрів, а ширина — від десятків до тисяч. Найчастіше вони трапляються в метеоритних кратерах.

Судячи з доброї збереженості, ці западини бувають дуже молодими і, можливо, формуються й досі. Їх поява може бути пов'язаною з сублімацією якихось летких речовин або з вулканічними явищами. Можливі аналоги цих западин відомі на Місяці; порівнюють їх і з певними деталями південної полярної шапки Марса.

Кратери Меркурія отримують імена видатних діячів мистецтва. Винятками є променястий кратер Койпер, названий на честь видатного планетолога Джерарда Койпера, та маленький кратер Хун Каль, до якого прив'язана система довгот: він розташований на меридіані 20°, і його назва означає «двадцять» мовою давніх мая.

Рівнини зазвичай називають на честь схожих на Меркурія богів із різних міфологій або за назвами планети Меркурій різними мовами, уступи — на честь кораблів дослідницьких експедицій, долини — іменами давніх покинутих поселень. Є на планеті й невелика кількість інших найменованих деталей рельєфу. Крім того, для Меркурія існує номенклатура деталей альбедо; вона базується на карті Ежена Антоніаді, виданій 1934 року.