Het dichtst bij het licht en de kleinste planeet in het zonnestelsel is nog steeds een mysterie. Net als de aarde en de vier gasreuzen - Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus, heeft Mercurius zijn eigen magnetosfeer. Na onderzoek van het MESSENGER station (MErcury Surface, Space Environment, GEochemie), begon de aard van deze magnetische laag duidelijk te worden. De belangrijkste resultaten van de missie zijn al opgenomen in monografieën en leerboeken. Hoe een kleine planeet erin slaagde de magnetosfeer te behouden.
Om een hemellichaam zijn eigen magnetosfeer te laten hebben, is een bron van magnetisch veld nodig. Volgens de meeste wetenschappers wordt hier het dynamo-effect geactiveerd. In het geval van de aarde ziet het er zo uit. In de ingewanden van de planeet bevindt zich een metalen kern met een stevig centrum en een vloeibare schaal. Door het verval van radioactieve elementen komt warmte vrij, wat leidt tot de vorming van convectiestromen van een geleidende vloeistof. Deze stromen wekken het magnetische veld van de planeet op.
Het veld staat in wisselwerking met de zonnewind - stromen van geladen deeltjes van de ster. Dit kosmische plasma draagt zijn eigen magnetische veld met zich mee. Als het magnetisch veld van de planeet bestand is tegen de druk van zonnestraling, dat wil zeggen, het op een aanzienlijke afstand van het oppervlak afbuigt, dan zeggen ze dat de planeet zijn eigen magnetosfeer heeft. Naast Mercurius, de aarde en de vier gasreuzen heeft Ganymedes, de grootste satelliet van Jupiter, ook een magnetosfeer.
In de rest van de planeten en manen van het zonnestelsel ondervindt de sterrenwind praktisch geen weerstand. Dit gebeurt bijvoorbeeld op Venus en hoogstwaarschijnlijk op Mars. De aard van het magnetische veld van de aarde wordt nog steeds beschouwd als het belangrijkste mysterie van de geofysica. Albert Einstein beschouwde het als een van de vijf belangrijkste taken van de wetenschap.
Dit komt door het feit dat hoewel de geodynamo-theorie praktisch onomstreden is, deze grote problemen veroorzaakt. Volgens de klassieke magnetohydrodynamica zou het dynamo-effect moeten vervallen en zou de kern van de planeet moeten afkoelen en verharden. Er is nog steeds geen precies begrip van de mechanismen waardoor de aarde het effect van zelfopwekking van de dynamo handhaaft, samen met de waargenomen kenmerken van het magnetische veld, voornamelijk geomagnetische anomalieën, migratie en poolomkering.
De moeilijkheid van een kwantitatieve beschrijving is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan de in wezen niet-lineaire aard van het probleem. In het geval van Mercurius is het dynamoprobleem nog acuter dan bij de aarde. Hoe heeft zo'n kleine planeet zijn eigen magnetosfeer behouden? Betekent dit dat de kern nog vloeibaar is en voldoende warmte genereert? Of zijn er enkele speciale mechanismen waardoor het hemellichaam zichzelf kan beschermen tegen de zonnewind?
Kwik is ongeveer 20 keer lichter en kleiner dan de aarde. De gemiddelde dichtheid is vergelijkbaar met die van de aarde. Het jaar duurt 88 dagen, maar het hemellichaam is niet in getijdenvangst met de zon, maar draait rond zijn eigen as met een periode van ongeveer 59 dagen. Mercurius onderscheidt zich van andere planeten in het zonnestelsel door een relatief grote metalen kern - het is goed voor ongeveer 80 procent van de straal van een hemellichaam. Ter vergelijking: de kern van de aarde neemt slechts ongeveer de helft van zijn straal in beslag.
Het magnetische veld van Mercurius werd in 1974 ontdekt door het Amerikaanse station Mariner 10, dat uitbarstingen van hoogenergetische deeltjes registreerde. Het magnetische veld van het hemellichaam dat zich het dichtst bij de zon bevindt, is ongeveer honderd keer zwakker dan het aardse, het zou volledig passen in een bol ter grootte van de aarde en wordt, net als onze planeet, gevormd door een dipool, dat wil zeggen, het heeft twee, en niet vier, zoals gasreuzen, magnetische polen.
Promotie video:
Foto: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington / NASA
De eerste theorieën om de aard van de magnetosfeer van Mercurius te verklaren, werden in de jaren zeventig voorgesteld. De meeste zijn gebaseerd op het dynamo-effect. Deze modellen werden geverifieerd van 2011 tot 2015, toen het MESSENGER-station de planeet bestudeerde. De gegevens die van het apparaat zijn verkregen, onthulden de ongebruikelijke geometrie van de magnetosfeer van Mercurius. Met name in de buurt van de planeet komt magnetische herverbinding - de wederzijdse herschikking van de intrinsieke en externe krachtlijnen van het magnetische veld - ongeveer tien keer zo vaak voor.
Dit leidt tot de vorming van vele holtes in de magnetosfeer van Mercurius, waardoor de zonnewind vrijwel ongehinderd het oppervlak van de planeet kan bereiken. Bovendien ontdekte MESSENGER remanentie in de korst van een hemellichaam. Met behulp van deze gegevens hebben wetenschappers de ondergrens voor de gemiddelde leeftijd van het magnetische veld van Mercurius geschat op 3,7-3,9 miljard jaar. Dit, zoals de wetenschappers opmerkten, bevestigt de geldigheid van het dynamo-effect voor de vorming van het wereldwijde magnetische veld van de planeet, evenals de aanwezigheid van een vloeibare buitenkern erin.
Ondertussen blijft de vraag naar de structuur van Mercurius open. Het is mogelijk dat de buitenste laag van de kern metaalvlokken bevat - ijzersneeuw. Deze hypothese is erg populair, omdat Mercurius 'eigen magnetosfeer door hetzelfde dynamo-effect verklaart, het lage temperaturen en een quasi-vaste (of quasi-vloeibare) kern in de planeet mogelijk maakt.
Foto: Carnegie Institution of Washington / JHUAPL / NASA
Het is bekend dat de kernen van de aardse planeten voornamelijk worden gevormd door ijzer en zwavel. Het is ook bekend dat zwavelinsluitsels het smeltpunt van kernmateriaal verlagen, waardoor het vloeibaar wordt. Hierdoor is er minder warmte nodig om het dynamo-effect in stand te houden, wat Mercurius al te weinig produceert. Bijna tien jaar geleden toonden geofysici, die een reeks experimenten uitvoerden, aan dat onder hoge druk ijzersneeuw naar het centrum van de planeet kan vallen, en een vloeibaar mengsel van ijzer en zwavel er naartoe kan stijgen, vanuit de binnenste kern. Dit kan een dynamo-effect creëren in de ingewanden van Mercurius.
De MESSENGER-gegevens bevestigden deze bevindingen. De spectrometer die op het station was geïnstalleerd, toonde een extreem laag gehalte aan ijzer en andere zware elementen in de vulkanische rotsen van de planeet. Er zit bijna geen ijzer in de dunne laag van de Mercuriusmantel, en het wordt voornamelijk gevormd door silicaten. Het vaste centrum is goed voor ongeveer de helft (ongeveer 900 kilometer) van de straal van de kern, de rest wordt ingenomen door de gesmolten laag. Tussen hen zit hoogstwaarschijnlijk een laag waarin metaalvlokken van boven naar beneden bewegen. De dichtheid van de kern is ongeveer twee keer die van de mantel en wordt geschat op zeven ton per kubieke meter. Wetenschappers denken dat zwavel ongeveer 4,5 procent van de massa van de kern uitmaakt.
MESSENGER ontdekte talloze plooien, bochten en breuken op het oppervlak van Mercurius, wat het mogelijk maakt om een ondubbelzinnige conclusie te trekken over de tektonische activiteit van de planeet in het recente verleden. De structuur van de buitenste korst en tektoniek worden volgens wetenschappers geassocieerd met de processen die plaatsvinden in de ingewanden van de planeet. MESSENGER toonde aan dat het magnetisch veld van de planeet sterker is op het noordelijk halfrond dan op het zuidelijk halfrond. Te oordelen naar de zwaartekrachtkaart die door het apparaat is samengesteld, is de dikte van de korst bij de evenaar gemiddeld 50 kilometer hoger dan bij de pool. Dit betekent dat de silicaatmantel op de noordelijke breedtegraden van de planeet sterker wordt verwarmd dan in het equatoriale deel ervan. Deze gegevens komen uitstekend overeen met de ontdekking van relatief jonge vallen op noordelijke breedtegraden. Hoewel de vulkanische activiteit op Mercurius ongeveer 3,5 miljard jaar geleden stopte, is het huidige beeld van thermische diffusie in de mantel van de planeet grotendeelswaarschijnlijk bepaald door haar verleden.
In het bijzonder kunnen convectiestromen nog steeds bestaan in de lagen naast de kern van de planeet. Dan zal de temperatuur van de mantel onder de noordpool van de planeet 100-200 graden Celsius hoger zijn dan onder de equatoriale regio's van de planeet. Bovendien ontdekte MESSENGER dat het resterende magnetische veld van een van de secties van de noordelijke korst in de tegenovergestelde richting is gericht ten opzichte van het wereldwijde magnetische veld van de planeet. Dit betekent dat er in het verleden minstens één keer een inversie op Mercurius heeft plaatsgevonden - een verandering in de polariteit van het magnetische veld.
Slechts twee stations hebben Mercury in detail onderzocht - Mariner 10 en MESSENGER. En deze planeet is, voornamelijk vanwege zijn eigen magnetische veld, van groot belang voor de wetenschap. Door de aard van zijn magnetosfeer uit te leggen, kunnen we dit vrijwel zeker voor de aarde doen. In 2018 zijn Japan en de EU van plan een derde missie naar Mercurius te sturen. Twee stations zullen vliegen. Ten eerste zal MPO (Mercury Planet Orbiter) een kaart met meerdere golflengten van het oppervlak van een hemellichaam samenstellen. De tweede, een MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter), zal de magnetosfeer verkennen. Het wachten op de eerste resultaten van de missie zal lang duren - ook al vindt de start plaats in 2018, de bestemming van het station zal pas in 2025 worden bereikt.
Yuri Sukhov
