探测器列传：19.水星一日
24:55 Share

了解科学 爱上科学 欢迎收听科学时评话咱们广告还是做在前面 12 月 27 号晚上 19 点 30 分 7 点半在徐家汇图书馆三楼报告厅我有一场文明业课的讲座标题就是远古的地球到底什么样有兴趣的小伙伴可以来听对了我们文明火种的科学自卫营又要开始招募了这不又到放寒假的时间段了吗 是吧

开营的时间是 2025 年的 2 月 5 号到 9 号地点是在北京这个营特别适合 9 到 13 岁的孩子您要是想给孩子报名那么就可以到科学声音的微信公号回复火种营或者是科学营都是可以看到报名入口的当然了您在科学有故事公号回复也可以

好了啊广告做完了现在呢咱们还是书接上文啊上文书讲到了水手十号通过特殊的轨道三次掠过了水星拍摄了大量的照片而且呢还发挥了大量的数据记录我们人类呀第一次和距离太阳最近的这个水星有了一次亲密的接触

要知道这个水星太靠近太阳了这个探测器从地球飞进内太阳系是一个势能减少动能增加的过程所以它速度越来越快你这要减速那就太难了

所以这一次水手 10 号还是专门利用路过金星的机会实现了拐弯和减速这个轨道设计是非常巧妙的不过水手 10 号这一次也仅仅扫描了水星表面的 45%还有大片区域是没有扫到的而且它扫的分辨率也不怎么样它一个像素对应着地表 20 公里见方这么一大块地方精细扫描的图像是一个像素代表 140 米见方

它这个还是粗了点他测量的其他数据呢精确度也不算太高但是在当时来讲呢已经算是很可贵了起码他确定了几点那就是首先水星这个密度大得吓人就说明水星有个非常大的铁质内核咱们这个内太阳系呀有四颗岩石行星咱们地球是最大的一个这密度达到了 5.51 克每立方厘米

排到第二位的呢就是水星了它的密度达到了 5.43 接下来就是金星密度是 5.24 火星呢就小得可怜了只有 3.93 地球上密度最大的岩石呢是硫灰岩密度大概是 3.6 到 3.9 之间大理石的密度呢只有 2.5 左右和玻璃差不多所以呢石头看上去很重其实它的密度并不算大

所以这些石头星球的密度普遍要比石头大那就说明这些岩石星星的核心具有密度更大的铁镍成分这样的话就把这个平均密度给拉大了

金星只比地球小了那么一点点它直径是地球的 95%如果等比缩放它的总质量应该是地球的 85%但是金星的总质量只有地球的 81.5%所以金星比地球的密度略略小了一点这是为啥呢道理很简单呢这地球引力太大因此就有能力把自己这个球捏得更磁石一点它密度也就大了一点嘛

火星太小,它没有能力把自己捏得太瓷实所以它的密度就比较低,而且它的铁核也比较小但是把水星比火星还小,它的密度却比火星还大得多甚至大过金星,这就显得有点奇怪了这就说明水星拥有一颗大的出奇的铁链内核这个巨大的核心占了总质量的 60%

这个内核就已经跟咱们那个月亮差不多大了然后呢再在外边包上一层 700 公里厚的岩石层这就是水星的基本结构了上一次咱们也讲到过了这个水星的磁场虽然非常非常非常弱大概是地球的 1%但是水星的磁场却是一个非常标准的偶极场这个磁场长得非常像调停磁铁那样拥有比较对称的南北极

这么规范的磁场必然是由于它的内核还能像发电机一样旋转这就说明水星的内核它必须含有液态成分这个没有液态成分它转不起来我们都知道一颗行星的内核都是一个高温高压的世界这个高压倾向于把内核变成个固体这个高温倾向于把物质融融成液体

在高温高压的环境之下究竟是哪种因素占了上风呢到底是东风压倒西风呢还是西风压倒东风呢那可就不一定了所以呢行星内核往往它是分层的啊这水星内核它也不例外它内核的外部啊是熔融状态但是内部已经是固态了不知道你夏天最热的时候有没有用那个模具啊冻过冰块啊

我那就有一个橡胶的模具可以冻出一个圆形的大冰球冻好以后拿出来为了把这模具给掰开我就先得让冰球表面融化一点这个时候我就能明显感觉到冰球和模具之间有一层化掉的水你摇一摇还能感觉内部的冰球在旋转在晃动水星的内核大概也就是这个样子的它内核既然有液体它就能转就导致水星产生了磁场

正因为这个水星的内核啊它大的实在是不像样它大的不成比例因此才有人怀疑哎这个水星会不会是一颗更大行星的内核呢啊这个是不是后来在轨道上撞了这一撞呢岩石外壳就被撞飞了最后呢是剩了一层薄薄的碎渣子裹在这个铁铭核心之上啊才形成了这么一个薄皮大馅的水星呢不过吧

这个猜想它也有问题如果当年岩石外壳都被炸飞了那么现在水星表面的那个岩石成分呢

就和我们知道的成分是对不上的所以这个说法还是有很多问题当然了最新的研究是这么说的太阳系形成的时候来自于一大团的尘埃和云气这些东西在引力作用下就开始慢慢收缩中间就凝聚出一个巨大的气球这个气球就是太阳

周围绕着旋转的这些尘埃和气体就形成了各种行星在这个过程之中它物质也会沉淀到中心它也是分层的越靠近太阳它密度大的尘埃颗粒就越多挥发性的物质它就会越少所以靠近太阳系的地方就形成了岩石行星但是在这个过程之中我们也不能忽视太阳磁场的作用

这个磁场吧它也会吸引含有磁性的铁镍矿物然后呢把这些物质就聚集到了太阳的附近它越是靠近太阳这些物质呢它就越多因此水星才形成了那么重的一个内核啊

这样解释呢就显得有点理所当然了不过呢这个理论要想得到验证的话啊咱们就必须得找到另外一个太阳系啊咱们看看靠近他们那个太阳的是不是也是密度很大的岩石行星啊有没有这种行星存在

这些事呢就只能留给科学家去处理了到现在也还没有完全定论呢好了既然这个水星的内核如此之大而且时至今日还有活力它还没有完全冷凝呢想来在水星的历史上火山爆发那一定是很多的

但是水手时候发现这个水星表面坑坑洼洼的它就没什么平地既然经常火山爆发那为啥看不到岩浆一流造成的大面积平原呢是吧这种现象在月球上很常见这就让科学家们困惑不解了

后来才发现吧这是误会一场误会纯粹是因为照片分辨率太差了照片比较粗有很多平原细腻的纹理你看不出来

日后信使号探测器发挥了的高清晰度照片就会发现水星上的岩浆平原其实比比皆是这东西还是挺多的当然了水星按理说它没有多少板块运动但是水星表面有长长的条纹这些条纹甚至可以长达几百公里有的是悬崖有的是出了一个深沟有的是鼓起了一个山脊

这个圆形火山口怎么好理解这不是火山喷发造成的吗这个陨石坑也好理解这是陨石砸的吗那么这些奇怪的条纹和勾勾卡卡的怎么来的呢

所以科学家们就推测这些沟沟坎坎都是因为水星在收缩就导致表皮上出现了皱纹按照水手 10 号发回来的数据水星一边冷却一边收缩它直径起码减少了两公里多不过根据后来的数据

这哪止两公里啊这水星的直径起码缩小了能有 11 公里这表面积跟这个 11 公里它可是平方关系难怪表面有那么多皱纹呢这个水星表面的温差非常大甚至是太阳系温差最大的一个天体了

晒太阳那一面的温度最高可以飙升到 450 度背面可以冷到零下 212 度按理说在这样的条件下水星表面是不可能存在水的但是水星的南北极有些陨石坑的坑底是永远也晒不到太阳的所以那个地方可能还存在一些水冰反正科学家们用雷达波探测水星南北极的时候发现了非常强的回波信号

到底那些陨石坑里头有些啥呢我们现在也不知道但是这个现象是很不寻常的将来是不是可以派探测器过去看看呢反正现在还没这工夫对了说到雷达波了科学家还用雷达波探测了水星的自转速度

因为这个雷达波信号被水星旋转的表面所反射它会造成多普勒效应平移的从这个信号就可以计算出水星的转速

过去大家认为水星靠太阳靠得这么近它应该是被太阳朝西锁定了也就是它有一个面永远朝向太阳那就是自转周期和公转周期应该是保持一致的也就是 88 天水星绕太阳转一圈是 88 天但是科学家们通过雷达波的研究就发现水星的自转周期是 59 天它不是 88 天

也就是说水星的自转周期和公转周期呈现了三比二的锁定它自转三圈公转刚好是两圈咱们地球就太不一样了咱们地球自转就是一天是吧绕太阳一圈 365 天

这个水星它自转一圈就是 59 个地球日而且自转周期和公转周期的差异并不大因此这个水星上的日出日落周期它可不是自转一圈的周期它要比这麻烦多了它足足要 88 个地球日也就是说它一白天一晚上就是两倍的公转时间

而且呢这个水星的轨道偏心率也很大所以这种特性就造成了非常极端的现象比如说啊你就站在水星上那个卡路里盆地里边这个太阳刚从盆地边上爬上来啊这太阳出来了这个时候太阳看上去呢还不是最大的情况啊尽管如此了这水星离太阳太近了所以从水星上看太阳比地球上看大了两倍还多

然后随着太阳慢慢升高太阳就会逐渐变大了而且运行还逐渐变慢了它不是均匀的转到了中午时分太阳就几乎停留在了卡路里盆地的正上方而且就是不怎么动摩它走得特别慢这个时候太阳已经有脸盆那么大了卡路里盆地的温度就越来越高甚至可以达到 420 度以上

它都达到什么程度呢这岩石缝隙里甚至会冒出极少量的含有钠和钾的气体这个水星说是没有大气层但是被太阳烤的多多少少还是能蒸出来一点然后呢这太阳呢逐渐稀斜慢慢越来越斜越来越小最后逐渐就落山了这个卡鲁里盆地突然就陷入了一片黑暗

水星上没有大气层啊它也就不存在什么晚霞呀余晖呀全都没有它要黑就是突然变黑的

从日出到日落足足八十八个地球日也就是说这卡路里盆地在大太阳底下起码要晒四十多天你说这温度能下来吗而且水星的这个自转轴差不多就是垂直于自己的轨道面因此水星几乎就没什么四季交替这阳光直射点几乎都不会南北移动了它总是停在赤道附近这卡路里盆地它恰好总是在阳光直射点上

也因此就变成了一个极端爆热的地方现在大家知道为啥叫卡路里盆地了是吧这卡路里不就是热量的意思吗燃烧我的卡路里不就这个吗是吧反正吧水星是一颗非常非常奇特的行星你上了水星就发现啥都不对了但是人类拜访水星的机会非常非常非常少所以这么多年来进展也不是太大当然了

这个科研工作者他也是挑肥减瘦了这个水星再研究他也不如火星热门是吧自从水手十号去过一趟以后这个水星就几十年内没有人再去拜访他了大家还是把注意力都放在了火星和金星的身上我们前面不是讲了吗苏联人在火星探测器方面遭遇到了一连串的麻烦在这种情况之下呢他们决定还是把工作重点转移到金星探测器上你

你别说苏联人在金星探测成功率还是蛮高的到了 1975 年的 6 月份苏联人接连发射了金星 9 号和金星 10 号探测器到了 10 月 22 号金星 9 号的发动机开始自动点火成功进入了环绕金星的轨道环绕一圈是 48.3 小时因此金星 9 号就成了第一个进入环绕金星运行的探测器

这金星 9 号的轨道上啊装了照相机拍了 7 张金星云层的紫外图像前前后后呢一共拍了 17 张照片分辨率达到了 6.5 公里探测器上的其他仪器呢还研究了云层的性质发现这金星的云层起码分三层距离表面 50 公里以下的是下层除了二氧化碳和水蒸气之外呢还有氢氟酸啊这东西能烧玻璃啊

然后距离金星表面 50 到 100 公里的高度就是浓密的云层了最亮的硫酸液滴组成的还有少量的盐酸氢氟酸氟硫酸反正这都不是什么好玩意儿你要是在这云层里面你衣服估计就被烧了好几个大洞了再往上距离金星表面 100 到 500 公里就是上层吸波大气了

在太阳风宇宙射线这些高能带电粒子的作用下这气体就被电离而形成了电离层所以金星大气也是有电离层的金星的几乎又没有磁场但是太阳风带电粒子和金星的电离层居然会产生相互作用还搞出了一个离子纬这点倒是比较奇怪金星 9 号还释放了一个着陆器

这次着陆器那绝对是没掉链子当然这个着陆器也是新版本的算是拉握切金设计局的最新产品这个着陆器以 20 到 30 度的角度一头就扎进了进行大气层着陆器打开了三个直径 2.8 米的小降落伞进行了 20 分钟的气动减速然后这着陆器就把降落伞给扔了

这着陆器呢本来是个球形现在呢把降落伞扔了把盖抛了把外壳给扔了这探测器啊内部下边伸出了几个支架啊底下有个圆形的缓冲环顶上呢有个长得圆形的就像那个宽边草帽一样的这个结构这个结构的直径呢是 2.1 米可以用这个结构来进行减速啊反正金星大气浓密有这东西就够用了

反正探测器落地的时候速度也不算快大概一秒钟 7 米吧当然了这个着陆器为了拍照光线比较好它必须在金星的亮面着陆你着陆的黑面呢那就没法拍了但是这个亮面恰恰好呢它不对着地球

地球上恰好看不见所以无线电信号就必须靠轨道器来转播了从进入大气层到着陆以后的所有数据都发给金星 9 号的轨道器轨道器都把这些信号都录在磁带上等飞到能看见地球的位置再用无线电把这些东西发回地球

在着陆器落地以后在那个高温高压的环境之下这探测器足足撑了有 53 分钟这探测器内部的温度从零下 10 度飙升到了 60 度这仪器扛不住了就停止工作了当然了这家伙已经算是够坚挺的了这探测器从金星表面发送回了第一张表面的照片

它本来应该是个 360 度的全景但是有一个摄像管的盖子没打开所以只拍下了 180 度尽管如此呢这也是人类的一次突破了

从照片上看着陆器就落在一大斜坡上整个探测器倾斜了有 15~20 度左右你看周围全是大石头测一测这些石头的密度大概是 2.8 克每立方厘米应该说这东西就是玄武岩而且着陆器上放射性探测器也检测到了石头的放射性没错这东西就应该是玄武岩

玄武岩嘛在咱们太阳系就已经太司空见惯了啊到处都有这东西关键是啊这些岩石看上去没有那么岁月沧桑的样子啊它没有什么磨损应该都是很新的这就说明啊现在降落的这个地点呢是一个地质活跃的山地啊这个这个它这个地表啊经常更新一下啊

三天以后这金星 10 号也到了这个探测器也很顺利这个轨道器进入了环绕金星的运行轨道同时也释放了着陆器

这个着陆器就着陆在了距离金星 9 号着陆器 2200 公里的地方下去以后一拍照片一发挥了一看周围也全是大石头金星 10 号的着陆器比金星 9 号还坚强呢人家足足坚持了 65 分钟 360 度全景照相机也是有一个镜头盖没打开只能拍 180 度照片

看来这批相机镜头盖那个品控有问题那都有缺陷而且还都是同一个缺陷你怎么关键时刻全打不开呢哎呀下次好好检讨一下

苏联人根据上次金星八号的经验阳光大部分都被云层反射了能够照到地面的也只有 5%到 10%所以苏联人还在着陆器上安装了照明灯你别说这帮苏联人想的还是挺周到的不过上次的经验是有问题的因为上次金星八号发挥了的那些数据是在阳光斜射五度的情况下获得的

这次呢这个阳光是 54 度照下来的啊这阳光还是非常亮的你不开照明灯也没有关系不管怎么说吧苏联人终于抢在美国人之前把探测器扔到了另一颗行星的表面苏联人探测金星啊他总是比探测火星做得更好分析一下原因呢有可能就是因为这个金星它是有稠密大气的这个减速啊它比较省事儿

如果像月亮这样完全没有大气层从头到尾你都得用火箭反推那倒也简单了我就考虑火箭就行了这个金星呢你用降落伞就行甚至你用个减速板都管用这个火星呢就太麻烦了尽管这个火星大气很稀薄但是你依然不能当它不存在你还得用降落伞那你要说它顶用吧它是真的不怎么顶用

反正是降落伞了反推火箭了它全都要用这两者之间呢还有个衔接问题就很麻烦它就容易出幺蛾子反正这两个着陆器下去以后一个多钟头也就手中正行了但是这个金星 9 号和 10 号的轨道器还在空中来回转悠呢它俩还联合对金星表面进行了雷达扫描因为只有靠雷达才能穿透层层的迷雾这是第一次用雷达对金星进行表面扫描

其实这只是试验性质扫描范围也并不是特别大但是分辨率也还不错跟地球雷达卫星扫描地球精确度是差不多的这两个探测器对金星上一个宽 200 公里长 1200 公里的区域进行了一维扫描然后金星 10 号还对五个小的区域进行了两维扫描可以拼成一个长条状的雷达图案

这时候呢我们就发现金星上的地形起伏啊就可以看得清清楚楚了这也就为日后解开金星温室效应为什么失控这个谜提供了一个线索三个月之后因为无线电故障这两个探测器就和地球失去联系了这个金星 9 号和 10 号的任务呢也就到此 game over 就结束了当我们对金星了解的越多的时候问题也就越多了

金星和地球的早期阶段应该是非常类似的在 40 亿年前的太古周地球大气之中的二氧化碳含量是现在的 10 到 2500 倍甲烷的含量是现在的 100 到 1000 倍氮气比现在略微少一点氧气几乎就是没有的在那个时代地球的大气成分和今天的金星非常相似

即便是到现在你真要把地球上和金星上那个二氧化碳总量做一个对比也依然是差不多的只是呢金星很多二氧化碳是在大气之中地球上的碳元素呢更多的是以碳酸盐的形式变成了固体它不在大气之中

我们再进一步推测为啥金星和地球的二氧化碳数量是差不多的呢是因为地球本来就跟金星是差不多大的这些二氧化碳是当初行星形成的时候从太阳系原始材料库里面分配来的这俩差不多大嘛分配的也就差不多多周围大环境几乎就是一致的

那么为啥今天的地球上就是蓝天白云金星上就到处都是硫酸云呢这个差异是怎么造成的呢咱们下回再说科学声音