Studiując tajemnice egzosfery Merkurego

0

Merkury, najbliższa Słońcu planeta Układu Słonecznego, obiegająca naszą gwiazdę w około 58 dni. Temperatury panujące na powierzchni tego ciała czynią je jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk i wahają się od plus 420 stopni Celsjusza w Słońcu do niemal minus 200 stopni po ciemnej, nocnej stronie. Nie ma tutaj atmosfery –  jeśli kiedykolwiek istniała, to wiejący od naszej gwiazdy wiatr słoneczny już dawno ją usunął. Nie oznacza to jednak, że Merkurego otacza próżnia – wokół planety rozpościera się bardzo rozrzedzona egzosfera, złożona z atomów sodu, potasu, magnezu i innych pierwiastków, które uwolniły się z powierzchni planety dzięki stałemu bombardowaniu promieniowaniem kosmicznym.

W konsekwencji egzosfera nie jest tworem statycznym – wprost przeciwnie, jest szalenie dynamiczna, reagując na zmiany aktywności słonecznej i wiatru słonecznego, ale także zaburzenia globalnego pola magnetycznego. Bo Merkury zawiera – tak jak Ziemia – żelazne jądro, które generuje jednak tylko 1/100 wartości ziemskiego pola.

Analiza tych zmian pozwala naukowcom wysnuwać nowe wnioski na temat zjawisk zachodzących na powierzchni planety i w jej środowisku – a wszystko dzięki trzem przelotom sody kosmicznej MESSENGER, która ma wejść na orbitę tego najmniejszego z ‘naszych’ światów w marcu przyszłego roku.

A lot w kierunku Merkurego nie należy do łatwych. Z tego względu tylko dwie sondy znalazły się w jego pobliżu – wysłany w latach siedemdziesiątych Mariner 10 oraz obecnie trwająca misja MESSENGER. Co więcej, trudność ta oznacza także, że żaden pojazd nie wylądował jeszcze na powierzchni tej planety – nasza wiedza o jej składzie opiera się więc wyłącznie na danych uzyskanych pośrednio, głównie dzięki obserwacjom dokonanym w trakcie bliskich przelotów.

W jaki sposób można więc badać procesy zachodzące pomiędzy egzosferą a merkuriańskim gruntem? Okazuje się, że dobrym analogiem okazuje się być Księżyc. Podobnie jak Merkury, posiada on bardzo rozrzedzoną egzosferę i to w takim stopniu, że niespodziewanie wysoka obecność ditlenku węgla odkryta ostatnio w egzosferze Księżyca może zdaniem niektórych naukowców pochodzić ze… skafandrów astronautów programu Apollo, którzy spacerowali po jego powierzchni. Nie mniej, procesy zachodzące w egzosferze Srebrnego Globu oraz interakcja regolitu z promieniowaniem słonecznym są bardzo podobne do zachodzących na Merkurym. Podstawowym pytaniem jakie zadali sobie naukowcy było więc: “jakie skały mogą być odpowiedzialne za obecność dużej ilości sodu i potasu w egzosferze Merkurego?”.

Z pomocą przyszły próbki, które zebrano w trakcie załogowych, amerykańskich wypraw na Księżyc oraz bezzałogowych misji radzieckich Łuna. Kluczowym materiałem okazał się niewielki fragment pobrany przez bezzałogowy lądownik Łuna 16, który wylądował na powierzchni Księżyca w rejonie Mare Fecunditatis (Morza Obfitości) w 1971 roku i odesłał na Ziemię około 100 gramową próbkę. Próbka ta, w większości będąca skałą bazaltową, okazała się znacznie bardziej uszkodzona przez promieniowanie słoneczne niż inne, także przywiezione z Księżyca. Podejrzewa się, że mogła ona być wystawiona na działanie promieniowania przez dłuższy czas niż pozostałe – powierzchnia naszego satelity stale się zmienia w małej skali z powodu spadków obiektów kosmicznych.

Dzięki temu możliwa stała się ocena procesów zachodzących na Merkurym, gdzie skały także są wystawione na promieniowanie słoneczne – co więcej jest ono tam od 4.5 do 10.5 raza silniejsze (orbita Merkurego posiada dość znaczny mimośród), przez co atomy zamknięte w materiale powierzchniowym mogą być uwalniane w znacznie większych ilościach. Zatem paradoksalnie – studiując Księżyc poznajemy również planetę najbliższą Słońcu.

Jak bardzo egzosfera Merkurego różni się od relatywnie gęstej, ziemskiej atmosfery? Aby zrozumieć jak odmienne jest to środowisko, wystarczy uświadomić sobie, że ‘atmosfera’ najmniejszej planety Układu Słonecznego jest tak rzadka, że prawdopodobieństwo zderzenia się atomów ją tworzących jest mniejsze niż prawdopodobieństwo ich uderzenia w powierzchnię planety.

Atomy te nie pozostają jednak w pobliżu Merkurego. Proces erozji egzosfery tej planety nigdy nie ustał, ponieważ Słońce cały czas generuje strumień cząstek, który usuwa z niej pierwiastki. Na tym jednak nie koniec ciekawostek. Pomimo stałego uzupełnienia ubytków nowymi atomami pochodzącymi z powierzchni, ich ilość w egzosferze podlega zmianom wraz ze zmianami odległości planety od Słońca oraz prędkości orbitalnej Merkurego. Ma to znaczny wpływ na dynamikę procesów odpowiedzialnych za produkcję wolnych atomów, kształtując tym samym charakter egzosfery.

Obserwacje Merkurego pozwoliły również na uzyskanie obrazów przedstawiających ‘ogon’ atomów sodu, usuwanych z egzosfery tej planety przez silny wiatr słoneczny. Przypomina on nieco ogony kometarne, choć nie jest aż tak spektakularny. Pozwala za to na badanie okresowych zmian w dynamice procesów zachodzących na powierzchni planety.

{youtube}OQ-2z4uoNpY{/youtube}
Animacja przedstawiająca okresowe zmiany w emisji atomów sodu w egzosferze Merkurego; niebieskim okręgiem oznaczono tarczę planety
(NASA/GSFC/Matthew Burger)

Kluczowym dla poznania tych mechanizmów okazał się model komputerowy, opracowany w celu dokładniejszego poznania mechanizmów tworzenia się wolnych atomów egzosferycznych. Naukowcy podejrzewali, że głównym czynnikiem odpowiedzialnym za obserwowane zjawiska jest strumień cząstek naładowanych (jonów), uderzających w powierzchnię planety i uwalniających sód. Nie znalazło to jednak potwierdzenia w symulacjach – głównym czynnikiem powodującym uwalnianie sodu wydaje się raczej same światło słoneczne, którego fotony wpływają na materiał powierzchniowy w procesie fotonowo stymulowanej desorpcji. Proces ten może być dodatkowo wspierany, jeśli ten sam fragment powierzchni jest także bombardowany przez jony.

Wyniki modelowania pokazały, że najsilniejszy wpływ promieniowania słonecznego na egzosferę Merkurego zachodzi, gdy znajduje się on w połowie swojej odległości od Słońca. Dzieje się tak dlatego, że w tym punkcie orbity planeta przemieszcza się najszybciej, co ma wpływ na to z jaką siłą wiatr słoneczny wpływa na kształtowanie się egzosfery.

Istnieją jednak atomy, które uwalniają się w inny sposób – na skutek uderzeń ciał kosmicznych z powierzchnią planety. W przypadku sodu stanowią one prawdopodobnie około 15% wszystkich obserwowanych atomów sodu w egzosferze Merkurego.

Interesującym aspektem egzosfery stało się także odkrycie przez sondę MESSENGER braku symetrii w rozmieszczeniu atomów sodu nad północnym i południowym biegunem magnetycznym planety. Okazało się, że na północy znajduje się aż 30% więcej atomów sodu niż na południowej półkuli Merkurego. Aby rozwiązać tę zagadkę naukowcy ponownie posłużyli się modelem komputerowym.

Przyczyną takiego zjawiska wydaje się być pole magnetyczne – nie chodzi jednak o to wytwarzane przez samą planetę, ale o pochodzące ze Słońca, które w trakcie przelotu sondy MESSENGER i rejestracji przez nią danych było nieco nachylone. Ten brak symetrii spowodował, że w północną powierzchnię uderzało cztery razy więcej protonów pochodzących ze Słońca niż w półkulę południową, a zderzenia te bezpośrednio przekładają się na dynamikę procesów uwalniających atomy sodu z planety.

Proces ten wspomaga również mechanizm fotonowo stymulowanej desorpcji gruntu, który normalnie nie jest tak skuteczny, ponieważ światło słoneczne jest w stanie oddziaływać jedynie na cienką warstwę powierzchniową, przez co po pewnym czasie emisja atomów sodu się zmniejsza. Nowe atomy, który mogłyby zostać uwolnione muszą dopiero przedostać się na powierzchnię drobin materiału tworzącego grunt. Dzięki dodatkowemu bombardowaniu jonami proces ten może zachodzić znacznie szybciej.

Te same światło słoneczne, które uwolniło atomy sodu wpływa także na dalsze ich losy. Przede wszystkim odrywa z nich elektrony, zmieniając atomy sodu w jony – proces ten jest nazywany fotojonizacją. Następnie jony te mogą przemieszczać się wokół planety tworząc swego rodzaju “pas”.

Nie oznacza to jednak, że będą przebywać tam stale – prawdopodobnie mogą to robić jedynie przez pół orbity (być może przez kilka orbit) zanim zostaną usunięte. Jeśli będzie ich dostatecznie dużo, mogą także wpływać na kształt pola magnetycznego, tworząc magnetyczną depresję wokół planety. W tej chwili nie jest jasne czy dane z sondy MESSENGER mogą potwierdzić istnienie tego zjawiska, choć jest to możliwe. Jeśli istotnie ono zachodzi, wtedy najprawdopodobniej pomocne staną się obserwacje zaplanowane na czas po wejściu urządzenia na orbitę planety w przyszłym roku.

MESSENGER jest pierwszą misją której udało się zaobserwować magnez w egzosferze Merkurego. Wiąże się z tym kolejna tajemnica – do tej pory zakładano, że występowanie tego pierwiastka powinno być największe w pobliżu powierzchni i maleć wykładniczo wraz z wysokością. Dane z sondy wydają się jednak temu przeczyć – w trakcie trzeciego przelotu, nad północnym biegunem planety, rozkład magnezu wydawał się stały, by następnie jego ilość dramatycznie spadła. Co więcej, magnez ten może posiadać temperaturę rzędu dziesiątek tysięcy stopni Celsjusza, wielokrotnie więcej niż wynosi ona na nasłonecznionej powierzchni Merkurego.

Mechanizm tego procesu pozostaje nadal nieznany.

(NASA)

Diagram przedstawiający gęstość protonów słonecznych w pobliżu Merkurego oszacowaną dzięki modelowaniu planetarnej magnetosfery; czerwonym kolorem oznaczono obszar o najwiekszej gęstości, niebieskim najmniejszej (NASA/GSFC/Mehdi Benna)

Share.

Comments are closed.