Как Меркурий обзавелся водяным льдом: объяснение планетологов

Новости МирТесен

Меркурий, находящийся ближе всех к Солнцу, испытывает постоянное воздействие интенсивного солнечного излучения. Тем не менее, на этой планете существуют значительные резервы водяного льда, по предварительным данным, их объем составляет сотни миллиардов тонн. Этот лед находится только на полюсах, в основании глубоких кратеров, которые всегда остаются в тени. Выявление водяного льда в полярных кратерах Меркурия стало одним из самых удивительных открытий в планетологии за последние десятилетия. Механизм, благодаря которому он оказался на планете, до сих пор вызывает дискуссии среди ученых. Ближе к решению этой загадки подобралась международная группа планетологов.

Днем температура на поверхности Меркурия способна подниматься выше 430 градусов Цельсия, а ночью падает до минус 180 градусов. Однако на полюсах планеты находятся глубокие кратеры, в которые никогда не проникает солнечный свет. Эти области называют постоянно затененными регионами.

С 2011 по 2015 год космический аппарат NASA проводил исследование первой планеты Солнечной системы MESSENGER. Он делал снимки поверхности Меркурия и осуществлял разнообразные замеры. В частности, велась картография рельефа планеты, благодаря чему удалось составить детальные топографические карты её поверхности. Проводились измерения элементного состава горных пород (определялось содержание магния, алюминия, кремния, серы, калия и железа), что подтвердило скудость железной составляющей коры Меркурия и избыточное количество летучих веществ, таких как сера. Изучался состав экзосферы — чрезвычайно разреженной газовой оболочки, выполняющей функцию атмосферы, и в ней были выявлены водород, гелий, кислород, натрий, калий и кальций.

Ключевым открытием стало 2012 год, когда зонд MESSENGER обнаружил залежи водяного льда в затененных кратерах. Последующие исследования показали, где локально ее мощность может измеряться десятками метров, а объем от 100 миллиардов до триллиона тонн. Действительно, вопрос о том, как образуется водяной лед на Меркурии, долгое время не находил ответа.

Ранее предполагалось, что воду на Меркурий могли принести кометные объекты размером около 17 километров. Считалось, что такие тела столкнулись с Меркурием со скоростью приблизительно 30 километров в секунду. Международная группа планетологов во главе с Парвати Прем ( Parvathy Prem) из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса, расположенной в штате Мэриленд, представила новую гипотезу о формировании водяного льда.

Прем и ее коллеги изучали гипотезу о том, что значительное количество воды на Меркурии могло образоваться в результате столкновения с астероидом или кометой, содержащими лед. Для ответа на ряд вопросов исследователи провели компьютерное моделирование: какой объем воды мог доставить космический объект на Меркурий, какая его часть испарилась сразу после удара, как водяной пар перемещался в разреженной атмосфере планеты и смогла ли его часть достичь полярных регионов.

Для проведения исследования ученые выбрали воздействие, аналогичное по силе событию, повлекшему за собой образование кратера Хокусай — один из наиболее молодых крупных кратеров на Меркурии, его диаметр варьируется от 95 до 114 километров. По мнению специалистов, столкновение, сформировавшее кратер, могло произойти около 100 миллионов лет назад, в результате чего в окрестности было выброшено значительное количество водяного пара и других веществ, способных легко испаряться. Для образования такого кратера, скорее всего, потребовалось тело диаметром от семи до 10 километров, которое вошло в атмосферу планеты на скорости около 20 километров в секунду.

В момент столкновения космическое тело почти полностью превратилось в пар. В результате удара вокруг Меркурия сформировалось слабое облако, состоящее из водяного пара и веществ, образовавшихся при испарении горных пород. Несмотря на свою малую плотность, эта «оболочка» могла на короткое время излучать свет, вызванный нагревом газа и возбуждением атомов.

Интенсивное солнечное излучение привело к быстрому разрушению большей части недавно сформировавшейся «оболочки». Тем не менее, расчеты демонстрируют, что около 30 процентов водяного пара достигли полюсов. Молекулы воды выпадали в виде осадков в областях, защищенных от света, где, благодаря низким температурам, замерзали.

Учёные тщательно изучили временные характеристики этого процесса. По результатам моделирования, период от образования облака до начала транспортировки водяного пара к полюсам мог составлять один меркурианский день, равный 176 земным суткам.

Тем не менее, ученые-планетологи надеются получить дополнительные сведения о решающем дне, оказавшем значительное влияние на одну из самых жарких планет Солнечной системы, благодаря аппарату, запущенному в 2018 году BepiColombo. Аппарат достигнет орбиты Меркурия в ноябре 2026 года и приступит к подробному изучению планеты, включая поиск месторождений водяного льда.

Научная работа опубликована в Journal of Geophysical Research: Planets.