科学星期五︱卢昌海：水星一日游，要等很久

【编者按】

        “科学星期五”是一档关于科学和科技的栏目，逢周五播出，给有好奇心的人。

        本期嘉宾是卢昌海先生。卢昌海本科就读于复旦大学物理系，毕业后赴美留学，于2000年获美国哥伦比亚大学物理学博士学位，目前旅居纽约。著有《那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界》《太阳的故事》和《黎曼猜想漫谈》《从奇点到虫洞：广义相对论专题选讲》等。        

        我们前面提到过，以最近距离而论水星是离地球第三近的行星，但与这个排名很不相称的是，哪怕在航天科技已有半个多世纪历史的今天，到水星上去仍不是一件容易的事情。追根溯源，这其实也是水星离太阳太近带来的难题。由于离太阳太近，水星绕太阳公转的平均速度高达每秒48公里左右，比每秒30公里左右的地球绕太阳的公转速度快得多，这使得飞往水星的探测器必须具有很高的速度，而探测器如果想要环绕水星甚至登陆水星的话，还得解决另一个难题，那就是在接近水星时减速到能被水星引力俘获的低速度。

        由于这些难题的困扰，从距离上讲是“邻居”的水星实际上却是最少被行星探测器访问的行星之一。事实上，在2008年之前，人类只向水星发射过一个行星探测器：“水手10号”。但“水手10号”因为没有能力减速，只对水星进行了掠过式探测。直到2011年，人类发射的第二个水星探测器“信使号”才在升空六年半之后，终于进入了一个环绕水星运动的长椭圆轨道。而登陆水星的探测器，则尚不在目前的行星探测时间表上 。        

        因此不仅目前，甚至在未来若干年内，水星“一日游”都只能是假想性的。        

        与地球相比，水星的59天左右的周期自转是很慢的，相对于它自己的88天左右的公转周期来说就更是如此。对地球来说，当她自转完一圈后，其在公转轨道上转过的角度还不到1°，从而太阳表观方位的变化也几乎就是一圈。这意味着以太阳方位为标识的地球上的一天——或所谓“平均太阳日”——几乎就等于地球自转一圈的时间。但对于像水星这样自转缓慢的行星来说，情形就完全不同了，因为当水星自转完一圈时，它在公转轨道上也转过了大半圈，大大抵消了太阳表观方位的变化。具体地说，由于公转与自转周期之间存在3:2的轨旋共振，当水星自转完一圈时，其在公转轨道上已转过了2/3圈，从而太阳表观方位的变化只有1/3圈。这说明，水星要自转三圈——或公转两圈，即两“年”——才能使太阳的表观方位改变一圈，这才是以太阳方位为标识的水星上的一“天”。因此，水星上的一“天”等于两“年”，用我们地球上的“天”来衡量的话，则相当于176天！        

        由此可见，水星“一日游”是一场旷日持久的旅游。        

        那么，水星上的环境又如何呢？很遗憾地告诉大家：糟透了。        

        天文学家们早就知道，水星是没有大气层的。这是不难理解的，因为水星离太阳太近，大气层会因太阳烘烤产生的高温而散失得较快，而水星的质量——如后文将会介绍的——则较小，只有地球质量的5.5%左右，从而对大气分子的引力束缚能力较弱。另外，水星磁场的强度只有地球磁场强度的1%左右，无法有效地阻止比地球附近强劲得多的太阳风将大气层“吹走”。这些因素共同造成了水星没有大气层的结果。        

        没有大气层的一个直接后果是天总是黑的。我们在地球上习以为常的“蓝天”是由阳光在大气层中的散射造成的，在没有大气层的水星上，哪怕是“白天”，哪怕比地球上大得多、亮得多、热得多的大太阳高悬头顶，天依然是黑的，依然可以看到满天的星星。这是地球上没有的奇景。水星上的这种特殊景观给科幻作家提供了很好的素材。比如1956年，著名美国科幻作家阿西莫夫写过一篇题为《幸运之星与水星的大太阳》的科幻小说，其中给人印象很深的一个场景就是在水星黑夜与白天的交界线附近远望地平线上巨大而壮丽的日冕。日冕在地球上是只有在日全食期间才看得见的景象，在水星上却可以轻易看到，并且由于水星离太阳很近，看到的日冕也大得多。        

        没有大气层的另一个后果，是没有了大气层对温度的调节作用。这一点，加上“日”和“夜”的极为漫长，使得水星上一“天”之中的温差是太阳系中最悬殊的。与之相比，像新疆这种地球上温差较大的地方的“早穿棉袄午穿纱，围着火炉吃西瓜”的温差简直不值一提。具体地说，水星上白天的最高温度与水星离太阳的距离有关，但哪怕在远日点时也高达约280摄氏度（280°C），在近日点时更是高达约430摄氏度（430°C）以上，足以熔化某些熔点较低的金属——比如熔点不到330摄氏度（330°C）的铅。而到了晚上，温度则走向另一个极端：降到零下180摄氏度（—180°C）左右。        

        很明显，没有足够封闭而隔温的设备，我们是万万不能在水星上逗留的。如此大起大落的温度及没有大气层的环境显然也排除了这颗中文名字带“水”的行星上存在液态水的可能性。不过，在某些特殊区域里有可能存在所谓的“水冰”——即通常所说的冰。比如以中国元代书法家赵孟頫的名字命名的直径约167公里的“赵孟頫陨石坑”被认为约有40%的区域是终日不见阳光的，那里的温度很可能始终维持在零下170摄氏度（—170°C）以下。一般认为，在那样的区域里很可能存在亘古不化的“水冰”，这一点在很大程度上受到了雷达回波观测的支持（因为对雷达回波极化状态的研究显示出它很可能是被“水冰”所反射的）。据估计，水星上“水冰”总量有可能高达1,000-10,000亿吨，相当于地球南极区域所储数量的万分之一左右。        

        水星上的一“天”如此漫长，“一日游”若不四处活动一下将会是极度乏味的。那么，水星上的活动空间有多大呢？还真不小。虽然自冥王星被降级之后，水星已是太阳系中最小的行星，但它的直径——如后文将会介绍的——仍有约4,879公里，表面积几乎达到地球陆地面积的一半左右，或相当于亚洲与非洲的面积之和。

        漫步水星表面，最显著的景观就是陨石坑。由于没有大气层，大大小小的陨石都能撞击到水星表面，而不会像在地球上那样，较小的陨石在穿越大气层时被摩擦产生的高温烧毁。在水星表面的陨石坑中，最大的一个被称为卡洛里盆地，直径达1,550公里左右，面积比中国的新疆还大，形成于约38-39亿年前。据推算，形成卡洛里盆地的“肇事者”是一颗直径在100公里以上的巨型陨石。

        它的撞击不仅造成了巨大的卡洛里盆地，而且产生了几乎能飞散到水星各个角落的碎片，撞击造成的“地震波”甚至在与撞击点遥遥相对的水星表面另一侧的所谓的“对跖点”处汇聚，对那里的地貌造成了巨大破坏。这种巨大撞击对天体表面“对跖点”附近地貌造成破坏的现象被称为“对跖点效应”，并非水星所独有。这种效应的存在，意味着在真正巨大的陨石撞击下，最远离撞击点，从而貌似最安全的“对跖点”具有特殊的不安全性。当然，对于我们这些脆弱的地球生物来说，远比那小得多的陨石撞击就足以对生物圈造成毁灭性打击，那种意义上的不安全性也就谈不上了。        

        在没有大气和液态水的环境里，陨石坑不会像地球上的地貌一样受到风化等效应的侵蚀，从而忠实地记录了水星在悠长岁月里——尤其在早期——所遭受的猛烈的陨石撞击。这种记录的忠实程度甚至使天文学家们能够用陨石坑的密度来粗略地估计水星表面很多地貌的年龄：陨石坑密度较低的地貌相对年轻，陨石坑密度较高的地貌则相对古老。这种方法被称为“撞击坑计数”，它对于估计像水星这样尚未被探测器登陆过，从而没有岩石样本可以研究的天体的地貌年龄是很重要的。

        除陨石坑外，水星表面还有很多其他地貌，比如有高原、平原之分，还存在皱脊、峭壁、山谷，以及早期岩浆活动的痕迹等等。不过跟绚丽多姿的地球相比，水星是很乏味的，连色调都是灰暗的，灰暗的表面、黑暗的天空，酷寒的长夜，外加一挂就是几个月之久的恐怖的大太阳，这基本上就是水星“一日游”的核心内容了。不过，对普通游客虽然乏味，但像水星这种在漫长时间里地貌未受风化等效应侵蚀的行星如同巨型的化石，对研究整个太阳系的形成都有重要价值，这对天文学家们来说是很有吸引力的。 

        （卢昌海的微博id是@卢昌海）