Поверхность Меркурия сегодня кажется миром, давно утратившим геологическую активность. Она покрыта бесчисленными ударными кратерами, огромными равнинами застывшей лавы и следами процессов, происходивших миллиарды лет назад. Однако новое исследование показывает, что вулканическая история ближайшей к Солнцу планеты могла быть значительно более экстремальной, чем предполагалось ранее.
Ученые получили новые данные о содержании диоксида кремния в породах Меркурия и пришли к неожиданному выводу: его поверхность содержит существенно меньше этого вещества, чем считалось прежде. Такой химический состав указывает на то, что вулканические породы планеты могли образоваться из материала мантии, подвергшегося более интенсивному плавлению.
Полученные результаты позволяют по-новому взглянуть на раннюю историю Меркурия, процессы формирования его коры и масштабы древней вулканической активности. В ближайшем будущем эти выводы смогут проверить более точные наблюдения европейско-японской миссии BepiColombo.
Планета, которую сформировал древний вулканизм
Сегодня Меркурий выглядит геологически спокойным. На нем нет действующих вулканов, а большая часть поверхности сохраняет следы событий, произошедших в глубокой древности. Однако данные космических исследований показали, что в прошлом вулканизм играл исключительно важную роль в формировании внешнего облика планеты.
Миссия NASA MESSENGER, работавшая на орбите Меркурия с 2011 по 2015 год, обнаружила огромные вулканические равнины. В некоторых районах толщина слоев застывшей лавы превышает километр. Это означает, что в ранней истории планеты на ее поверхность из недр поступали огромные объемы расплавленного материала.
Возраст большинства известных вулканических образований Меркурия оценивается примерно в 4,1–3,5 миллиарда лет. В этот период молодая планета была значительно более активной, чем сегодня.
Помимо обширных лавовых равнин, на Меркурии обнаружены пирокластические жерла и другие структуры, связанные с взрывными вулканическими извержениями. Некоторые из них свидетельствуют о том, что магма содержала летучие компоненты, способные участвовать во взрывных процессах.
Таким образом, современный безжизненный и неподвижный на первый взгляд мир когда-то переживал масштабную геологическую эпоху, во время которой его поверхность неоднократно покрывалась продуктами вулканической деятельности.
Химический состав пород рассказал о прошлом планеты
Чтобы понять, как именно формировалась кора Меркурия, необходимо знать состав горных пород на его поверхности. Одним из важнейших компонентов силикатных пород является диоксид кремния, также известный как кремнезем.
Почему диоксид кремния важен для планетологии
Содержание диоксида кремния позволяет многое узнать о происхождении магмы и условиях, в которых она формировалась. Разные вулканические породы имеют различное количество кремнезема, а их состав связан с температурой, степенью плавления исходного вещества и историей развития магматического расплава.
На Земле диоксид кремния чрезвычайно распространен. В чистом виде он является основным компонентом кварца и песка, а также входит в состав большинства распространенных горных пород.
Вулканические породы могут существенно различаться по количеству кремнезема. Поэтому определение его содержания используется для изучения процессов, происходивших внутри планет.
Для Меркурия эта задача особенно сложна. На его поверхность еще не совершал посадку аппарат, способный собрать образцы пород и доставить их на Землю. Все сведения о химическом составе поверхности приходится получать дистанционными методами.
Неожиданно низкое содержание кремнезема
Новое исследование позволило получить более точную оценку содержания диоксида кремния на поверхности Меркурия. Согласно результатам работы, массовая доля SiO₂ составляет около 37 процентов.
Это значительно меньше прежних оценок. Разница может достигать примерно 25 процентов по сравнению с ранее предполагаемым содержанием.
Такой результат оказался важным не только сам по себе. Он меняет представления о происхождении вулканических пород Меркурия.
Если поверхность действительно содержит относительно мало диоксида кремния, это может означать, что магма, сформировавшая древнюю кору планеты, возникала при более интенсивном плавлении вещества мантии, чем считалось раньше.
Как ученые определили состав поверхности без образцов
Исследовать химический состав далекой планеты без непосредственного отбора пород — сложная задача. Для этого используются методы дистанционного зондирования, основанные на изучении взаимодействия вещества с электромагнитным излучением.
В данном случае исследователи использовали особенности инфракрасного спектра горных пород.
Особый участок инфракрасного спектра
Минералы и горные породы по-разному взаимодействуют с излучением различных длин волн. Их химический состав и внутренняя структура создают характерные спектральные особенности.
Одной из таких особенностей является так называемая характеристика Кристиансена. Ее положение в инфракрасном спектре зависит от свойств вещества и может изменяться вместе с химическим составом породы.
Исследователи использовали связь между этой спектральной особенностью и содержанием диоксида кремния. Для этого сначала необходимо было установить надежную зависимость на хорошо изученных материалах.
Лабораторные эксперименты стали первым этапом
Ученые провели лабораторные исследования, чтобы определить, как содержание SiO₂ влияет на положение соответствующей спектральной характеристики.
Однако лабораторной зависимости недостаточно для уверенного применения метода к другой планете. Необходимо было проверить, работает ли он при дистанционном изучении реальной поверхности небесного тела.
Поэтому следующим этапом исследования стала Луна.
Почему перед Меркурием ученые проверили метод на Луне
Луна оказалась удобным объектом для проверки новой методики. Ее поверхность хорошо изучена космическими аппаратами, а главное — человечество располагает реальными образцами лунного грунта и пород.
Это позволило сравнить результаты дистанционных измерений с данными, полученными при непосредственном лабораторном анализе образцов.
Два главных типа лунной поверхности
Лунная поверхность состоит из областей с заметно различающимся происхождением. Светлые возвышенности преимущественно представляют древнюю кору, тогда как темные моря являются огромными равнинами, сформированными застывшей базальтовой лавой.
Эти различия хорошо подходят для проверки метода определения содержания диоксида кремния.
Используя инфракрасные данные, исследователи создали глобальную карту распределения SiO₂ на поверхности Луны. Полученная картина воспроизвела известное различие между лунными морями и высокогорными районами.
Лунные образцы подтвердили точность подхода
Особенно важным оказалось сравнение результатов с образцами, доставленными на Землю различными лунными миссиями.
В распоряжении ученых имеются материалы, собранные в рамках программ Apollo, «Луна» и Chang’e. Они позволили проверить, насколько дистанционный метод соответствует реальному химическому составу пород.
Результаты показали хорошее совпадение с независимыми данными. После такой проверки метод можно было применить к значительно менее изученному Меркурию.
Что низкое содержание кремнезема говорит о недрах Меркурия
Полученная оценка состава поверхности позволяет сделать выводы о процессах, происходивших внутри молодой планеты миллиарды лет назад.
Как формируется магма внутри молодой планеты
После образования каменистой планеты ее внутренние слои постепенно остывают и изменяются. В ранние периоды истории внутри молодых миров могли существовать огромные объемы расплавленного вещества.
По мере охлаждения отдельные минералы начинают кристаллизоваться и отделяться от расплава. Этот процесс постепенно меняет химический состав оставшейся магмы.
Диоксид кремния может накапливаться в расплавленном веществе в ходе такой эволюции. Поэтому состав лавы, достигающей поверхности, способен рассказать о том, какие процессы происходили в глубине планеты.
Более интенсивное плавление мантии
Низкое содержание SiO₂ на поверхности Меркурия указывает на то, что вулканические породы могли происходить из материала, который плавился глубже и интенсивнее, чем предполагалось ранее.
Иными словами, ранняя вулканическая активность Меркурия могла быть связана с более высокими температурами и значительными масштабами образования магмы.
Это не означает, что вся кора планеты образовалась в результате одного гигантского вулканического события. Речь идет о длительных геологических процессах, в ходе которых расплавленный материал из внутренних областей поднимался к поверхности и постепенно формировал обширные вулканические равнины.
Новый результат позволяет предположить, что эти процессы были более экстремальными, чем показывали прежние модели.
Меркурий и Земля прошли совершенно разными путями
Хотя Меркурий, Земля, Венера и Марс относятся к каменистым планетам, их геологическая история сложилась совершенно по-разному.
Земля до сих пор остается геологически активным миром. Вулканизм продолжается, а движение литосферных плит постоянно изменяет поверхность и перерабатывает земную кору.
Меркурий развивался иначе.
Небольшая планета быстрее теряла внутреннее тепло
Меркурий значительно меньше Земли. Небольшие планеты в целом быстрее теряют внутреннее тепло, поскольку их объем относительно площади поверхности меньше, чем у крупных тел.
В ранней истории Меркурия вулканическая активность была интенсивной, однако со временем внутренние процессы ослабли. Планета постепенно охлаждалась, а ее кора становилась все более стабильной.
По современным представлениям, основная эпоха вулканической активности завершилась очень давно. В дальнейшем поверхность продолжала изменяться главным образом под воздействием ударов астероидов и процессов, связанных с охлаждением и сжатием внутренних областей планеты.
Почему кора Меркурия сохраняет следы древних событий
На Земле многие древние геологические структуры уничтожаются или перерабатываются тектоническими процессами. Движение литосферных плит постоянно изменяет земную поверхность.
На Меркурии подобного глобального механизма нет. Поэтому многие древние вулканические равнины и другие структуры сохранились значительно лучше.
Именно это делает Меркурий своеобразным архивом ранней истории каменистых планет. Его поверхность содержит информацию о процессах, которые происходили миллиарды лет назад.
Что мешает получить абсолютно точный ответ уже сейчас
Полученный результат важен, однако исследователи не считают вопрос окончательно закрытым. У дистанционного определения химического состава существуют ограничения.
Спектральная характеристика, использованная для оценки содержания SiO₂, зависит не только от химического состава. На положение наблюдаемого сигнала могут влиять и физические свойства материала, включая размер частиц.
Это означает, что интерпретация существующих данных требует осторожности. Низкое содержание кремнезема является серьезным результатом, но для окончательного подтверждения необходимы более точные наблюдения.
Именно здесь важную роль должна сыграть межпланетная миссия BepiColombo.
BepiColombo поможет проверить новую гипотезу
Совместная миссия Европейского космического агентства и Японского агентства аэрокосмических исследований была создана специально для подробного изучения Меркурия.
После многолетнего путешествия аппарат должен начать полноценные исследования планеты с орбиты.
Зачем Меркурию нужен новый орбитальный исследователь
Добраться до Меркурия значительно сложнее, чем может показаться. Планета расположена близко к Солнцу и движется по орбите с высокой скоростью.
Космическому аппарату недостаточно просто направиться к Солнцу. Чтобы выйти на орбиту вокруг Меркурия, необходимо существенно изменить скорость движения. В противном случае аппарат просто пройдет мимо планеты.
По этой причине полет к Меркурию требует сложной траектории и многочисленных гравитационных маневров.
BepiColombo использует именно такой подход, постепенно изменяя свою траекторию во время длительного путешествия по внутренней части Солнечной системы.
Инфракрасный прибор MERTIS
Одним из научных инструментов миссии является MERTIS — радиометр и тепловой инфракрасный спектрометр, предназначенный для изучения поверхности Меркурия.
Прибор будет исследовать минералогический состав поверхности и получать данные в инфракрасном диапазоне с гораздо более высокой точностью и разрешением, чем существующие наблюдения.
Это особенно важно для проверки нового метода определения содержания диоксида кремния.
Исследование фактически создает основу для будущей интерпретации данных BepiColombo. Когда аппарат начнет передавать подробную спектральную информацию, ученые смогут значительно точнее определить распределение SiO₂ на поверхности планеты.
Новая карта химического состава может изменить представления о Меркурии
Если будущие измерения подтвердят низкое содержание кремнезема, ученым придется пересмотреть некоторые модели формирования меркурианской коры.
Это поможет ответить на несколько фундаментальных вопросов.
Как глубоко происходило плавление вещества
Одной из главных задач станет определение условий, при которых образовались древние вулканические породы.
Химический состав лавы зависит от процессов, происходящих в недрах планеты. Поэтому глобальная карта распределения различных компонентов позволит понять, были ли вулканические процессы одинаковыми по всей поверхности или разные районы Меркурия формировались в различных условиях.
Возможно, будущие данные покажут существование областей с различным составом коры, отражающих разные этапы геологической истории.
Как долго продолжалась вулканическая активность
Разные поколения вулканических пород могут содержать информацию о последовательности геологических событий.
Если состав поверхности изменялся со временем, это может помочь восстановить эволюцию внутреннего вещества Меркурия и понять, как постепенно угасал его вулканизм.
Такая реконструкция особенно важна для сравнительной планетологии. Меркурий представляет собой пример каменистой планеты, которая очень рано потеряла большую часть своей внутренней активности.
Меркурий остается одной из самых необычных планет Солнечной системы
Несмотря на близость к Земле по космическим меркам, Меркурий остается сравнительно малоизученным миром.
На нем никогда не работал посадочный аппарат, а образцы меркурианских пород никогда не доставлялись на Землю. Практически все сведения о поверхности получены с помощью дистанционных измерений и орбитальных миссий.
При этом Меркурий обладает целым рядом особенностей, которые делают его чрезвычайно интересным для науки. У него необычно крупное металлическое ядро, очень разреженная внешняя газовая оболочка, экстремальные перепады температуры и поверхность, сохранившая следы самых ранних эпох истории Солнечной системы.
Новое исследование добавляет к этому списку еще один важный вопрос: насколько масштабным и интенсивным был вулканизм, сформировавший современную кору планеты.
Будущие наблюдения могут раскрыть историю древней лавы
Новые результаты не означают, что история формирования Меркурия полностью разгадана. Напротив, они показывают, насколько много еще предстоит выяснить.
Полученная оценка содержания диоксида кремния указывает на более глубокое и интенсивное плавление вещества мантии. Однако окончательные выводы потребуют подробных данных о химическом составе различных районов поверхности.
Именно поэтому будущие наблюдения BepiColombo имеют особое значение. Они позволят перейти от ограниченных измерений к гораздо более подробному изучению всей планеты.
Если новые данные подтвердят результаты исследования, ученые получат более ясную картину того, как молодой Меркурий превращался из горячего и геологически активного мира в планету, поверхность которой сегодня выглядит почти неподвижной.
Древние лавовые равнины Меркурия могут оказаться следами гораздо более экстремальной эпохи, когда внутреннее тепло планеты приводило к интенсивному плавлению мантии и масштабным извержениям. Изучение химического состава этих пород позволяет буквально читать историю давно исчезнувших вулканов — даже на планете, где ни один человек и ни один посадочный аппарат еще не исследовали поверхность напрямую.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
