Меркурий остается одной из самых необычных планет Солнечной системы. Он находится ближе всех к Солнцу, обладает чрезвычайно крупным металлическим ядром и имеет поверхность, химический состав которой заметно отличается от поверхности Земли, Венеры и Марса. Теперь новые лабораторные исследования позволили подробнее восстановить процессы, происходившие в недрах молодой планеты миллиарды лет назад.
Ученые пришли к выводу, что ключевую роль в ранней истории Меркурия могли сыграть экстремально восстановительные условия — среда с исключительно низким содержанием доступного кислорода. Именно они могли определить необычное поведение углерода, привести к образованию древней графитовой коры и одновременно объяснить, почему сам углерод не стал главным легким элементом гигантского ядра планеты.
Результаты исследований помогают связать между собой сразу несколько особенностей Меркурия: его предполагаемую богатую углеродом поверхность, огромную металлическую внутреннюю область и длительное существование частично жидкого ядра, необходимого для поддержания магнитного поля.
Молодой Меркурий мог быть покрыт глобальным океаном магмы
Сегодня Меркурий выглядит как небольшой каменистый мир с древней поверхностью, испещренной кратерами. Однако на ранних этапах существования планета была совершенно другой. Как и другие планеты земной группы, она формировалась из вещества, окружавшего молодое Солнце.
Процесс аккреции сопровождался многочисленными столкновениями и выделением огромного количества энергии. Радиоактивный распад некоторых элементов также способствовал нагреву молодых планет. В результате внутренние области могли расплавиться, а значительная часть Меркурия на раннем этапе представляла собой глобальный океан магмы.
Этот период имел огромное значение для дальнейшей судьбы планеты. Именно тогда происходило разделение вещества на будущие внутренние слои. Более тяжелые металлические компоненты постепенно концентрировались в глубине, формируя ядро, а силикатное вещество оставалось снаружи и становилось основой мантии и коры.
Как формируются внутренние слои планеты
Когда глобальный океан магмы начинает остывать, химические элементы распределяются между различными веществами не случайным образом. Некоторые легче соединяются с металлом и стремятся попасть в формирующееся ядро. Другие остаются преимущественно в силикатной расплавленной массе.
Этот процесс называется дифференциацией планеты. Его последствия определяют химический состав ядра, мантии и коры на миллиарды лет вперед.
По мере охлаждения магматического океана из него начинают кристаллизоваться минералы. Оставшаяся расплавленная масса постепенно меняет свой состав, а отдельные вещества могут концентрироваться в определенных слоях. Именно такие процессы, происходившие более четырех миллиардов лет назад, во многом сформировали современный облик Меркурия.
Почему историю Меркурия особенно трудно восстановить
Изучать внутреннее строение Земли ученым помогают горные породы, вулканические материалы и многочисленные геологические процессы. С Меркурием ситуация значительно сложнее.
На Землю пока не доставляли образцы меркурианского грунта. Кроме того, не существует достоверно идентифицированных метеоритов, происхождение которых было бы связано именно с Меркурием. Поэтому сведения о химическом составе планеты приходится получать главным образом с помощью дистанционных наблюдений и данных космических аппаратов.
Большую роль в изучении Меркурия сыграли миссии Mariner 10 и MESSENGER. Их наблюдения позволили определить многие особенности поверхности и внутреннего строения планеты. Однако для понимания процессов, происходивших в глубокой древности, одних современных наблюдений недостаточно.
Поэтому исследователи используют другой подход — пытаются воспроизвести условия молодой планеты в лаборатории.
Ученые воссоздали условия раннего Меркурия
Для изучения происхождения внутренних слоев Меркурия исследователи применили методы экспериментальной петрологии. Эта область науки позволяет моделировать процессы, происходившие в недрах планет, создавая в лаборатории высокие температуры, давления и определенные химические условия.
В серии экспериментов ученые изучали поведение углерода во время разделения металлического вещества будущего ядра и силикатного расплава, из которого формировались мантия и кора.
Температуры в экспериментах составляли примерно от 1250 до 2170 градусов Цельсия. Одновременно создавались давления, соответствующие условиям в глубинах молодых планет.
Главной задачей было определить, куда должен был перемещаться углерод: в металлическое ядро или в силикатную магму.
Поведение углерода зависит от химической среды
Результаты показали, что углерод может вести себя совершенно по-разному в зависимости от степени окисленности окружающей среды.
В относительно окислительных условиях углерод обладает выраженным сродством к металлу. Это означает, что при разделении металлической и силикатной частей молодой планеты значительная его доля должна была переходить в формирующееся ядро.
Однако условия на раннем Меркурии, судя по полученным результатам, были значительно более восстановительными. В такой среде углерод гораздо слабее стремится соединяться с металлической фазой.
Вместо перехода в ядро значительная часть углерода могла оставаться в силикатном магматическом океане.
Именно это различие оказалось принципиальным для объяснения одной из самых необычных особенностей Меркурия — возможного существования древней графитовой коры.
Как на поверхности Меркурия мог появиться графит
Графит представляет собой одну из форм углерода. На Земле он хорошо известен как мягкий темный минерал, однако в условиях молодой планеты его роль могла быть совершенно иной.
Если углерод сохранялся в магматическом океане Меркурия, то по мере охлаждения он мог кристаллизоваться в форме графита. При этом графит имеет сравнительно низкую плотность по сравнению с окружающим силикатным расплавом.
Из-за этого он не должен был опускаться в глубину.
Графит мог всплывать на поверхность магматического океана
В расплавленном веществе молодой планеты частицы и минералы с разной плотностью могут перемещаться в противоположных направлениях. Более тяжелые компоненты стремятся опускаться, а более легкие способны подниматься вверх.
Согласно новой модели, кристаллизовавшийся на Меркурии графит был достаточно легким, чтобы всплывать на поверхность глобального океана магмы. Постепенно этот материал мог накапливаться в верхней части планеты.
Так сформировался слой, который исследователи рассматривают как первичную графитовую кору Меркурия.
Расчеты, основанные на лабораторных экспериментах и данных наблюдений, дают толщину такой первоначальной коры примерно от 40 до 120 метров.
Древняя кора не обязательно сохранилась в первоначальном виде
Современная поверхность Меркурия не представляет собой нетронутый слой вещества, оставшийся со времени формирования планеты. За миллиарды лет она подвергалась интенсивной переработке.
На поверхность падали астероиды и другие космические тела, создавая многочисленные кратеры. Кроме того, в истории Меркурия существовал продолжительный период вулканической активности. Извержения покрывали отдельные области новыми потоками лавы.
Поэтому предполагаемая первичная графитовая кора могла быть разрушена, перемешана и частично перекрыта более молодыми породами. Однако углеродистый материал мог сохраниться в составе поверхностных слоев.
Наблюдения указывают на присутствие на поверхности Меркурия богатого углеродом материала, который может составлять примерно от 1 до 3% по массе в соответствующем поверхностном слое.
Огромное ядро Меркурия оказалось отдельной загадкой
Меркурий выделяется среди планет земной группы не только возможной графитовой корой. Его главной внутренней особенностью является исключительно крупное металлическое ядро.
По современным оценкам, ядро составляет около 70% массы всей планеты. Для небольшого каменистого мира это чрезвычайно высокая доля.
Однако размеры — не единственная особенность. Данные о внутреннем строении показывают, что плотность ядра несколько ниже, чем можно было бы ожидать от почти чистого железа. Это означает, что в его составе должны присутствовать более легкие химические элементы.
Долгое время одним из возможных кандидатов считался углерод.
Почему углерод не может объяснить плотность ядра
Новые результаты показывают важное противоречие. Те же химические условия, которые позволяют углероду оставаться в силикатной магме и формировать графитовую кору, не способствуют накоплению большого количества углерода в металлическом ядре.
Согласно моделированию, содержание углерода в ядре Меркурия при таких условиях должно быть менее 5000 микрограммов на грамм вещества, то есть менее 0,5%.
Такого количества недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое снижение плотности ядра.
Таким образом, две особенности Меркурия — богатая углеродом внешняя оболочка и крупное металлическое ядро — нельзя объяснить простым предположением, что углерод распределился между ними примерно одинаково.
Наоборот, исследование показывает, что углерод преимущественно оставался во внешних силикатных слоях.
Главными легкими элементами могли стать кремний и сера
Если углерода в ядре недостаточно, его место должны занимать другие элементы.
Полученные результаты указывают, что наиболее важную роль в снижении плотности ядра могли играть кремний и, в меньшей степени, сера.
Их присутствие имеет еще одно важное следствие. Кремний и сера способны снижать температуру плавления железа. Это означает, что металлическая смесь внутри Меркурия могла дольше сохраняться в жидком или частично жидком состоянии.
Для планеты это особенно важно, поскольку с существованием жидких движущихся проводящих слоев связано формирование магнитного поля.
Почему Меркурий до сих пор обладает магнитным полем
Несмотря на небольшие размеры, Меркурий имеет собственное глобальное магнитное поле. Оно значительно слабее земного, но его существование остается важным свидетельством продолжающихся процессов внутри планеты.
Для работы планетарного магнитного динамо необходимы движущиеся электропроводящие материалы во внутренних областях. В случае Меркурия такую роль играет жидкая часть металлического ядра.
Если бы ядро полностью затвердело, механизм поддержания современного магнитного поля оказался бы невозможен.
Поэтому химический состав ядра имеет прямое отношение не только к его плотности, но и к современной геофизической активности планеты.
Легкие элементы могли помочь ядру оставаться жидким
Присутствие кремния и серы изменяет свойства железной смеси и снижает температуру, при которой она затвердевает.
Это позволяет объяснить, почему спустя примерно 4,5 миллиарда лет после формирования Меркурия его ядро могло сохранить частично жидкое состояние.
Таким образом, результаты новых исследований связывают несколько независимых особенностей планеты в единую картину. Экстремально восстановительная среда объясняет, почему углерод остался в магматическом океане и сформировал графитовую кору. Одновременно состав металлического ядра определяется преимущественно другими легкими элементами, способными влиять на его плотность и температуру плавления.
Меркурий оказался планетой с необычной химической историей
Главной особенностью предложенной модели является роль химических условий раннего Меркурия.
Планета, вероятно, формировалась в среде с чрезвычайно низкой доступностью кислорода. Для геохимии это имеет огромное значение, поскольку от степени окисления зависит поведение многих элементов.
На Земле и других планетах один и тот же элемент может распределяться между породами, расплавами и металлом совершенно иначе.
В случае Меркурия экстремально восстановительная среда изменила судьбу углерода. Вместо того чтобы в больших количествах погрузиться вместе с железом в центр планеты, он мог сохраниться во внешнем расплавленном слое.
После охлаждения часть этого углерода превратилась в графит и сформировала легкую первичную оболочку.
Одна химическая особенность связала кору и недра планеты
Именно в этом заключается важность новых результатов. Они позволяют объяснить происхождение графитовой коры не как отдельное явление, а как следствие тех же условий, которые определяли химическую эволюцию всей планеты.
Меркурий оказался своеобразным примером того, как ранняя химическая среда способна определить строение небесного тела на миллиарды лет вперед.
Состав поверхности, распределение углерода, плотность ядра и его способность оставаться частично жидким могут быть звеньями одной длинной цепи процессов, начавшихся еще во времена существования глобального океана магмы.
Будущие исследования смогут проверить новую модель
До сих пор ученые вынуждены реконструировать раннюю историю Меркурия преимущественно по данным дистанционных наблюдений и лабораторных экспериментов.
Однако возможности изучения планеты вскоре должны существенно расшириться благодаря миссии BepiColombo. Европейско-японский космический аппарат предназначен для детального исследования Меркурия и его окружающего пространства.
Новые измерения поверхности могут помочь точнее определить распространенность графита и других углеродсодержащих материалов.
Что может показать изучение поверхности Меркурия
Если будущие наблюдения подтвердят, что графит является значительной составляющей определенных областей поверхности, это станет важным аргументом в пользу модели древней флотационной коры.
Особый интерес представляет возможность определить не только наличие углеродистого вещества, но и его распределение. Оно может хранить информацию о том, как первичная кора разрушалась ударами и перерабатывалась вулканическими процессами.
Одновременно более точные данные о составе поверхности и внутреннем строении позволят проверить представления о химической эволюции мантии и ядра.
Меркурий может помочь понять и другие планеты
Полученные результаты важны не только для истории ближайшей к Солнцу планеты.
Сходные процессы могли происходить на других сильно восстановленных небесных телах. Модели распределения углерода могут быть полезны при изучении предполагаемого более крупного протомеркурия, гипотетических «супер-Меркуриев» и некоторых экзопланет с необычным химическим составом.
Кроме того, ранняя Земля формировалась из материалов, среди которых присутствовали восстановленные компоненты. Поэтому изучение экстремального примера Меркурия помогает лучше понять общие механизмы химической эволюции каменистых планет.
Новая картина раннего Меркурия
Согласно современным результатам, молодой Меркурий мог пройти через последовательность взаимосвязанных этапов. Сначала значительная часть планеты расплавилась, образовав глобальный океан магмы. Затем металлическое вещество отделилось от силикатного и начало формировать огромное ядро.
При чрезвычайно восстановительных условиях углерод не ушел вместе с металлом в глубины планеты. Значительная его часть сохранилась в магматическом океане и при охлаждении кристаллизовалась в форме графита.
Легкий графит всплывал и накапливался у поверхности, создавая древнюю кору. Позднее эта кора была переработана ударами астероидов и вулканизмом.
Одновременно ядро осталось сравнительно бедным углеродом. Его пониженную плотность, вероятно, определяют прежде всего кремний и сера. Эти же элементы могли способствовать сохранению жидкой части железного ядра на протяжении миллиардов лет.
Так небольшая планета у самого Солнца вновь показывает, насколько сложной может быть история даже хорошо знакомого мира. За покрытой кратерами поверхностью Меркурия скрывается химическая история, начавшаяся в глобальном океане магмы и определившая строение планеты, которое сохраняется до настоящего времени.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
