Самая ранняя атмосфера на Меркурии

Меркурий - очень необычная планета. Самая маленькая в Солнечной системе и ближайшая к Солнцу планета, находится в резонансе вращения 3:2, медленно вращается и испытывает палящий жар до 430 градусов по Цельсию, а ночная сторона становится холодной до -170 градусов по Цельсию. Из-за того, что его ядро ??намного больше, чем у Земли, и богато железом, оно второе по величине средней плотности в Солнечной системе, всего на 1,5 % ниже земной. Несмотря на близость к Солнцу, поверхность Меркурия, как ни удивительно, оказалась богатой летучими элементами, такими как натрий и сера.

Разделение планеты на богатое железом ядро ??и скалистую мантию (геологическая область между ядром и корой) предполагает, что на Меркурии был океан магмы в начале формирования. Как и любая жидкость, этот океан испарился бы, но в случае Меркурия температуры были настолько высокими, что пар состоял не из воды, а из горных пород. В новом исследовании, опубликованном в The Planetary Science Journal, Ноа Ягги и его коллеги смоделировали, как испарение поверхности магматического океана будет формировать атмосферу, и определили, могут ли потери из атмосферы изменить состав Меркурия, отвечая на открытый вопрос о том, почему умеренно летучие элементы (например, натрий) скопились на поверхности Меркурия. Результаты были удивительными.

Океаны с ранней планетной магмой не являются чем-то необычным, объяснила Линди Элкинс-Тантон, директор Школы исследования Земли и космоса в Университете штата Аризона. «Мы думаем, что на всех каменистых планетах есть один или несколько океанов магмы по мере их образования. Последствия аккреции к концу формирования планет настолько сильны, что они растопят планеты на некую глубину».

Ранняя Солнечная система была суровым и активным местом, полным летающих камней, массивных столкновений и тяжелых бомбардировок. Тепло, вызванное этими событиями, в дополнение к радиоактивному распаду и теплу, создаваемому богатым железом ядром Меркурия, поддерживало поверхность и планету внутри в расплавленном состоянии. Модели показывают, что эти процессы привели к повышению температуры поверхности примерно до 2400 К (3860 градусов по Фаренгейту). Может ли испарение, а затем атмосферные потери изменить состав Меркурия?

Ягги и его команда предположили, что у Меркурия два первоначальных размера, один больше сегодняшнего, как предполагают некоторые ученые, и четыре возможных состава океана магмы. Летучие вещества, такие как углекислый газ, окись углерода, водород (H2) и вода, растворяются в магме и могут улетучиваться в виде газа при снижении давления. Сравнительно нелетучие породообразующие элементы, такие как кремний, натрий или железо, могут существовать в виде газов, таких как монооксид кремния (SiO), только при очень высоких температурах, которые существовали в раннем магматическом океане. Разница между летучими и нелетучими газообразными веществами в том, что для данной температуры летучие вещества получили гораздо больше равновесного давления пара, чем нелетучие. Это давление, которое атмосфера оказывает на поверхность магмы.

Исследовательская группа провела комбинированную модель внутренней атмосферы, чтобы определить эффект испарения из океана в атмосферу и, после учета химических и физических процессов в атмосфере, результирующую потерю массы из атмосферы либо в космос, либо обратно на планету. Между тем планета остывала. Жидкая магма начинает кристаллизоваться при температуре 1700 К (2600 градусов по Фаренгейту), что делает 1500 К, использованные Ягги, хорошим примером для времени жизни поверхностного расплава, и устанавливает конечную точку потери массы из-за океана магмы Меркурия.

Как в летучем, так и в нелетучем случае магматический океан испаряется, пополняя атмосферу. Молекулы могут покинуть атмосферу одним из четырех способов: нагрев плазмы солнечным ветром заряженных частиц; фотоиспарение атмосферных частиц из солнечных фотонов чрезвычайно высокой энергии, таких как рентгеновские лучи и ультрафиолетовые фотоны от Солнца глубоко в верхних слоях атмосферы, создавая утечку газа (также называемую гидродинамической утечкой); джинсовский побег, особенно когда молекулы с большой высотой, высокой скоростью и малой массой вылетают из верхних слоев атмосферы, прежде чем столкнуться с еще одним столкновением молекул; и фотоионизация, когда фотоны высокой энергии производят ионы, которые убегают различными способами.

Модель команды показала, что из четырех потенциальных механизма ускользания, ускользание Джинса было незначительным, а остальные приводили к массовым потерям от 1 миллиона до 4 миллиардов килограммов в секунду, в зависимости от времени образования Меркурия и предположений об эффективности нагрева, с верхним пределом. Диапазон, исходящий от гидродинамического ускользания - «от незначительного до преобладающего в зависимости от того, насколько эффективно атмосферные частицы нагреваются и сколько радиации было произведено и доставлено ранним Солнцем», сказал Ягги.

Но, что важно, общая потеря массы из двух испытанных атмосфер, летучих и нелетучих, оказалась очень похожей. Учитывая потерю массы, результирующая временная шкала модели для эффективного химического обмена внутри атмосферы составляла менее 10 000 лет, что подразумевает, что процессы ускользания из атмосферы составляют лишь около 0,3% от начальной массы Меркурия, или менее 2,3 км коры. (Современный радиус Меркурия составляет 2440 км.)

Таким образом, кумулятивная потеря массы не существенно изменила основной состав мантии Меркурия на стадии магматического океана. Таким образом, время охлаждения, которое зависит от вызванного парникового эффекта, определяет, сколько материала теряется за время существования океана магмы.

По словам Ягги, незначительность общей потери массы атмосферы от Меркурия, не считая гидродинамического ускользания, была удивительной. Это говорит о том, что должно быть что-то большее в измерениях с высоким содержанием натрия на поверхности Меркурия, поскольку они не могут накапливаться или теряться в каком-либо значительном количестве, учитывая смоделированные скорости потерь и время жизни океана магмы. Результаты могут быть распространены на Луну, экзопланету или планету, похожую на Землю, которая начинается в фазе горячей магмы «с непостоянной поставкой строительных блоков».