Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 17 (vyšlo 1. června, ročník 16 (2018)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Kůra Merkuru

Rudolf Mentzl

První planeta Sluneční soustavy MerkurMerkur – planeta nejbližší Slunci. Je to skalnatá planeta, posetá krátery podobně jako náš Měsíc. Jde o nejmenší planetu vůbec. Je téměř bez atmosféry. Teplota povrchu tohoto tělesa kolísá mezi −180 °C a 430 °C. Merkur se otočí kolem vlastní osy jednou za 59 našich dní. Jeho doba oběhu kolem Slunce trvá 88 dní. Jde o příklad vázané rotace (spinorbitální interakce) v poměru 2:3 způsobené slapovými silami. Dráha Merkuru kolem Slunce je protáhlá elipsa, která se stáčí vlivem přítomnosti ostatních planet. Malá část stáčení perihelia dráhy (43″ za století) je způsobena efekty obecné relativity. stojí poněkud stranou zájmu určitě neprávem. Na první pohled se zdá, že není ničím zajímavá, vypadá trochu jako náš Měsíc, jen na denní straně je ještě více rozpalovaná blízkostí Slunce. Minimální atmosféra, samý kráter, ani ta moře, která známe z Měsíce, tam nejsou.

Stačí však nahlédnout do tabulek a dozajista se nad některými údaji pozastavíme. Předně, má magnetické pole. Na první pohled by se zdálo slabé, na rovníku dosahuje pouze asi jednoho procenta intenzity magnetického pole Země. Je však třeba mít na vědomí, že jsou i tělesa, která magnetické pole nemají, například Venuše či Mars, o Měsíci nemluvě. Není zcela jasné, jak může mít tak malá planeta tak silné magnetické pole. Obvykle se přisuzuje efektu tekutinového dynamaMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů., ale to by znamenalo, že planeta musí mít neobvykle velké tekuté jádro. Ukazuje se, že jádro Merkuru zabírá plných 60 % objemu. Pro srovnání, u naší Země je to jen 15 %. Můžeme se jen dohadovat, proč tomu tak je.

Uvažuje se o tom, že se v dobách vzniku Sluneční soustavy Merkur srazil s obrovskou planetkouPlanetka – nesprávně asteroid, malé těleso o rozměrech maximálně stovek kilometrů na samostatné dráze kolem Slunce. Nejvíce planetek se nachází v tzv. Hlavním pásu mezi drahami Marsu a Jupiteru. Obdobná tělesa jsou i v Kuiperově pásu za drahou Neptunu., která s sebou odnesla velkou část povrchu. Je také možné, že se povrch vypařil a byl odvanut slunečním větremSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v m3. Částice vylétávající v polárním směru mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země.. V každém případě muselo ke katastrofě dojít až po diferenciaci materiálu, kdy by železo zůstalo v nitru a lehčí křemičitany zmizely. Tomu by pak odpovídala i vysoká hustota planety (5 430 kg/m3), jen nepatrně menší než u Země (5 510 kg/m3). Je možné, že vysoká hustota Země je způsobena větším tlakem v jejím nitru. Kdybychom porovnávali pouze hustotu materiálu, možná by byl Merkur na prvním místě.

Merkur, planeta podobná Měsíci

Merkur je na první pohled podobný Měsíci. Zdroj: NASA/MESSENGER.

Merkur – planeta nejbližší Slunci. Je to skalnatá planeta, posetá krátery podobně jako náš Měsíc. Jde o nejmenší planetu vůbec. Je téměř bez atmosféry. Teplota povrchu tohoto tělesa kolísá mezi −180 °C a 430 °C. Merkur se otočí kolem vlastní osy jednou za 59 našich dní. Jeho doba oběhu kolem Slunce trvá 88 dní. Jde o příklad vázané rotace (spinorbitální interakce) v poměru 2:3 způsobené slapovými silami. Dráha Merkuru kolem Slunce je protáhlá elipsa, která se stáčí vlivem přítomnosti ostatních planet. Malá část stáčení perihelia dráhy (43″ za století) je způsobena efekty obecné relativity.

MESSENGER – sonda NASA, která zkoumala planetu Merkur. Startovala v srpnu 2004, v letech 2006 a 2007 prolétla dvakrát kolem Venuše. Kolem Merkuru poprvé prolétla v lednu 2008. Další průlety proběhly v říjnu 2008 a září 2009. V březnu 2011 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Merkuru a od té doby prováděla komplexní měření. Název sondy je zkratkou z anglického MErcury, Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging. Sonda ukončila svou činnost 30. dubna 2015 řízeným pádem na povrch planety.

Izostáze – stav hydrostatické rovnováhy litosférických bloků plujících na roztaveném magmatu. Každé porušení této rovnováhy vede k přesunům hmoty a ustavení nové izostáze.

Pratt – mechanizmus udržení izostáze navržený Prattaem a Hayfordem. Podle této teorie se hustota planetární kůry mění místo od místa. Aby hydrostatický vztlak byl schopen udržet hory v patřičné výšce, musí mít menší hustotu. Materiál prohlubní je naopak hustší.

Airy – mechanizmus udržení izostáze navržený Airym a Heiskanenem. Podle této teorie je hustota planetární kůry všude přibližně stejně velká. Hydrostatickou rovnováhu pod horami udržuje mocnější vrstva kůry, pod prohlubněmi je naopak kůra tenčí.

Jak silná je kůra Merkuru?

S velkým objemem jádra souvisí malá tloušťka pláště a kůry. Z měření sondy MESSENGERMESSENGER – sonda NASA, která zkoumala planetu Merkur. Startovala v srpnu 2004, v letech 2006 a 2007 prolétla dvakrát kolem Venuše. Kolem Merkuru poprvé prolétla v lednu 2008. Další průlety proběhly v říjnu 2008 a září 2009. V březnu 2011 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Merkuru a od té doby prováděla komplexní měření. Název sondy je zkratkou z anglického MErcury, Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging. Sonda ukončila svou činnost 30. dubna 2015 řízeným pádem na povrch planety. vyšlo najevo, že je kůra silná pouhých 35±18 km. Je zajímavé, že hodnota vyvolala údiv odborníků, ne pro svou malou hodnotu, nýbrž se naopak jevila velká. Náš Měsíc, považovaný za Merkurova blízkého příbuzného, má kůru v porovnání se svým pláštěm tenčí. Poměr mezi objemem obou geologických struktur je asi 7 %. U Merkuru plných 11 %. Měsíc ovšem není Merkur a tento nepoměr ani nebyl tak velký, aby se nedal vysvětlit rozdílnými podmínkami při formování obou těles. Byl to příliš malý rozpor, než aby planetology dokázal rozčílit. Jak už to však ve vědě bývá, vždy se najde někdo, kdo zapochybuje a hledá jiné řešení. Tou klíčovou postavou je zde Michael Sori z Arizonské univerzity.

Planetu Merkur si můžeme v prvním přiblížení přirovnat ke kouli roztaveného železa, na které plovou ztuhlé křemičitany. Zdánlivě jednoduchá představa se začne komplikovat, když si uvědomíme, že povrch není hladký, ale jsou na něm vyvýšeniny a prohlubně. To přímo volá po teoretickém modelu vysvětlujícím, jak se realizuje izostatická rovnováhaIzostáze – stav hydrostatické rovnováhy litosférických bloků plujících na roztaveném magmatu. Každé porušení této rovnováhy vede k přesunům hmoty a ustavení nové izostáze. a jak vypadá rozhraní mezi tekutou a pevnou složkou. Tento problém není nic nového, známe ho i ze Země. IzostáziIzostáze – stav hydrostatické rovnováhy litosférických bloků plujících na roztaveném magmatu. Každé porušení této rovnováhy vede k přesunům hmoty a ustavení nové izostáze. si v podstatě vysvětlujeme dvojím způsobem. Ve skutečnosti se pak oba tyto principy kombinují a doplňují.

Topografická mapa Merkuru

Topografická mapa Merkuru Zdroj: United States Geological Survey.

Modely planetární kůry

Buď si můžeme říci, že je hustota kůry v podstatě všude stejná, a pak by se měly těžké hory nořit hlouběji do kapaliny, aby je byl hydrostický vztlak schopen udržet. Pod prohlubněmi obsahujícími málo materiálu by se naopak kapalina tlačila nad průměrnou úroveň. Tento přístup rozpracovali již v devatenáctém a dvacátém století anglický matematik a astronom George Airy a finský geodet Veikko Heiskanen, proto se běžně mluví o Airyho izostázi.

Naproti tomu, podle britského kněze, astronoma a matematika Johna Pratta a amerického geodeta Johna Hayforda je tekutý vnitřek skoro přesná koule, na které plave kůra s bloky o stejné hmotnosti ale různé hustotě. Bloky s nejnižší hustotou mají největší objem, proto tvoří vyvýšeniny a hodně husté bloky naopak prolákliny.

Modely izostáze

Airyho (1) a Prattův (2) model izostáze Zdroj: Wikipedie.

Michael Sori byl první, koho napadlo zjistit, kterému modelu odpovídá kůra Merkuru lépe. Údaje o relativních výškách měl již k dispozici z mapování MESSENGERUMESSENGER – sonda NASA, která zkoumala planetu Merkur. Startovala v srpnu 2004, v letech 2006 a 2007 prolétla dvakrát kolem Venuše. Kolem Merkuru poprvé prolétla v lednu 2008. Další průlety proběhly v říjnu 2008 a září 2009. V březnu 2011 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Merkuru a od té doby prováděla komplexní měření. Název sondy je zkratkou z anglického MErcury, Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging. Sonda ukončila svou činnost 30. dubna 2015 řízeným pádem na povrch planety.. Nyní musel sestavit mapu hustot. Opět použil data ze sondy. Podle mapy výskytu jednotlivých prvků sestavil mapu nerostů a hornin. Autor uvádí, že jednotlivé prvky sice mohou být obsaženy v různých minerálech, ale jejich hustoty, jsou si velmi podobné.

Mapa nerostů

Hustota povrchu Merkuru příliš nekoresponduje s relativním převýšením. Jednotlivé barvy odpovídají různým horninám a nerostům Zdroj: NASA/Johns Hopkins University APL/Carnegie Institution of Washington.

Po porovnání topografické mapy a mapy hustot materiálu se ukázalo, že tu není žádná významná závislost. Prattův modelPratt – mechanizmus udržení izostáze navržený Prattaem a Hayfordem. Podle této teorie se hustota planetární kůry mění místo od místa. Aby hydrostatický vztlak byl schopen udržet hory v patřičné výšce, musí mít menší hustotu. Materiál prohlubní je naopak hustší. je tedy možné vyloučit a přijmout model s proměnnou tloušťkou kůry. Sori přirovnává Airyho modelAiry – mechanizmus udržení izostáze navržený Airym a Heiskanenem. Podle této teorie je hustota planetární kůry všude přibližně stejně velká. Hydrostatickou rovnováhu pod horami udržuje mocnější vrstva kůry, pod prohlubněmi je naopak kůra tenčí. ke zvrásněnému ledovci na vodní hladině. Nerovnosti ledu nad hladinou jsou víceméně kopírovány nerovnostmi pod hladinou. Podle Archimédova zákona má pak libovolný sloupec vody (daného průřezu) od dna až po vrchol ledu stejnou hmotnost. V případě kulového tělesa však tyto představy selhávají a příslušné vztahy nedávají přesné výsledky. Proto Sori sáhl po nedávno odvozených nových vzorcích Matsuyamy a Hemingwaye, které zahrnují také tlak, kterým působí kůra na plášť.

Podle výsledků, ke kterým Sori dospěl, by měla být kůra Merkuru ještě tenčí, pouhých 26±11 km. Tloušťku kůry zatím nemůžeme brát jako definitivní, ale ve prospěch Soriho silně mluví jedna důležitá indicie. Poměr objemu nově spočtené kůry proti objemu pláště se blíží k poměru, který známe z Měsíce. Nová teorie se jistě ještě zpřesní, až získáme přesnější měření ze sondy BepiColomboBepiColombo – společná mise k Merkuru Evropské kosmické agentury ESA a Japonské kosmické agentury JAXA. Start je plánován na rok 2018, k Merkuru by sonda měla dolétnout v roce 2025. Mise bude hledat původ magnetického pole Merkuru, mapovat magnetosféru a provádět detailní testy obecné teorie relativity. Mise počítá s dvěma nezávislými sondami navedenými na oběžnou dráhu kolem planety. Sonda je pojmenována po italském astronomovi Giuseppe Colombovi (1920–1984), objeviteli rezonančního poměru 2:3 mezi oběžnou dobou Merkuru a jeho rotací. Mimo jiné Colombo objevil mechanizmus gravitačního manévru, na jehož principu bylo možné realizovat první (a také všechny další) misi Marineru 10 k planetě Merkur., jejíhož startu se snad dočkáme ještě tohoto roku.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage