【編者按】

        “科學(xué)星期五”是一檔關(guān)于科學(xué)和科技的欄目，逢周五播出，給有好奇心的人。

        本期嘉賓是盧昌海先生。盧昌海本科就讀于復(fù)旦大學(xué)物理系，畢業(yè)后赴美留學(xué)，于2000年獲美國哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，目前旅居紐約。著有《那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界》《太陽的故事》和《黎曼猜想漫談》《從奇點(diǎn)到蟲洞：廣義相對論專題選講》等。        

        我們前面提到過，以最近距離而論水星是離地球第三近的行星，但與這個排名很不相稱的是，哪怕在航天科技已有半個多世紀(jì)歷史的今天，到水星上去仍不是一件容易的事情。追根溯源，這其實也是水星離太陽太近帶來的難題。由于離太陽太近，水星繞太陽公轉(zhuǎn)的平均速度高達(dá)每秒48公里左右，比每秒30公里左右的地球繞太陽的公轉(zhuǎn)速度快得多，這使得飛往水星的探測器必須具有很高的速度，而探測器如果想要環(huán)繞水星甚至登陸水星的話，還得解決另一個難題，那就是在接近水星時減速到能被水星引力俘獲的低速度。

        由于這些難題的困擾，從距離上講是“鄰居”的水星實際上卻是最少被行星探測器訪問的行星之一。事實上，在2008年之前，人類只向水星發(fā)射過一個行星探測器：“水手10號”。但“水手10號”因為沒有能力減速，只對水星進(jìn)行了掠過式探測。直到2011年，人類發(fā)射的第二個水星探測器“信使號”才在升空六年半之后，終于進(jìn)入了一個環(huán)繞水星運(yùn)動的長橢圓軌道。而登陸水星的探測器，則尚不在目前的行星探測時間表上 。        

        因此不僅目前，甚至在未來若干年內(nèi)，水星“一日游”都只能是假想性的。        

        與地球相比，水星的59天左右的周期自轉(zhuǎn)是很慢的，相對于它自己的88天左右的公轉(zhuǎn)周期來說就更是如此。對地球來說，當(dāng)她自轉(zhuǎn)完一圈后，其在公轉(zhuǎn)軌道上轉(zhuǎn)過的角度還不到1°，從而太陽表觀方位的變化也幾乎就是一圈。這意味著以太陽方位為標(biāo)識的地球上的一天——或所謂“平均太陽日”——幾乎就等于地球自轉(zhuǎn)一圈的時間。但對于像水星這樣自轉(zhuǎn)緩慢的行星來說，情形就完全不同了，因為當(dāng)水星自轉(zhuǎn)完一圈時，它在公轉(zhuǎn)軌道上也轉(zhuǎn)過了大半圈，大大抵消了太陽表觀方位的變化。具體地說，由于公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)周期之間存在3:2的軌旋共振，當(dāng)水星自轉(zhuǎn)完一圈時，其在公轉(zhuǎn)軌道上已轉(zhuǎn)過了2/3圈，從而太陽表觀方位的變化只有1/3圈。這說明，水星要自轉(zhuǎn)三圈——或公轉(zhuǎn)兩圈，即兩“年”——才能使太陽的表觀方位改變一圈，這才是以太陽方位為標(biāo)識的水星上的一“天”。因此，水星上的一“天”等于兩“年”，用我們地球上的“天”來衡量的話，則相當(dāng)于176天！        

        由此可見，水星“一日游”是一場曠日持久的旅游。        

        那么，水星上的環(huán)境又如何呢？很遺憾地告訴大家：糟透了。        

        天文學(xué)家們早就知道，水星是沒有大氣層的。這是不難理解的，因為水星離太陽太近，大氣層會因太陽烘烤產(chǎn)生的高溫而散失得較快，而水星的質(zhì)量——如后文將會介紹的——則較小，只有地球質(zhì)量的5.5%左右，從而對大氣分子的引力束縛能力較弱。另外，水星磁場的強(qiáng)度只有地球磁場強(qiáng)度的1%左右，無法有效地阻止比地球附近強(qiáng)勁得多的太陽風(fēng)將大氣層“吹走”。這些因素共同造成了水星沒有大氣層的結(jié)果。        

        沒有大氣層的一個直接后果是天總是黑的。我們在地球上習(xí)以為常的“藍(lán)天”是由陽光在大氣層中的散射造成的，在沒有大氣層的水星上，哪怕是“白天”，哪怕比地球上大得多、亮得多、熱得多的大太陽高懸頭頂，天依然是黑的，依然可以看到滿天的星星。這是地球上沒有的奇景。水星上的這種特殊景觀給科幻作家提供了很好的素材。比如1956年，著名美國科幻作家阿西莫夫?qū)戇^一篇題為《幸運(yùn)之星與水星的大太陽》的科幻小說，其中給人印象很深的一個場景就是在水星黑夜與白天的交界線附近遠(yuǎn)望地平線上巨大而壯麗的日冕。日冕在地球上是只有在日全食期間才看得見的景象，在水星上卻可以輕易看到，并且由于水星離太陽很近，看到的日冕也大得多。        

        沒有大氣層的另一個后果，是沒有了大氣層對溫度的調(diào)節(jié)作用。這一點(diǎn)，加上“日”和“夜”的極為漫長，使得水星上一“天”之中的溫差是太陽系中最懸殊的。與之相比，像新疆這種地球上溫差較大的地方的“早穿棉襖午穿紗，圍著火爐吃西瓜”的溫差簡直不值一提。具體地說，水星上白天的最高溫度與水星離太陽的距離有關(guān)，但哪怕在遠(yuǎn)日點(diǎn)時也高達(dá)約280攝氏度（280°C），在近日點(diǎn)時更是高達(dá)約430攝氏度（430°C）以上，足以熔化某些熔點(diǎn)較低的金屬——比如熔點(diǎn)不到330攝氏度（330°C）的鉛。而到了晚上，溫度則走向另一個極端：降到零下180攝氏度（—180°C）左右。        

        很明顯，沒有足夠封閉而隔溫的設(shè)備，我們是萬萬不能在水星上逗留的。如此大起大落的溫度及沒有大氣層的環(huán)境顯然也排除了這顆中文名字帶“水”的行星上存在液態(tài)水的可能性。不過，在某些特殊區(qū)域里有可能存在所謂的“水冰”——即通常所說的冰。比如以中國元代書法家趙孟頫的名字命名的直徑約167公里的“趙孟頫隕石坑”被認(rèn)為約有40%的區(qū)域是終日不見陽光的，那里的溫度很可能始終維持在零下170攝氏度（—170°C）以下。一般認(rèn)為，在那樣的區(qū)域里很可能存在亙古不化的“水冰”，這一點(diǎn)在很大程度上受到了雷達(dá)回波觀測的支持（因為對雷達(dá)回波極化狀態(tài)的研究顯示出它很可能是被“水冰”所反射的）。據(jù)估計，水星上“水冰”總量有可能高達(dá)1,000-10,000億噸，相當(dāng)于地球南極區(qū)域所儲數(shù)量的萬分之一左右。        

        水星上的一“天”如此漫長，“一日游”若不四處活動一下將會是極度乏味的。那么，水星上的活動空間有多大呢？還真不小。雖然自冥王星被降級之后，水星已是太陽系中最小的行星，但它的直徑——如后文將會介紹的——仍有約4,879公里，表面積幾乎達(dá)到地球陸地面積的一半左右，或相當(dāng)于亞洲與非洲的面積之和。

        漫步水星表面，最顯著的景觀就是隕石坑。由于沒有大氣層，大大小小的隕石都能撞擊到水星表面，而不會像在地球上那樣，較小的隕石在穿越大氣層時被摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)龤?。在水星表面的隕石坑中，最大的一個被稱為卡洛里盆地，直徑達(dá)1,550公里左右，面積比中國的新疆還大，形成于約38-39億年前。據(jù)推算，形成卡洛里盆地的“肇事者”是一顆直徑在100公里以上的巨型隕石。

        它的撞擊不僅造成了巨大的卡洛里盆地，而且產(chǎn)生了幾乎能飛散到水星各個角落的碎片，撞擊造成的“地震波”甚至在與撞擊點(diǎn)遙遙相對的水星表面另一側(cè)的所謂的“對跖點(diǎn)”處匯聚，對那里的地貌造成了巨大破壞。這種巨大撞擊對天體表面“對跖點(diǎn)”附近地貌造成破壞的現(xiàn)象被稱為“對跖點(diǎn)效應(yīng)”，并非水星所獨(dú)有。這種效應(yīng)的存在，意味著在真正巨大的隕石撞擊下，最遠(yuǎn)離撞擊點(diǎn)，從而貌似最安全的“對跖點(diǎn)”具有特殊的不安全性。當(dāng)然，對于我們這些脆弱的地球生物來說，遠(yuǎn)比那小得多的隕石撞擊就足以對生物圈造成毀滅性打擊，那種意義上的不安全性也就談不上了。        

        在沒有大氣和液態(tài)水的環(huán)境里，隕石坑不會像地球上的地貌一樣受到風(fēng)化等效應(yīng)的侵蝕，從而忠實地記錄了水星在悠長歲月里——尤其在早期——所遭受的猛烈的隕石撞擊。這種記錄的忠實程度甚至使天文學(xué)家們能夠用隕石坑的密度來粗略地估計水星表面很多地貌的年齡：隕石坑密度較低的地貌相對年輕，隕石坑密度較高的地貌則相對古老。這種方法被稱為“撞擊坑計數(shù)”，它對于估計像水星這樣尚未被探測器登陸過，從而沒有巖石樣本可以研究的天體的地貌年齡是很重要的。

        除隕石坑外，水星表面還有很多其他地貌，比如有高原、平原之分，還存在皺脊、峭壁、山谷，以及早期巖漿活動的痕跡等等。不過跟絢麗多姿的地球相比，水星是很乏味的，連色調(diào)都是灰暗的，灰暗的表面、黑暗的天空，酷寒的長夜，外加一掛就是幾個月之久的恐怖的大太陽，這基本上就是水星“一日游”的核心內(nèi)容了。不過，對普通游客雖然乏味，但像水星這種在漫長時間里地貌未受風(fēng)化等效應(yīng)侵蝕的行星如同巨型的化石，對研究整個太陽系的形成都有重要價值，這對天文學(xué)家們來說是很有吸引力的。 

        （盧昌海的微博id是@盧昌海）