【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(guó)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(yáng)系的疆界》《太陽(yáng)的故事》和《黎曼猜想漫談》《從奇點(diǎn)到蟲(chóng)洞：廣義相對(duì)論專(zhuān)題選講》等。        

        我們前面提到過(guò)，以最近距離而論水星是離地球第三近的行星，但與這個(gè)排名很不相稱(chēng)的是，哪怕在航天科技已有半個(gè)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(shí)也是水星離太陽(yáng)太近帶來(lái)的難題。由于離太陽(yáng)太近，水星繞太陽(yáng)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(yáng)的公轉(zhuǎn)速度快得多，這使得飛往水星的探測(cè)器必須具有很高的速度，而探測(cè)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(gè)難題，那就是在接近水星時(shí)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(shí)際上卻是最少被行星探測(cè)器訪問(wèn)的行星之一。事實(shí)上，在2008年之前，人類(lèi)只向水星發(fā)射過(guò)一個(gè)行星探測(cè)器：“水手10號(hào)”。但“水手10號(hào)”因?yàn)闆](méi)有能力減速，只對(duì)水星進(jìn)行了掠過(guò)式探測(cè)。直到2011年，人類(lèi)發(fā)射的第二個(gè)水星探測(cè)器“信使號(hào)”才在升空六年半之后，終于進(jìn)入了一個(gè)環(huán)繞水星運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)橢圓軌道。而登陸水星的探測(cè)器，則尚不在目前的行星探測(cè)時(shí)間表上 。        

        因此不僅目前，甚至在未來(lái)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(duì)于它自己的88天左右的公轉(zhuǎn)周期來(lái)說(shuō)就更是如此。對(duì)地球來(lái)說(shuō)，當(dāng)她自轉(zhuǎn)完一圈后，其在公轉(zhuǎn)軌道上轉(zhuǎn)過(guò)的角度還不到1°，從而太陽(yáng)表觀方位的變化也幾乎就是一圈。這意味著以太陽(yáng)方位為標(biāo)識(shí)的地球上的一天——或所謂“平均太陽(yáng)日”——幾乎就等于地球自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間。但對(duì)于像水星這樣自轉(zhuǎn)緩慢的行星來(lái)說(shuō)，情形就完全不同了，因?yàn)楫?dāng)水星自轉(zhuǎn)完一圈時(shí)，它在公轉(zhuǎn)軌道上也轉(zhuǎn)過(guò)了大半圈，大大抵消了太陽(yáng)表觀方位的變化。具體地說(shuō)，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(shí)，其在公轉(zhuǎn)軌道上已轉(zhuǎn)過(guò)了2/3圈，從而太陽(yáng)表觀方位的變化只有1/3圈。這說(shuō)明，水星要自轉(zhuǎn)三圈——或公轉(zhuǎn)兩圈，即兩“年”——才能使太陽(yáng)的表觀方位改變一圈，這才是以太陽(yáng)方位為標(biāo)識(shí)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(lái)衡量的話，則相當(dāng)于176天！        

        由此可見(jiàn)，水星“一日游”是一場(chǎng)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?cè)缇椭?，水星是沒(méi)有大氣層的。這是不難理解的，因?yàn)樗请x太陽(yáng)太近，大氣層會(huì)因太陽(yáng)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(huì)介紹的——?jiǎng)t較小，只有地球質(zhì)量的5.5%左右，從而對(duì)大氣分子的引力束縛能力較弱。另外，水星磁場(chǎng)的強(qiáng)度只有地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的1%左右，無(wú)法有效地阻止比地球附近強(qiáng)勁得多的太陽(yáng)風(fēng)將大氣層“吹走”。這些因素共同造成了水星沒(méi)有大氣層的結(jié)果。        

        沒(méi)有大氣層的一個(gè)直接后果是天總是黑的。我們?cè)诘厍蛏狭?xí)以為常的“藍(lán)天”是由陽(yáng)光在大氣層中的散射造成的，在沒(méi)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(yáng)高懸頭頂，天依然是黑的，依然可以看到滿(mǎn)天的星星。這是地球上沒(méi)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(guó)科幻作家阿西莫夫?qū)戇^(guò)一篇題為《幸運(yùn)之星與水星的大太陽(yáng)》的科幻小說(shuō)，其中給人印象很深的一個(gè)場(chǎng)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(jiàn)的景象，在水星上卻可以輕易看到，并且由于水星離太陽(yáng)很近，看到的日冕也大得多。        

        沒(méi)有大氣層的另一個(gè)后果，是沒(méi)有了大氣層對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用。這一點(diǎn)，加上“日”和“夜”的極為漫長(zhǎng)，使得水星上一“天”之中的溫差是太陽(yáng)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(jiǎn)直不值一提。具體地說(shuō)，水星上白天的最高溫度與水星離太陽(yáng)的距離有關(guān)，但哪怕在遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)也高達(dá)約280攝氏度（280°C），在近日點(diǎn)時(shí)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(gè)極端：降到零下180攝氏度（—180°C）左右。        

        很明顯，沒(méi)有足夠封閉而隔溫的設(shè)備，我們是萬(wàn)萬(wàn)不能在水星上逗留的。如此大起大落的溫度及沒(méi)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(guò)，在某些特殊區(qū)域里有可能存在所謂的“水冰”——即通常所說(shuō)的冰。比如以中國(guó)元代書(shū)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(jiàn)陽(yáng)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(cè)的支持（因?yàn)閷?duì)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(jì)，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(chǔ)數(shù)量的萬(wàn)分之一左右。        

        水星上的一“天”如此漫長(zhǎng)，“一日游”若不四處活動(dòng)一下將會(huì)是極度乏味的。那么，水星上的活動(dòng)空間有多大呢？還真不小。雖然自冥王星被降級(jí)之后，水星已是太陽(yáng)系中最小的行星，但它的直徑——如后文將會(huì)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(méi)有大氣層，大大小小的隕石都能撞擊到水星表面，而不會(huì)像在地球上那樣，較小的隕石在穿越大氣層時(shí)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(gè)被稱(chēng)為卡洛里盆地，直徑達(dá)1,550公里左右，面積比中國(guó)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(gè)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(duì)的水星表面另一側(cè)的所謂的“對(duì)跖點(diǎn)”處匯聚，對(duì)那里的地貌造成了巨大破壞。這種巨大撞擊對(duì)天體表面“對(duì)跖點(diǎn)”附近地貌造成破壞的現(xiàn)象被稱(chēng)為“對(duì)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(duì)跖點(diǎn)”具有特殊的不安全性。當(dāng)然，對(duì)于我們這些脆弱的地球生物來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)比那小得多的隕石撞擊就足以對(duì)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(méi)有大氣和液態(tài)水的環(huán)境里，隕石坑不會(huì)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(shí)地記錄了水星在悠長(zhǎng)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(shí)程度甚至使天文學(xué)家們能夠用隕石坑的密度來(lái)粗略地估計(jì)水星表面很多地貌的年齡：隕石坑密度較低的地貌相對(duì)年輕，隕石坑密度較高的地貌則相對(duì)古老。這種方法被稱(chēng)為“撞擊坑計(jì)數(shù)”，它對(duì)于估計(jì)像水星這樣尚未被探測(cè)器登陸過(guò)，從而沒(méi)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(dòng)的痕跡等等。不過(guò)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(zhǎng)夜，外加一掛就是幾個(gè)月之久的恐怖的大太陽(yáng)，這基本上就是水星“一日游”的核心內(nèi)容了。不過(guò)，對(duì)普通游客雖然乏味，但像水星這種在漫長(zhǎng)時(shí)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(duì)研究整個(gè)太陽(yáng)系的形成都有重要價(jià)值，這對(duì)天文學(xué)家們來(lái)說(shuō)是很有吸引力的。 

        （盧昌海的微博id是@盧昌海）