太陽系/水星

水星是最小的行星，也是離太陽最近的行星。它的直徑僅為 4879.4 公里（地球的 38%），比太陽系中最大的兩顆行星衛星——木星的木衛三和土星的土衛六還要小。水星沒有衛星。水星和金星是唯一兩顆赤道半徑和極半徑相同的行星：它沒有扁率。水星是四顆類地行星（擁有固體表面的行星）之一。如果你站在水星上，你的體重只有在地球上的 38%。

軌道

水星繞太陽執行一週需要 87.97 個地球日，軌道偏心率為 0.21——遠大於其他任何行星。由於這種偏心率，該行星在近日點（最靠近太陽的點）附近移動的速度明顯快於遠日點（最遠離太陽的點）附近。水星與太陽之間的距離在其橢圓軌道上變化，近日點為 0.31 AU（地球-太陽距離），遠日點為 0.47 AU，整個軌道的平均距離為 0.39 AU。

自轉

水星是唯一一顆幾乎沒有軸傾角的行星——它的傾角為 0.00°。它相對於遙遠恆星以順行方向（其繞太陽軌道的方向）繞其軸自轉一週需要 58.65 個地球日。由於其軌道週期與其自轉週期沒有顯著差異（幾乎正好是 1.5 倍），水星是唯一一顆太陽日（從正午到正午）持續時間超過一個當地年的行星——具體來說，一個太陽日幾乎恰好持續兩個太陽軌道。此外，高度橢圓的軌道導致行星在軌道執行過程中加速和減速，再加上自轉週期和軌道週期的相似性，導致當行星靠近近日點時，太陽在天空中的方向暫時逆轉。這是因為在近日點附近，行星繞太陽執行的速度實際上快於其自轉速度。水星是唯一一顆發生這種情況的行星，在該行星的某些地方（近日點發生在日出時），太陽暫時升起（在東方），然後逆轉方向並在東方暫時落下，然後最終升起，而在其他地方（近日點發生在日落時），太陽暫時落下（在西方），然後逆轉方向並在西方暫時升起，然後最終落下。

大氣

水星的平均表面溫度為 442.5 K，[3] 但由於沒有大氣和赤道與兩極之間存在陡峭的溫度梯度，其溫度範圍在 100 K 到 700 K 之間。[44] 在近日點，日照點溫度達到約 700 K，然後在遠日點下降到 550 K。[45] 在行星的黑暗面，平均溫度為 110 K。[46] 水星表面上的陽光強度介於太陽常數（1,370 W·m−2）的 4.59 倍和 10.61 倍之間。[47]

儘管水星表面的溫度通常極高，但觀測結果強烈表明水星的兩極存在冰。兩極深坑的底部永遠不會暴露在陽光直射下，那裡的溫度保持在 102 K 以下；遠低於全球平均水平。[48] 水冰能強烈反射雷達，20 世紀 90 年代初，70 米金石天文臺和 VLA 的觀測結果表明，兩極附近存在一些雷達反射率很高的斑塊。[49] 雖然冰不是這些反射區域的唯一可能原因，但天文學家認為這是最有可能的原因。[50]

據信這些冰層區域含有約 1014–1015 千克的冰，[51] 並且可能覆蓋著一層可以抑制昇華的 regolith。[52] 相比之下，地球上的南極冰蓋的質量約為 4 × 1018 千克，火星的南極冰蓋含有約 1016 千克的水。[51] 水星上冰的來源尚不清楚，但最有可能的兩個來源是行星內部的水汽釋放或彗星撞擊沉積。[51]

水星太小了，它的引力無法長期留住任何重要的大氣；然而，它確實有一個“稀薄的表面限定外逸層”，[53] 包含氫、氦、氧、鈉、鈣、鉀等。這個外逸層不穩定——原子不斷地從各種來源丟失和補充。氫和氦原子可能來自太陽風，它們擴散到水星的磁層中，然後再次逃逸到太空中。水星地殼中元素的放射性衰變是氦、鈉和鉀的另一個來源。信使號探測器發現了高比例的鈣、氦、氫氧根、鎂、氧、鉀、矽和鈉。存在水蒸氣，由以下幾種過程釋放：彗星撞擊其表面，濺射使太陽風中的氫與岩石中的氧結合形成水，以及永久陰影極地隕石坑中的水冰儲層昇華。檢測到大量的水相關離子，如 O+、OH- 和 H2O+，是一個驚喜。[54][55] 由於在水星太空環境中檢測到的這些離子的數量，科學家推測這些分子是被太陽風從表面或外逸層中吹出來的。[56][57]

鈉、鉀和鈣在大氣中是在 1980-1990 年代發現的，據信主要是由於微隕石撞擊表面岩石而蒸發。[58] 2008 年，信使號探測器發現了鎂。[59] 研究表明，有時，鈉排放集中在與行星磁極相對應的點上。這表明磁層與行星表面之間存在相互作用。[60]

內部結構

水星是太陽系中四顆類地行星之一，它是一個像地球一樣的岩石天體。它是太陽系中最小的行星，赤道半徑為 2,439.7 公里。[3] 水星甚至比太陽系中最大的天然衛星木衛三和土衛六還要小——儘管質量更大。水星約由 70% 的金屬和 30% 的矽酸鹽物質組成。[14] 水星的密度是太陽系中第二高的，為 5.427 g/cm³，僅略低於地球的密度 5.515 g/cm³。[3] 如果考慮到引力壓縮的影響，水星的構成物質密度會更高，未壓縮密度為 5.3 g/cm³，而地球的密度為 4.4 g/cm³。[15]

水星的密度可以用來推斷其內部結構的細節。雖然地球的高密度主要來自引力壓縮，特別是在地核處，但水星要小得多，其內部區域的壓縮程度遠不及地球。因此，為了獲得如此高的密度，它的地核必須很大且富含鐵。[16]

地殼——厚度 100-300 公里
地幔——厚度 600 公里
地核——半徑 1,800 公里

地質學家估計，水星的地核佔據了其體積的約 42%；對於地球來說，這一比例為 17%。最近的研究強烈表明水星有一個熔融地核。[17][18] 地核周圍是 500-700 公里厚的地幔，由矽酸鹽組成。[19][20] 根據水手 10 號任務和地球觀測資料，水星的地殼被認為厚度為 100-300 公里。[21] 水星表面的一大特點是存在著許多狹窄的山脊，這些山脊可以延伸數百公里。據信，這些山脊是在水星的地核和地幔冷卻和收縮時形成的，當時地殼已經固化。[22]

水星的地核的鐵含量高於太陽系中任何其他主要行星的地核，為了解釋這一點，已經提出了幾種理論。最被廣泛接受的理論是，水星最初的金屬-矽酸鹽比例與常見的球粒隕石相似，球粒隕石被認為是太陽系岩石物質的典型代表，其質量大約是其目前質量的 2.25 倍。[23] 然而，在太陽系的早期歷史中，水星可能被一顆質量約為其 1/6，跨度數百公里的微行星撞擊。[23] 撞擊可能剝奪了大部分原始地殼和地幔，留下了地核作為相對主要的組成部分。[23] 類似的過程已經被提出來解釋地球月球的形成（參見巨大撞擊理論）。[23]

或者，水星可能是在太陽能量輸出穩定之前從太陽星雲中形成的。這顆行星最初的質量可能是現在質量的兩倍，但隨著原太陽收縮，水星附近的溫度可能在 2,500 到 3,500 K 之間（攝氏溫度約低 273 度），甚至可能高達 10,000 K。[24] 在如此高的溫度下，水星表面上的大部分岩石可能蒸發，形成“岩石蒸汽”大氣，這些蒸汽可能被太陽風帶走。[24]

第三種假設提出，太陽星雲對水星積聚的粒子造成了阻力，這意味著較輕的粒子從積聚的物質中丟失了。[25] 每個假設都預測了不同的表面成分，即將進行的兩項太空任務，信使號和貝皮科倫坡號，都旨在進行觀測以檢驗這些假設。[26][27]

表面

水星兩極地區的謎團

水星的明亮斑塊和黑暗區域

溫度

水手10號的“帆力”

第一個訪問水星的航天器是美國宇航局的水手10號（1974-75）。[12]該航天器利用金星的重力調整其軌道速度，使其能夠接近水星，這使其成為第一個使用這種重力“彈弓”效應的航天器，也是第一個訪問多個行星的美國宇航局任務。[120]水手10號提供了水星表面第一張特寫影像，這些影像立即顯示了其佈滿隕石坑的性質，並揭示了許多其他型別的地質特徵，例如巨大的懸崖，後來被認為是行星在鐵核冷卻時略微收縮的影響。[123]不幸的是，由於水手10號軌道週期的長度，每次水手10號近距離飛掠時，行星的同一側都被照亮。這使得對行星兩側的觀測成為不可能，[124]並導致僅繪製了不到45%的行星表面。[125]

1974年3月27日，在水手10號首次飛掠水星前兩天，該航天器的儀器開始在水星附近記錄大量意想不到的紫外輻射。這導致了對水星衛星的初步識別。不久之後，過量紫外輻射的來源被確定為31 Crateris星，而水星衛星則作為腳註被載入了天文學史冊。

該航天器三次近距離飛掠水星，最近一次距離地表327公里。[126]在第一次近距離飛掠時，儀器探測到一個磁場，這令行星地質學家大吃一驚——水星的自轉速度預計過慢，無法產生明顯的動力效應。第二次近距離飛掠主要用於成像，但在第三次飛掠中，獲得了大量磁場資料。資料顯示，這顆行星的磁場與地球的磁場非常相似，它可以使太陽風繞過行星。然而，水星磁場的起源仍然是幾種競爭理論的主題。[127]

1975年3月24日，在最後一次近距離飛掠後的僅僅八天，水手10號燃料耗盡。由於無法再準確控制其軌道，任務控制人員指示探測器關閉。[128]水手10號據信仍在圍繞太陽執行，每隔幾個月就會經過水星附近。[129]