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第8章 快速转动的水星

水星是最靠近太阳的行星,它与太阳的角度从不超过28度,中国古代称其为辰星。古时候西方人以为水星是两颗行星,他们在暮色中见到它时,称它为墨丘利;在晨曦中见到它时,称它为阿波罗,后来人们知道墨丘利和阿波罗是同一颗星,就称其为墨丘利,它是罗马神话中传递信息的使者。

八大行星中最靠近太阳的行星是水星,同其他行星类似,水星会围绕太阳公转,其公转轨道半径为5791万千米,直径为4880千米,在八大行星中是最小的,比气体行星的较大卫星如木卫三和土卫六还小许多。水星的质量却比它们大许多,其质量为3.3×1025千克。水星的公转轨道偏心率很高,它的近日点距太阳只有4600万千米,但远日点却有7000万千米。19世纪,天文学家们测量出水星的公转数据,但是这个数据却与牛顿运动定律存在差距,这个差距在数十年间仍然无法解释,有些人认为可能有未知的行星影响了水星的轨道。直到爱因斯坦的一般相对论产生,这个谜题才被解开,它可谓是对水星轨道的完美解释。

水星的转动速度非常快

长久以来,人们习惯在地面上观测水星,但是这几乎看不到它的任何细节。1973年11月3日,美国发射“水手10”号宇宙飞船,对水星进行近距离探测,它与水星进行了3次相会,向地面发回了5000多张照片。最后一次时,它距水星表面仅372千米,因而得到了非常清晰的水星电视图像。天文学家惊奇地发现,水星表面和月球表面极为相似,那里有星罗棋布的环形山,其总数超过了1000座,它们比月亮上的环形山的坡度平缓许多,除此之外,还拥有高山、平原、悬崖和峭壁等。1976年,国际天文学会聘请专家和学者为环形山命名,第一批环形山的名字于1987年正式公布,其中有15座环形山用了中国人的名字,中国现代文学巨匠鲁迅外以及中国古代文学家和艺术家名列其中。

在1962年以前,人们认为水星的一天和一年等长,如此真是这样的话,水星便会如同月球对地球,始终以同样的面貌向着太阳。1965年,都卜勒雷达对水星进行观测,得出了其自转速度,以前的猜想被推翻:水星每公转两周会自转三圈。太阳系已知星体中,水星是仅有不以1∶1的方式达到公转/自转共振状态的行星,正是由于这种特别的现象,再加上水星非常椭圆的公转轨道,造就了水星表面奇妙的现象:在某些经度会看到太阳升起,然后再慢慢升到天顶,太阳此时看起来越来越清晰;当太阳正式到达天顶,它会就此停下来,然后倒退再停下来,然后恢复前进直到落下,太阳此时看起来越来越小。在其他地方观测的情况虽然有所不同,但是还是让人感觉非常奇妙。

水星的一部分

在对水星的表面进行观察时,科学家们注意到其表面分布着扇形峭壁,其高度为1~2千米,长几百千米,我们称其为“舌状悬崖”。如果不是受过专门训练,或者是分析照片时不仔细,是不会注意到悬崖的存在的。科学家们认为,这些悬崖是水星的巨大内核在变冷和收缩时,其外壳形成的巨大皱褶。在水星南纬20度西经20度附近,还存在着地形独特的区域,在这里的环形山之间分布着许多小山丘。山丘宽5~10千米,高0.5~1.5千米,最引人注目的是直径为170千米的大环形山,环内空地非常平坦,其西北走向有直径为80千米的平底环形山。西北走向的峡谷沟通这两座环形山,峡谷长100多千米,宽7千米。峡谷是由阿霍西博天文台通过巨型射电天文望远镜观测到的,科学家们把它命名为“阿雷西博峡谷”。

水星是密度极高的星球,其平均密度比月球高出许多,它在八大行星中的密度仅次于地球排名第二。科学家们通过研究发现,地球的高密度是由重力压密效果造成的,如果不是这样的话,水星的密度极有可能超过地球的密度。水星具有高密度的铁质核心,它们是水星的重要组成部分,其外壳是很薄的岩石外壳,经过推算,水星的铁质核心半径为1800~1900千米,其岩石外壳厚度仅为500~600千米,其中有些铁质核心可能是液态,这些是造成水星密度较高的原因。

水星上山脊的地表

水星在围绕太阳公转时,其公转轨道的平均运动速度是48千米每秒,是太阳系中运动速度最快的行星,它绕太阳运行一周只需88天。水星离太阳的平均距离为5790万千米,绕太阳公转轨道的偏心率为0.206,所以运行轨道很扁,在太阳系所有天体中是最扁的。除围绕太阳公转之外,水星本身也在自转,以前人们普遍认为水星的自转周期与公转周期相等,同样花费88天的时间。1965年,美国天文学家们在波多黎各阿雷西博天文台,用当时世界上最大的射电望远镜,对水星的自转周期进行测量,发现答案并不是88天,而是58.646天,与水星公转周期的2/3相等。

在公转的过程中,水星存在进动现象,这与其他行星相类似。由于水星距离太阳最近,进动比其他行星都更为明显,所以科学家们对此表示强烈的关注。通过观察发现,水星近日点每百年进动5600.7角秒,但是按牛顿万有引力定律计算,水星近日点每百年进动只有5557.6角秒,两者每百年相差约43角秒,这是由什么原因造成的呢?科学家们对此进行了很多猜想,有人认为是未知行星影响了水星的运行,并且还将这颗未知行星命名为“火神星”,但是自此以后的百年间,“火神星”仍然不见踪影,水星近日点的反常进动成了令人困惑的问题,爱因斯坦的一般相对论解决了这个问题。

磁场强度的单位是“高斯”,地球表面赤道上的磁场强度为0.29~0.40高斯,两极处的强度略大些,地磁北极约0.61高斯,南极约0.68高斯;水星赤道上的磁场强度约0.004高斯,两极处的强度略大些,约0.007高斯。把地球和水星的磁场强度比较之后,得知水星的磁场强度大致是地球的1%,这个数字不能说是很高。与木星和土星相比,水星的磁场强度也显得很低,但是除地球、木星和土星之外,在太阳系的其余行星中,水星还可称得上是有较强磁场的行星。

水星凌日示意图

在太阳风的作用下,水星的磁场被局限在某个范围内,这个范围就是所谓的磁层,太阳风基本上不可能进入到磁层里面。水星和地球都有磁层,水星磁层是冲着太阳那面的边界,磁层顶部到水星中心的距离,大致相当于1.45个水星半径,地球磁层顶到地球中心的距离约11个地球半径。地球磁层极其不对称,看起来如同头大尾小的鲸鱼,但是水星的磁层比较对称,这是它们存在的最明显的差别。

水星并不是发光星球,它拥有的光辉全部来自太阳光。我们由此得知,除非水星拥有大气,否则它的光谱肯定会和太阳光谱完全相同。如果水星拥有大气,太阳光穿过其大气层后,会形成水星的表面反射,反射光借助大气进入我们的望远镜中。水星大气层的作用与低压冷气团的作用相同,所以在太阳光谱中会产生新的吸收线,这些新吸收谱线的波长会反映出水星大气的化学性质,我们由此推测,水星中可能存在大气。

在太阳系的八大行星中,最先观测到的是金、木、水、火、土5颗行星,古人将它们合称为五纬。这5颗行星在天空上,如同纬线由东向西穿梭行进,所以人们称其为五纬,也有人称其为五曜。战国时期,我国出现了五星之说,此五星分别指辰星、太白、荧感、岁星、镇星,这也是古代对这5颗星的称谓。把这5颗星分别命名为金、木、水、火、土,是把地上的5个原素配上天上的5颗行星产生的。

金星有明星、大嚣、太白之称,它是天空中除了太阳和月亮外,看起来最亮的天体。黎明时见于东方的金星是启明,黄昏时见于西方的金星是长庚。古人不知道它们是同一颗星,而认为启明与长庚是两颗星,所以给它起了两个名字。

木星古称岁星,甲骨文中的岁字即指岁星。古人关注五星,尤其关注木星。因为木星和太阳活动周期相近,所以人们根据木星的运行周期来安排农事。每隔十二年,木星绕天1周,每年居12次的1次,故名岁星,岁星所在的次名是纪年的标准。

水星古称辰星,它看上去总是在太阳两边摆动,离开太阳最远不超过30度。我国古代把1周天分为12辰,每辰约30度,所以水星有辰星之称。

火星古称荧惑,这是因为它特别明亮,看起来如同荧荧燃烧的火苗。火星在天上的视运动,时而由西往东运行,时而由东往西走动,看起来很让人费解,所以称其为荧惑。很多古书曾经描述过火星,上面的记载大都提到了火,这里的火指的是恒星中的大火,也就是心宿的意思。

土星有镇星之称,它每隔二十八年绕天1周,每年进入28宿中的1宿,叫岁镇一宿,好像轮流坐着28宿一样,所以人们称其为镇星,有时候也叫做填星,这根据各个地方的风俗习惯来定。

1楼昵称:简单美

水星上有水和大气的存在吗?

2楼昵称:凡人无忧

受到太阳强大的引力作用,水星围绕太阳飞速旋转。水星的公转周期等于地球的88天,它的自转周期是58.646天。水星和太阳的位置与月球和地球相同,它永远是一面朝着太阳,一面背着太阳。水星朝着太阳的一面温度高达400℃,甚至有时超过了400℃,如果水星上有水,也会在高温下化成蒸气;背着太阳的一面温度非常低,即使有水也可能结成了固态的冰。

3楼昵称:回忆录

水星是太阳系最小的行星,本身的引力就小,很难保住周围的大气,就算非常久远之前曾有过大气存在,但经历漫长的岁月后,也会一点一点散发掉。

4楼昵称:幻想天亮

人们认为水星上全部是水,其实不然,水星和水是完全不同的。在西方,人们通常用希腊神话中的人物来给行星命名的。古希腊人看到水星的运行速度快,绕太阳的公转时间最少,所以把希腊神话中跑得最快的信使墨丘利的名字作为水星的名字。

水星凌日是这样一种现象:当水星走到太阳和地球之间时,我们在太阳圆面上会看到小黑点穿过。德国天文学家开普勒是第一个预告水星凌日的人,他同时也是“行星运动三大定律”。1629年,开普勒预言在1631年11月7日会发生罕见的天象,也就是我们现在所说的水星凌日。法国天文学家加桑迪在巴黎亲眼目睹了这一奇观,他看到了在日面上由东向西徐徐移动的小黑点。1631年—2003年,共有50次水星凌日发生,其中有35次发生在11月,15次发生在5月,水星凌日发生的频率为13.4次每一百年。

水星凌日与日食发生的原理相同,水星的绕日运行轨道和地球的有所不同,它们之间存在7度的倾角,因此只有水星和地球的轨道相同,日水地三者排成一条直线时,才会有水星凌日发生。每年5月8日前后,地球经过水星轨道的降交点;每年11月10日前后,地球经过水星轨道的升交点,只有在这两个日期前后才会发生水星凌日。由于水星离地球较远,它的个子也比较小,从地球上看其大小只有10个角秒,是太阳视大小的1/180,所以看起来并不壮观,有时还不如较大的黑子,所以观察起来有点困难。

望远镜是观察水星凌日的必备工具,它与观察太阳黑子的方法相似,通常可以使用两种方法:一是投影法,即通过望远镜把太阳投影到白纸上,然后对其进行观察。二是目视法,在望远镜的物镜装上滤光镜,再进行观察。在观察水星凌日时要注意,千万不要用肉眼直接看太阳,否则眼睛会受到损伤。

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