Der dem Leuchten- und dem kleinsten Planeten im Sonnensystem am nächsten liegende ist immer noch ein Rätsel. Wie die Erde und die vier Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun hat Merkur eine eigene Magnetosphäre. Nach Untersuchungen der MESSENGER-Station (MEccury Surface, Space Environment, GEochemistry) wurde die Natur dieser magnetischen Schicht klar. Die wichtigsten Ergebnisse der Mission sind bereits in Monographien und Lehrbüchern enthalten. Wie es einem kleinen Planeten gelang, die Magnetosphäre zu erhalten.
Damit ein Himmelskörper eine eigene Magnetosphäre hat, wird eine Magnetfeldquelle benötigt. Nach Ansicht der meisten Wissenschaftler wird hier der Dynamoeffekt ausgelöst. Im Fall der Erde sieht es so aus. In den Eingeweiden des Planeten befindet sich ein Metallkern mit einem festen Zentrum und einer flüssigen Hülle. Durch den Zerfall radioaktiver Elemente wird Wärme freigesetzt, die zur Bildung konvektiver Strömungen eines leitenden Fluids führt. Diese Ströme erzeugen das Magnetfeld des Planeten.
Das Feld interagiert mit den Sonnenwindströmen geladener Teilchen des Sterns. Dieses kosmische Plasma trägt sein eigenes Magnetfeld mit sich. Wenn das Magnetfeld des Planeten dem Druck der Sonnenstrahlung standhält, dh ihn in beträchtlicher Entfernung von der Oberfläche ablenkt, dann sagt man, dass der Planet eine eigene Magnetosphäre hat. Neben Merkur, Erde und den vier Gasriesen hat Ganymed, der größte Satellit des Jupiter, auch eine Magnetosphäre.
In den übrigen Planeten und Monden des Sonnensystems stößt der Sternwind praktisch auf keinen Widerstand. Dies geschieht zum Beispiel auf der Venus und höchstwahrscheinlich auf dem Mars. Die Natur des Erdmagnetfeldes gilt immer noch als das Hauptgeheimnis der Geophysik. Albert Einstein betrachtete es als eine der fünf wichtigsten Aufgaben der Wissenschaft.
Dies liegt an der Tatsache, dass die Geodynamo-Theorie zwar praktisch unbestritten ist, jedoch große Schwierigkeiten verursacht. Nach der klassischen Magnetohydrodynamik sollte der Dynamoeffekt abnehmen und der Kern des Planeten abkühlen und aushärten. Es gibt noch kein genaues Verständnis der Mechanismen, durch die die Erde den Effekt der Eigenerzeugung des Dynamos zusammen mit den beobachteten Merkmalen des Magnetfelds, hauptsächlich geomagnetischen Anomalien, Migration und Polumkehr, aufrechterhält.
Die Schwierigkeit einer quantitativen Beschreibung ist höchstwahrscheinlich auf die im Wesentlichen nichtlineare Natur des Problems zurückzuführen. Im Fall von Merkur ist das Dynamoproblem noch akuter als bei der Erde. Wie hat ein so kleiner Planet seine eigene Magnetosphäre bewahrt? Bedeutet dies, dass sich sein Kern noch in einem flüssigen Zustand befindet und genügend Wärme erzeugt? Oder gibt es spezielle Mechanismen, die es dem Himmelskörper ermöglichen, sich vor dem Sonnenwind zu schützen?
Quecksilber ist ungefähr 20 Mal leichter und kleiner als die Erde. Die durchschnittliche Dichte ist vergleichbar mit der der Erde. Das Jahr dauert 88 Tage, aber der Himmelskörper befindet sich nicht in Gezeitenerfassung mit der Sonne, sondern dreht sich mit einem Zeitraum von etwa 59 Tagen um seine eigene Achse. Quecksilber unterscheidet sich von anderen Planeten des Sonnensystems durch einen relativ großen Metallkern - er macht etwa 80 Prozent des Radius eines Himmelskörpers aus. Zum Vergleich: Der Erdkern nimmt nur etwa die Hälfte seines Radius ein.
Das Magnetfeld von Quecksilber wurde 1974 von der amerikanischen Station Mariner 10 entdeckt, die Ausbrüche energiereicher Partikel aufzeichnete. Das Magnetfeld des Himmelskörpers, das der Sonne am nächsten liegt, ist ungefähr hundertmal schwächer als das irdische, es würde vollständig in eine Kugel von der Größe der Erde passen und wird wie unser Planet von einem Dipol gebildet, dh es hat zwei Magnetpole, nicht vier, wie Gasriesen.
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Foto: Johns Hopkins University Labor für Angewandte Physik / Carnegie Institution of Washington / NASA
Die ersten Theorien zur Erklärung der Natur der Merkur-Magnetosphäre wurden in den 1970er Jahren vorgeschlagen. Die meisten basieren auf dem Dynamoeffekt. Diese Modelle wurden von 2011 bis 2015 verifiziert, als die MESSENGER-Station den Planeten untersuchte. Die vom Gerät erhaltenen Daten zeigten die ungewöhnliche Geometrie der Magnetosphäre von Quecksilber. Insbesondere in der Nähe des Planeten tritt die magnetische Wiederverbindung - die gegenseitige Umlagerung der intrinsischen und externen Kraftlinien des Magnetfelds - etwa zehnmal häufiger auf.
Dies führt zur Bildung vieler Hohlräume in der Magnetosphäre von Merkur, so dass der Sonnenwind die Oberfläche des Planeten nahezu ungehindert erreichen kann. Darüber hinaus entdeckte MESSENGER Remanenz in der Kruste eines Himmelskörpers. Mit diesen Daten haben Wissenschaftler die Untergrenze für das Durchschnittsalter des Quecksilbermagnetfelds auf 3,7 bis 3,9 Milliarden Jahre geschätzt. Dies bestätigt, wie die Wissenschaftler feststellten, die Gültigkeit des Dynamoeffekts für die Bildung des globalen Magnetfelds des Planeten sowie das Vorhandensein eines flüssigen äußeren Kerns darin.
In der Zwischenzeit bleibt die Frage nach der Struktur von Merkur offen. Es ist möglich, dass die äußere Schicht seines Kerns Metallflocken enthält - Eisenschnee. Diese Hypothese ist sehr beliebt, da die Erklärung der Quecksilber-eigenen Magnetosphäre durch denselben Dynamoeffekt niedrige Temperaturen und einen quasi festen (oder quasi flüssigen) Kern innerhalb des Planeten ermöglicht.
Foto: Carnegie Institution of Washington / JHUAPL / NASA
Es ist bekannt, dass die Kerne der terrestrischen Planeten hauptsächlich aus Eisen und Schwefel bestehen. Es ist auch bekannt, dass Schwefeleinschlüsse den Schmelzpunkt von Kernmaterial senken und es flüssig lassen. Dies bedeutet, dass weniger Wärme benötigt wird, um den Dynamoeffekt aufrechtzuerhalten, den Quecksilber bereits zu wenig erzeugt. Vor fast zehn Jahren haben Geophysiker in einer Reihe von Experimenten gezeigt, dass unter Hochdruckbedingungen Eisenschnee in Richtung Planetenmitte fallen kann und eine flüssige Mischung aus Eisen und Schwefel aus dem inneren Kern in diese Richtung aufsteigen kann. Dies kann einen Dynamoeffekt im Darm von Merkur erzeugen.
Die MESSENGER-Daten bestätigten diese Ergebnisse. Das an der Station installierte Spektrometer zeigte einen extrem geringen Gehalt an Eisen und anderen schweren Elementen in den Vulkangesteinen des Planeten. In der dünnen Schicht des Quecksilbermantels befindet sich fast kein Eisen, und es besteht hauptsächlich aus Silikaten. Das feste Zentrum macht etwa die Hälfte (etwa 900 Kilometer) des Radius des Kerns aus, der Rest wird von der geschmolzenen Schicht eingenommen. Zwischen ihnen befindet sich höchstwahrscheinlich eine Schicht, in der sich Metallflocken von oben nach unten bewegen. Die Dichte des Kerns ist etwa doppelt so hoch wie die des Mantels und wird auf sieben Tonnen pro Kubikmeter geschätzt. Wissenschaftler glauben, dass Schwefel etwa 4,5 Prozent der Masse des Kerns ausmacht.
MESSENGER entdeckte zahlreiche Falten, Biegungen und Fehler auf der Oberfläche von Merkur, die es ermöglichen, einen eindeutigen Schluss über die tektonische Aktivität des Planeten in der jüngeren Vergangenheit zu ziehen. Die Struktur der äußeren Kruste und die Tektonik sind laut Wissenschaftlern mit den Prozessen verbunden, die im Darm des Planeten stattfinden. MESSENGER zeigte, dass das Magnetfeld des Planeten auf der Nordhalbkugel stärker ist als auf der Südhalbkugel. Gemessen an der von der Apparatur erstellten Schwerkraftkarte ist die Dicke der Kruste in der Nähe des Äquators im Durchschnitt 50 Kilometer höher als am Pol. Dies bedeutet, dass der Silikatmantel in den nördlichen Breiten des Planeten stärker erwärmt wird als in seinem äquatorialen Teil. Diese Daten stimmen hervorragend mit der Entdeckung relativ junger Fallen in nördlichen Breiten überein. Obwohl die vulkanische Aktivität auf Quecksilber vor etwa 3,5 Milliarden Jahren aufgehört hat, ist das aktuelle Bild der Wärmediffusion im Erdmantel weitgehendhöchstwahrscheinlich bestimmt durch ihre Vergangenheit.
Insbesondere können in den Schichten neben dem Kern des Planeten noch konvektive Strömungen existieren. Dann ist die Temperatur des Mantels unter dem Nordpol des Planeten 100-200 Grad Celsius höher als unter den äquatorialen Regionen des Planeten. Darüber hinaus entdeckte MESSENGER, dass das Restmagnetfeld eines Abschnitts der Nordkruste relativ zum globalen Magnetfeld des Planeten in die entgegengesetzte Richtung gerichtet ist. Dies bedeutet, dass in der Vergangenheit mindestens einmal eine Inversion an Quecksilber aufgetreten ist - eine Änderung der Polarität des Magnetfelds.
Nur zwei Stationen haben Merkur im Detail erkundet - Mariner 10 und MESSENGER. Und dieser Planet ist vor allem wegen seines eigenen Magnetfeldes für die Wissenschaft von großem Interesse. Indem wir die Natur seiner Magnetosphäre erklären, können wir dies mit ziemlicher Sicherheit für die Erde tun. Im Jahr 2018 planen Japan und die EU, eine dritte Mission an Merkur zu senden. Zwei Stationen werden fliegen. Zunächst erstellt MPO (Mercury Planet Orbiter) eine Karte mit mehreren Wellenlängen der Oberfläche eines Himmelskörpers. Das zweite, ein MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter), wird die Magnetosphäre erforschen. Es wird lange dauern, bis die ersten Ergebnisse der Mission vorliegen - selbst wenn der Start im Jahr 2018 erfolgt, wird das Ziel der Station erst im Jahr 2025 erreicht.
Juri Suchow
