Nejblíže světlu a nejmenší planetě ve sluneční soustavě je stále tajemství. Stejně jako Země a čtyři plynové obři - Jupiter, Saturn, Uran a Neptun, má Merkur svou vlastní magnetosféru. Po prozkoumání stanice MESSENGER (MErcury Surface, Space Environment, GEochemistry) začala být povaha této magnetické vrstvy jasnější. Hlavní výsledky mise jsou již zahrnuty v monografiích a učebnicích. Jak se malé planetě podařilo zachovat magnetosféru.
Má-li nebeské tělo vlastní magnetosféru, je zapotřebí zdroj magnetického pole. Podle většiny vědců se zde vyvolává dynamo efekt. V případě Země to vypadá takto. V útrobách planety je kovové jádro s pevným středem a tekutým pláštěm. V důsledku rozkladu radioaktivních prvků se uvolňuje teplo, což vede ke vzniku konvekčních toků vodivé tekutiny. Tyto proudy vytvářejí magnetické pole planety.
Pole interaguje se slunečním větrem - proudy nabitých částic z hvězdy. Tato kosmická plazma s sebou nese své vlastní magnetické pole. Pokud magnetické pole planety vydrží tlak slunečního záření, to znamená, odkloní jej ve značné vzdálenosti od povrchu, pak říkají, že planeta má svou vlastní magnetosféru. Kromě Merkuru, Země a čtyř plynových obrů, Ganymede, největší satelit Jupiteru, má také magnetosféru.
Ve zbytku planet a měsíců sluneční soustavy se hvězdný vítr prakticky nestane odporem. To se děje například na Venuši a nejpravděpodobněji na Marsu. Povaha zemského magnetického pole je stále považována za hlavní tajemství geofyziky. Albert Einstein to považoval za jeden z pěti nejdůležitějších úkolů vědy.
Důvodem je skutečnost, že ačkoli je teorie geodynamiky prakticky nesporná, způsobuje to velké potíže. Podle klasické magnetohydrodynamiky by se dynamo efekt měl rozpadnout a jádro planety by se mělo ochladit a ztvrdnout. Stále neexistuje přesné chápání mechanismů, díky nimž Země udržuje účinek sebe-generování dynama spolu s pozorovanými vlastnostmi magnetického pole, zejména geomagnetických anomálií, migrace a obrácení pólu.
Obtížnost kvantitativního popisu je s největší pravděpodobností způsobena v podstatě nelineární povahou problému. V případě Merkuru je problém s dynamem ještě naléhavější než u Země. Jak si tak malá planeta udržovala svou vlastní magnetosféru? Znamená to, že její jádro je stále v kapalném stavu a vytváří dostatečné množství tepla? Nebo existují nějaké speciální mechanismy, které umožňují nebeskému tělu chránit se před slunečním větrem?
Rtuť je asi 20krát lehčí a menší než Země. Průměrná hustota je srovnatelná s hustotou Země. Rok trvá 88 dní, ale nebeské tělo není v přílivu Slunce, ale rotuje kolem své vlastní osy s dobou asi 59 dnů. Rtuť se od ostatních planet sluneční soustavy odlišuje relativně velkým kovovým jádrem - představuje asi 80 procent poloměru nebeského těla. Pro srovnání, jádro Země zabírá pouze asi polovinu svého poloměru.
Magnetické pole Merkuru bylo objeveno v roce 1974 americkou stanicí Mariner 10, která zaznamenala výbuchy vysokoenergetických částic. Magnetické pole nebeského tělesa nejblíže ke Slunci je asi stokrát slabší než pozemské, zapadalo by úplně do koule velikosti Země a jako naše planeta je tvořeno dipólem, to znamená, že má dva magnetické póly, ne čtyři, jako plynové obry.
Propagační video:
Foto: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington / NASA
První teorie vysvětlující podstatu Merkurovy magnetosféry byly navrženy v 70. letech 20. století. Většina z nich je založena na dynamo efektu. Tyto modely byly ověřeny od roku 2011 do roku 2015, kdy stanice MESSENGER studovala planetu. Data získaná ze zařízení odhalila neobvyklou geometrii magnetosféry Merkuru. Zejména v blízkosti planety dochází k magnetickému opětovnému spojení - vzájemnému přeskupení vnitřní a vnější linie síly magnetického pole - asi desetkrát častěji.
To vede k vytváření mnoha dutin v magnetosféře Merkuru, což umožňuje slunečnímu větru dosáhnout téměř neomezeného povrchu planety. Kromě toho MESSENGER objevil remanenci v kůře nebeského těla. Na základě těchto údajů vědci odhadli spodní hranici průměrného věku magnetického pole Merkuru na 3,7 až 3,9 miliardy let. To, jak vědci poznamenali, potvrzuje platnost dynamického efektu pro tvorbu globálního magnetického pole planety, jakož i přítomnost kapalného vnějšího jádra v něm.
Mezitím zůstává otázka struktury rtuti otevřená. Je možné, že vnější vrstva jádra obsahuje kovové vločky - železný sníh. Tato hypotéza je velmi populární, protože vysvětluje Merkurovu vlastní magnetosféru stejným dynamo efektem, umožňuje nízké teploty a kvazi-pevné (nebo kvazikapalné) jádro uvnitř planety.
Foto: Carnegie Institution of Washington / JHUAPL / NASA
Je známo, že jádra pozemských planet jsou tvořena hlavně železem a sírou. Je také známo, že inkluze síry snižují teplotu tání jádrové hmoty a ponechávají kapalinu. To znamená, že k udržení dynamického efektu je zapotřebí méně tepla, které Merkur již produkuje příliš málo. Téměř před deseti lety geofyzici, kteří prováděli řadu experimentů, prokázali, že ve vysokotlakých podmínkách může železný sníh padat směrem do středu planety a tekutá směs železa a síry může k němu stoupat z vnitřního jádra. To může vytvořit dynamický efekt ve střevech Merkuru.
Data MESSENGER tato zjištění potvrdila. Spektrometr instalovaný na stanici vykazoval extrémně nízký obsah železa a dalších těžkých prvků v vulkanických horninách planety. V tenké vrstvě rtuťového pláště není téměř žádné železo a je tvořeno hlavně silikáty. Pevné centrum tvoří asi polovinu (asi 900 kilometrů) poloměru jádra, zbytek je obsazen roztavenou vrstvou. Mezi nimi je s největší pravděpodobností vrstva, ve které se kovové vločky pohybují shora dolů. Hustota jádra je asi dvojnásobná oproti hustotě pláště a odhaduje se na sedm tun na metr krychlový. Vědci se domnívají, že síra představuje asi 4,5 procent hmotnosti jádra.
MESSENGER objevil na povrchu Merkuru četné záhyby, ohyby a chyby, což umožňuje vyvozovat jednoznačný závěr o tektonické aktivitě planety v nedávné minulosti. Struktura vnější kůry a tektonika jsou podle vědců spojeny s procesy probíhajícími ve střevech planety. MESSENGER ukázal, že magnetické pole planety je silnější na severní polokouli než na jihu. Podle gravitační mapy sestavené přístrojem je tloušťka kůry v blízkosti rovníku v průměru o 50 km vyšší než na pólu. To znamená, že křemičitanový plášť v severních šířkách planety je zahříván silněji než v jeho rovníkové části. Tato data jsou ve vynikající shodě s objevem relativně mladých pastí v severních šířkách. Přestože vulkanická aktivita na Merkuru přestala asi před 3,5 miliardami let, současný obraz tepelné difúze v plášti planety je do značné mírys největší pravděpodobností určeno její minulostí.
Zejména konvekční proudy mohou stále existovat ve vrstvách sousedících s jádrem planety. Potom bude teplota pláště pod severním pólem planety o 100-200 stupňů Celsia vyšší než v rovníkových oblastech planety. Navíc MESSENGER zjistil, že zbytkové magnetické pole jedné ze sekcí severní kůry je směrováno v opačném směru vzhledem k globálnímu magnetickému poli planety. To znamená, že v minulosti došlo k inverzi na Merkuru alespoň jednou - ke změně polarity magnetického pole.
Merkur podrobně prozkoumaly pouze dvě stanice - Mariner 10 a MESSENGER. A tato planeta, především kvůli svému vlastnímu magnetickému poli, je velkým zájmem o vědu. Vysvětlením povahy jeho magnetosféry to můžeme téměř jistě udělat pro Zemi. V roce 2018 plánují Japonsko a EU vyslat na Merkur třetí misi. Budou létat dvě stanice. Nejprve MPO (Mercury Planet Orbiter) sestaví mapu s více vlnovými délkami na povrchu nebeského těla. Druhý, MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter), prozkoumá magnetosféru. Čekání na první výsledky mise bude trvat dlouho - i když k zahájení dojde v roce 2018, cíl stanice bude dosažen teprve v roce 2025.
Yuri Sukhov