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2018-06-15 新研究發現水星地殼比先前認為的還要薄

 
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The United States Geologic Survey released this topographic map of Mercury in 2016. The highest elevations are colored red, and the lowest elevations are colored dark blue.  美國亞利桑納大學(University of Arizona)月球與行星實驗室(Lunar and Planetary Laboratory,LPL)行星科學家Michael Sori利用數值模擬計算方式,重新估計了水星地殼密度,結果發現水星地殼的厚度比之前認為的還要薄。

  水星是太陽系八大行星中最小、最靠近太陽的一顆,且是顆與地球類似的岩質行星。到目前為止,只有一顆探測器—信使號(MESSENGER,Mercury Surface, Space Environment and Geochemistry Ranging,水星地表、太空環境與地質化學廣泛探索衛星)曾環繞其運行並進行探測研究。這個任務已於2015年結束,當時的行星科學家利用MESSENGER探測資料估算出的水星地殼厚度約為35公里,但Sori不太認同這個結果。

  Sori利用LPL同僚Isamu Matsuyama和加州大學柏克萊分校Douglas Hemingway等人最近發展完成的數學公式重新估算水星地殼厚度,得出水星地殼僅約25~26公里厚,且密度比鋁(aluminum)還要大的結論(鋁的密度在室溫下約為2.70 g·cm^−3)。這個結果可支持水星地殼絕大部分是經由火山活動所形成的這個理論。若能知道水星地殼如何形成,可以幫助科學家們進一步瞭解這個有著各類奇怪結構的行星是如何形成的。

  水星的地核佔了總體積的60%,相對於直徑的比例是類地行星中最大的;相較之下,地球地核僅佔了約15%的地球總體積。因此科學家們一直很疑惑:為什麼水星地核會這麼大?Sori表示:或許他原本初形成的時候是「正常的」,地核比例與地球相差無幾,但後來大量地殼和地函在一次次劇烈撞擊後被拽走;也可能是因為在太陽系早期,水星形成過程中因太靠近太陽,被太陽風吹走大量表面岩石,最後才使得核心相對於總體積比例偏大。不過這些都是猜測,迄今仍無定論。Sori等人的工作或許可以為這個課題指引出正確方向。


水星的神秘岩石

  當行星和月球誕生時,地殼(crust)是從地函(mantle)分出形成的。一顆行星的地殼體積,代表著這顆行星的地函有多少比例的物質轉換為固態岩石。

  在Sori等人的研究之前,對於水星地殼厚度的估計結果,讓科學家們認為應該有11%的原地函物質轉變成地殼裡的岩石;而對月球而言,這個數值更低,接近7%。不過水星和月球的形成過程並不相同,所以這個比例有差異並不奇怪。

  月函尚處在熔融狀態時,比重較輕的物質上浮、較重的物質下沈。頂端比重輕的物質逐漸冷卻硬化而形成漂浮在月函這片岩漿海上的月殼。而水星表面是被無數載的火山噴發物質覆蓋而形成的岩漿殼(magmatic crust)。

  對於為何水星地函轉地殼的比例多於月球的狀況一直未解。而Sori等人的研究重新估算水星地殼厚度和密度之後,發現水星地函轉換成岩石地殼的比例也在7%左右,和月球相去無幾,也因此得以讓這個未解之謎「結案」。


測定水星地殼密度和厚度

  行星天體最自然的形狀就是平滑球體,球體表面的所有點到行星核心的距離都相同。「地殼均衡(Isostasy)」理論可以描述高山、坑谷和陵巒是如何造成,並且不會移平為平原。基本上,地殼均衡有兩種類型:普拉特均衡說(Pratt)和艾里均衡說(Airy)。這兩種理論假說都將行星視為一片片大小相同的切片所組成的球體,並著重探討各個行星切片的質量平衡上。如果其中一個切片的質量遠大於相鄰的切片,則該行星的地函便會慢慢滲出,移動其上方的地殼,直到每個切片的質量再度均等為止。

  普拉特均衡說立論點在於認為行星地殼的密度會改變。由於形成高山的地殼密度會比形成平地的地殼密度還小,所以包含高山的行星切片會和包含平地的切片質量相同。這導致在這顆行星的所有位置點上,浮在地函上的的地殼底部位置幾乎相同。

  在Sori等人的研究之前,科學家無法解釋普拉特均衡說為何能或為何不能支持水星地景從何而起。為了瞭解普拉特均衡說到底能不能應用在水星上,他得先解決水星密度和地形之間的相關性問題。科學家已經利用MESSENGER探測器的資料建構一套水星地形圖,但密度分布圖則尚未建置,所以Sori等人乾脆自己用MESSENGER的水星地表元素分布資料來建置密度分布圖。

  科學家們知道通常是哪種礦物能形成岩石,以及這些礦物中含有哪些元素,所以能將測得的化學元素豐度轉換成各種礦物;由於已知每種礦物的密度,所以這些礦物加總之後,變能得到密度分布圖。把這個密度分布圖和地形圖互相比對,如果普拉特均衡說能應用在闡釋水星地景來源的話,那麼按理來說,應該在環形山(隕石坑)中發能發現高密度礦物,而高山區則主要是低密度礦物分布於此。然而,Sori等人發現並不存在這樣的關連性,事實上,高密度和低密度礦物分布在水星隕石坑和高山上的分布狀況。

  既然普拉特均衡說行不通,那換成艾里均衡說來試試看。艾里均衡說主訴行星地殼厚度與其地形有關,如果在地表上看到凸起的高山,那麼下方必定就有相應深度的山根,簡單來說,山根的質量與被取代的地函物質質量相當,就像浮在海上的冰山一樣,在海面以下的冰山體積也不小,其質量相當於被排開的海水質量,不然怎麼常說「冰山一角」呢。在隕石坑地區,地殼比較薄因而使得地函比較靠近地表。在此理論下,包含一座山的楔形地形,將與包含一個隕石坑的楔形地形的質量相同。

  Sori表示:這些論點在2D平面上的確可行,但在球形幾何狀況下,這些公式就不太正確了。而他們團隊近期發展的公式卻可以在像行星這樣的球體上成功運作。所以Sori等人並非採用地殼和地函間質量平衡,而是採用地殼施加在地函上的壓力的平衡,這樣一來就可以取得比較精確的水星地殼厚度訊息。Sori目前確認即便新的水星資料已經收集了,但他的地殼厚度估算在水星北半球還是無法驗證,因為他對水星地殼密度的部分沒信心。

  MESSENGER所收集的水星資料,北半球多於南半球,所以Sori預期水星表面平均密度大小,會隨所收集到的密度資料愈來愈完整而改變。所以對於水星地殼的估算,未來還需繼續努力改善。下一個水星任務預定將在2025年抵達水星;在此同時,科學家會持續利用MESSENGER資料和數值運算來進一步瞭解這顆最接近太陽的岩石世界。

資料來源:https://uanews.arizona.edu/story/new-estimates-mercurys-thin-dense-crust, 2018.04.24, KLC

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