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前进水星 科学人3月号
就在这个月，传信者号要进入水星轨道罗！
重点提要
■水星一直让科学家备感困惑。它只比月球大1/4，但全星磁场等特色却和地球很像。它
的表面有许多坑洞，却又有许多较年轻的地质活动迹象。
■2008、2009年，美国航太总署的传信者号进行1970年代中期以来首次飞掠水星。它拍摄
到以往未曾仔细观察过的半球影像，同时意外发现剧烈的电浆活动。
■今年3月18日，传信者号终於将进入环绕水星的轨道，并开始执行为期一年的轨道任务
。单单抵达水星附近就已经相当困难，因为水星的公转速度相当快，而且十分接近太阳。
有个老笑话是这样的：吃苹果时，比发现一条□更糟糕的事，就是发现半条□。1974年3
月29日，行星科学家就有类似的感觉。当时水手10号飞掠过水星，让人类首次有机会好好
观察这个水深火热的小小世界。它在水星上发现了太阳系中最大的撞击盆地，後来命名为
卡路里盆地。但太空船只拍摄到半个盆地，另一半被黑暗所笼罩。事实上，水手10号那次
和1974年底、1975年的两次飞掠观测加起来，拍摄到的水星表面还不到一半。
直到34年後，我们终於看清楚整个盆地，而且比先前的影像更令人印象深刻。2008年1月
14日，传信者号探测船（MESSENGER）飞掠过水星，传回地球的第一张影像中，卡路里盆
地就几乎在正中心。我同事夏波（Nancy Chabot）展示这张影像时，大家都欢呼起来□□
不过没有欢呼多久，因为後来我们开始热烈讨论影像中的东西究竟是什麽。它看起来像是
黑白颠倒的月球影像。虽然水星坑坑洞洞的表面跟月球很像，但月球上的盆地内部阴暗又
充满熔岩，而卡路里盆地则满是浅色的平原，我们至今仍不太了解。
水星是目前探索最少的内行星，它的表面地形和亮度变化只是众多奥秘中的两个。2004年
发射升空的MESSENGER，是「水星表面、太空环境、地理化学与漫游探索」的缩写，目的
是解答六个主要问题：水星表面的组成是什麽？水星的地质史？这麽小的行星怎麽会有全
星磁场？水星的磁性核心仍是熔融状态吗？雷达图中位於水星两极的亮块是什麽？水星稀
薄的大气由什麽过程主导？相较於水手10号当年只是在掠过时匆匆瞥上几眼，传信者号将
进入环绕水星的轨道，深入研究水星，完成水手10号未完成的工作。
前往水星 朝地狱降落
水手10号任务之後隔了30年才有後继任务，原因之一是前往水星并在水星顺利运作，在技
术上颇具挑战性。太空船如果从地球直接朝水星前进，会落入太阳的重力场，速度将加快
到超过水星的公转速度，每秒快了13公里。传统火箭引擎使太空船减速的幅度，不足以让
太空船被水星重力捕捉而进入轨道。就所需能量而言，虽然木星比水星远得多，但其实水
星比木星更难抵达。
要成功抵达水星，传信者号必须先飞掠地球一次，再飞掠金星两次、飞掠水星本身三次。
每飞掠一次，太空船就转移一部份动量给行星。这个程序和推动太空船前往外行星所使用
的重力弹弓效应相同，只不过其轨道设计是协助太空船减速，而不是加速。经过六年半之
後，这一连串飞掠可使太空船的秒速降低11公里。
传信者号的主火箭引擎已经完成任务。太空船的构造就像是个飞行油箱，除了推进燃料槽
之外，其他的构造尽量简化及轻量化。发射升空时，太空船的总质量为1100公斤，其中有
600公斤是燃料。
抵达水星只能算是成功一半。在水星上，太阳亮度是在地球上的11倍，水星表面的温度更
是高到足以熔化锌。太空船必须躲在以陶瓷纤维编织而成的遮阳板 底下。太阳能板 当然
不能躲在遮阳板下，不过即使太阳能板可在高温中运作，我们仍必须将它大幅倾斜，使它
只吸收一小部份阳光，不致过热。
科学仪器必须暴露於水星表面。为了承受高温炙烤，摄影机 放置在400公克的石蜡上，太
空船的绕行轨道较低时，石蜡会熔化并吸收热；当太空船回到高空或进入阴暗面，石蜡又
会冻结，等待下一次循环。
另一项挑战就是水星的自转相当慢。水星上的一个太阳日（两次日出之间的时间）等於
176个地球日。在为期一地球年的任务中，许多地点只有一小段时间可在最理想的环境下
进行观察。
地壳 比想像中活跃的地质活动
在水手10号任务之前，某些科学家猜测水星的地质和月球一样死气沉沉。行星或卫星内部
的热散失之後，地质活动也会停止，而这一天什麽时候会到来，则取决於天体大小。天体
较小时，表面积相对於体积的比例较大，因此冷却得较快。由於水星只比月球大1/4，因
此地质史应该相当类似。但水手10号传回的影像中，似乎有火山形成的广阔平原，让人开
始质疑这种看法。但这很不容易说分明。从远处看来，月球上的凯莱平原同样看起来像不
寻常的火山平原，但阿波罗16号太空人在此著陆时，只看到陨石撞击留下的碎片。
我们从来不认为传信者号能像阿波罗16号一样，很快地解答这个问题。它已经观察到清楚
证据，显示水星上有各种色彩和成份的熔岩，以及以往曾经发生规模类似义大利的圣海伦
斯火山的火山喷发。以电脑强化色调後，可看出这些关系。陨石坑内较低的区域充满不同
色彩的平滑物质，较小较年轻的陨石坑则翻出来自地壳内不同深度的各色物质。这些影像
显示，水星地壳最上层数公里是由一层层火山沉积物组成。
科学家藉由类似的地形和色彩画出地势的界线，已经制作出传信者号时代的首幅新版水星
地质图。水星表面大约有40%（包括卡路里盆地 内部）是平原，其中许多可能是由火山造
成。平原间的灰色区域是陨石坑较多、年代可能较久的平原 。与月球和火星相比，较值
得一提的差别是平原的分布状况。月球的平原集中在面对地球的近地侧，火星的平原位於
北半球的广大火山高原上，水星的平原则遍布各处。水星最年轻的平原可能只有10亿年，
依照月球和火星的标准而言，算是相当新。
科学家还在持续研究涵盖水星表面15%面积的蓝色区域，例如托尔斯托盆地
等。这些区域或许含有铁和钛氧化物，这些氧化物可能是撞击时由地壳深处翻出来的，也
可能是最古老的火山物质喷溅在较年轻的浅色熔岩上。
传信者号在轨道上拍摄影像时，解析度将可达到飞掠时拍摄影像的三倍以上。此外，只有
飞掠时这一小段时间可以运作的仪器，也总算能够传回品质最佳的资料。举例来说，γ射
线和中子光谱仪将延续1990年代地面雷达的观测结果：水星的极地区域含有雷达反射率特
高的物质，可能是水冰 。在如此灼热的行星上，很难想像会有冰存在，但永远在阴影笼
罩下的两极地区，则可能将彗星或含水量较高的陨石撞击水星时带来的水气保存下来。