水星（太阳系八大行星之一）

▌简介

中国水星称为辰星，是太阳系的八大行星中最小和最靠近太阳的行星，有着八大行星中最大的轨道偏心率。它每87.968个地球日绕行太阳一周，而每公转2.01周同时也自转3圈。

水星有着太阳系行星中最小的轨道倾角，它是一颗类地行星。因为水星的轨道位于地球的内侧，所以只会出现在凌晨称为辰星，或是黄昏出现作为昏星，而不会在子夜前后出现。

从地球看水星的亮度有很大的变化，视星等从-2.48至7.25等，但是它与太阳的距角最大只有28.3°。除非有日食，否则在阳光的照耀下通常看不见水星。在北半球，只能在凌晨或黄昏的曙暮光中看见水星。当大距出现在赤道以南的纬度时，在南半球的中纬度可以在完全黑暗的天空中看见水星。

▌发现与命名

水星最早被闪族人在（公元前三千年）发现，他们叫它Ubu-idim-gud-ud。最早的详细记录观察数据的是巴比伦人，他们叫它gu-ad或gu-utu。希腊人给它起了两个古老的名字，当它出现于早晨时叫阿波罗，当它出现于傍晚叫赫耳墨斯，但是希腊天文学家知道这两个名字表示的是同一个东西。希腊哲学家赫拉克利特甚至认为水星和金星（维纳斯星）是绕太阳公转的而不是地球。中国古代称水星为“辰星”。它与太阳最大角距不超过28°，由于古代称30°为一辰，故而得名。

▌内部构造

水星是太阳系内与地球相似的4颗类地行星之一，有着与地球一样的岩石个体。它是太阳系中最小的行星，在赤道的半径是2439.7公里。水星甚至比一些巨大的天然卫星，比如甘尼米德（木卫三）和泰坦（土卫六）还要小——虽然质量较大。水星由大约70%的金属和30%的硅酸盐材料组成，水星的密度是5.427克/cm³，在太阳系中是第二高的，仅次于地球的5.515克/cm³。如果不考虑重力压缩对物质密度的影响，水星物质的密度将是最高的——未经重力压缩的水星物质密度是5.3克/cm³，相较之下的地球物质只有4.4克/cm³。

从水星的密度可以推测其内部结构的详细资料。地球的高密度，特别是核心的高密度是由重力压缩所导致的。水星是如此的小，因此它的内部不会被强力的挤压。所以它要有如此高的密度，它的核心必然很大。

▌地形地貌

美国发射的“水手10号”在1974年3月、9月和1975年3月探测了水星，并向地面发回5000多张照片，为我们了解水星提供了珍贵的信息。从照片上我们看出，水星的外貌酷似月地球，有许多大小不一的环形山，还有辐射纹、平原、裂谷、盆地等地形。

水星的守护神是古希腊赫菲准托斯，表面很像月球，满布着环形山、大平原、盆地、辐射纹和断崖。1976年，国际天文学联合会开始为水星上的环形山命名。

水星表面上有着星罗棋布的大大小小的环形山，既有高山，也有平原，还有令人胆寒的悬崖峭壁。据统计，水星上的环形山有上千个，这些环形山比月亮上的环形山的坡度平缓些。

水星表面平均温度约452K，变化范围从90-700K，是温差最大的行星。白天太阳光直射处温度高达427℃，夜晚太阳照不到时，温度降低到-173℃。可以比较一下地球，地球上的温度变化只有11K（这里只是太阳辐射能量，不考虑“季节”，“天气”）。水星的表面的日照比地球强8.9倍，总共辐照度有9126.6W/㎡。

令人惊讶地是，在1992年所进行的雷达观察显示，水星的北极有冰。一般相信这些冰存在于阳光永无法照射到的环形山底部，由于彗星的撞击或行星内部的气体冒出表面而积累的。由于没有大气调节，这些地方的温度一直维持在零下280华氏度（约合-173摄氏度）左右。

水星的表面表现出巨大的急斜面，有些达到几百千米长，三千米高。有些横处于环形山的外环处，而另一些急斜面的面貌表明他们是受压缩而形成的。据估计，水星表面收缩了大约0.1%（或在星球半径上递减了大约1千米）！

水星表面受到无数次的陨石撞击，到处坑洼。当水星受到巨大的撞击后，就会有盆地形成，周围则由山脉围绕。在盆地之外是撞击喷出的物质，以及平坦的熔岩洪流平原。此外，水星在几十亿年的演变过程中，表面还形成许多褶皱、山脊和裂缝，彼此相互交错。

水星的环形山很类似月球。水星表面最显著的的特征（只包括已经被拍摄过的部分）之一是一个直径达到1360km的冲击性环形山：卡路里（Caloris）盆地，是水星上温度最高的地区。如同月球的盆地，Caloris盆地很有可能形成于太阳系早期的大碰撞中，那次碰撞大概同时造成了星球另一面正对盆地处奇特的地形。水星地形被标记为多起伏的，原因是几十亿年前水星的核心冷却收缩引起的外壳起皱。大多数的水星表面包括二个不同的年龄层；比较年轻的比较平，或许是因为溶岩浸入了较早地形的结果。除此之外，水星有“显著性”的“周期性膨胀”。

在地面上观测水星，几乎看不到它的细节。1973年11月3日，美国发射了水手10号宇宙飞船，对水星进行飞近探测。它是人类第一个“访问”水星的宇宙飞船。在它与水星三次相会的过程中，向地面发回了5000多张照片，为我们了解水星提供了珍贵的信息。在最后一次，它距水星表面仅372千米，拍摄了非常清晰的水星电视图像。

水星表面大大小小的环形山星罗棋布，既有高山，也有平原，还有令人胆寒的悬崖峭壁。据统计，水星上的环形山有上千个，这些环形山比月亮上的环形山的坡度平缓些。

▌地质构造

水星是太阳系中密度大白色带系多的行星，仅次于地球。据此，科学家们估计水星内部必定存在一个超大的内核，其内核质量甚至可以占到其总质量的2/3，而相比之下，地球的内核区质量只占地球总质量的1/3。美国华盛顿卡内基研究院地磁学系主任，美国信使号水星探测器项目首席科学家西恩·所罗门（Sean Solomon）教授表示：科学界的观点是认为在太阳系早期的狂暴撞击时代，水星曾遭遇严重撞击，导致其失去了密度较低的一部分外壳，因此留下了密度相对较大的部分。而此次信使号探测器的任务中有一项便是通过对水星进行全地表化学成分分析来检验这个理论。

水星含铁的百分率超过任何其他已知的星系行星。这里有数个的理论被提出来说明水星的高金属性。

一个理论说本来水星有一个和普通球粒状陨石相似的金属—硅酸盐比率。那时它的质量是我们观测到质量的大约2.25倍，但在早期太阳系的历史中的某个时间，一个星子/微星体撞掉了水星的1/6。影响是水星的地壳和地幔失去了。类似的另外一个理论是一个用来解释地球月亮的形成的，参见巨物影响理论。另一种说，水星可能在所谓太阳星云早期的造型阶段，在太阳爆发出它的能量之前已经稳定。在这个理论中水星那时大约质量是我们观测到的两倍；但因为原恒星收缩，水星的温度到达了大约2500-3500K之间；甚至高达10000K。许多的水星表面的岩石在这种温度下蒸发，形成”岩石蒸汽”，随后，“岩石蒸汽”被星际风暴带走。第三个理论，类似第二个，认为水星的外壳层是被太阳风长期侵蚀掉了的。

水星外貌如月，内部却很像地球，也分为壳、幔、核三层。水星的半径为2439公里，是地球半径的38.2%，18个水星合并起来才抵得上一个地球的大小。质量为3.33×10²⁶克，为地球质量的5.58%，平均密度为5.433克/cm³，略低于地球的平均密度。在八大行星中，除地球外，水星的密度最大由此天文学家推测水星的外壳是由硅酸盐构成的，其中心有个比月球大得多的铁质内核。这个核球的主要成分是铁、镍和硅酸盐根据这样的结构，水星应含铁两万亿亿吨，按世界钢的年产量（约8亿吨）计算，可以开采2400亿年。

这个行星有一个相对大的（即使是与地球相比）的铁质核；水星由大约70%的金属和30%的硅酸盐组成，以致密度较高。平均密度是5430kg/m³；略微地小于地球密度，却比金星大。地球高密度产生的原因是地球的质量压缩了地球的体积。水星的质量只有地球的5.5%——铁核占据了42%的行星容积（地核只占17%）围绕核心是一个5万公里矽酸盐组成的地幔。水星的总重量约为30000兆公吨。

▌平原

水星有两种地质显著不同的平原。在坑穴之间，起伏平缓、多丘陵的平原，是水星表面可见最古老的地区，早于猛烈的火山口地形。这些埋藏着陨石坑的平原似乎已湮灭许多较早的陨石坑，并且缺乏直径在30公里以下，以及更小的陨石坑。还不清楚它们是起源于火山还是撞击，这些埋藏着陨石坑的平原大致是均匀的分布在整个行星的表面。

平坦的平原是广泛的平坦区域，布满了各种大大小小的凹陷，和月球的海非常的相似。值得注意的是，它们广泛的环绕在卡洛里盆地的周围。不同于月海，水星平坦的平原和埋藏着陨石坑的古老平原有着相同的反照率。尽管缺乏明确的火山特征，在地化的平台和圆角、分裂的形状都强烈的支持这些平原起源于火山。值得注意的是所有水星平坦平原的形成都比卡洛里盆地晚，比较在卡洛里喷发覆盖物上可察觉的小陨石坑密度可见一斑卡洛里盆地的地板填满了独特的平原地质，破碎的山脊和粗略的多边形碎裂。不清楚是撞击诱导火山熔岩，还是撞击造成大片的融化。

行星表面一个不寻常的特征是众多的压缩皱褶或峭壁，在平原表面交错着。随着行星内部的冷却，它可能会略为收缩，并且表面开始变型，造成了这些特征。凹陷也在其它地形，像是坑穴和平滑的平原，顶部看见，显示这些皱褶是在如今才形成的。水星的表面也会被太阳扭曲——太阳对水星的潮汐力比月球对地球的强17倍。

▌水星密度

水星是太阳系中密度第二高的行星，仅次于地球。据此，科学家们估计水星内部必定存在一个超大的内核，其内核质量甚至可以占到其总质量的2/3，而相比之下，地球的内核区质量只占地球总质量的1/3。美国华盛顿卡内基研究院地磁学系主任，美国信使号水星探测器项目首席科学家西恩·所罗门（Sean Solomon）教授表示：目前科学界的观点是认为在太阳系早期的狂暴撞击时代，水星曾遭遇严重撞击，导致其失去了密度较低的一部分外壳，因此留下了密度相对较大的部分。而此次信使号探测器的任务中有一项便是通过对水星进行全地表化学成分分析来检验这个理论。

▌星体磁场

在太阳系的八大行星中，火星、金星、地球、木星、土星都有磁场，但只有水星是太阳系类地行星中除了地球之外唯一拥有显著磁场的行星（不过尽管如此，它的磁场强度也仅有地球的1%不到）。对于一颗行星来说，磁场的有无绝非小事，就拿地球磁场来说，它构成了地球上生命的保护伞，帮助抵挡有害的太阳射线和其它宇宙射线，从而造就了生命的乐园。所罗门博士将地球磁场称作“我们的辐射保护伞”，如果没有地球磁场，地球上的生命将很难出现和演化。

研究人员相信水星的磁场产生机制和地球的相同，那就是其外核部位导电熔浆的流动形成的“电机”模式。此次信使号探测器将精确测量水星磁场的分布，从而帮助科学家们检验这一理论是否正确。

1973年11月，第一个也是到目前为止唯一的水星探测器发射成功，它的既定考察任务中，有一项就是探测水星究竟有没有磁场。它就是美国的“水手10号”探测器。探测器曾经3次从水星上空飞过，那是在1974年的3月29日和9月21日，以及1975年3月16日。

“水手10号”第一次飞越水星时，距水星只有720多公里。探测器上的照相机在拍摄布满环形山的水星地貌的同时磁强计意外地探测到水星似乎存在一个很弱的磁场，而且可能是跟地球磁场那样有着两个磁极的偶极磁场。水星表面环形山和磁场的发现使科学家很感兴趣，因为这些都是前所未知的。但是，磁场的存在必须得到进一步的证实这就要等待到“水手10号”与水星的另一次接近。

由于水手10号仅拍摄到水星表面的37%，所以人类对水星的了解还很少。“水手10号”探测器的飞行轨道是这样安排的：在到达水星区域时，它每176天绕太阳转一圈。我们知道，水星每88天绕太阳一周，也就是说，水星每绕太阳两圈，“水手10号”来到水星附近一次，飞越水星并进行探测。

“水手10号”第二次飞越水星时，距表面最近时在48000公里左右，对水星磁场没有发现什么新的情况。为了取得包括磁场在内的更加精确的观测资料，科学家们对探测器的轨道作了校准，使它第三次飞越水星时，离表面只有327公里，而且更接近水星北极。观测结果是十分令人鼓舞的：水星确实有一个偶极磁场。从最初发现到完全证实刚好是一年时间。

水星的偶极磁场与地球的很相像，极性也相同，即水星磁场的南极在水星的北半球，其北极在南半球。

水星表面有100多个具有放射条纹的坑穴还有大量断崖，有的长达数百千米。水星的密度与地球接近，并有一全球性的磁场。水星磁场的发现，表示水星内部可能是一个高温液态的金属核。这个既重又大的铁镍内核直径超过水星直径的1/3，有整个月球那么大。水星磁场强度只有地球的1%，磁力线的分布图形简直就是地球磁场按比例的缩影。

▌大气层

水星上有极稀薄的大气，大气压小于2×10百帕大气中含有氦、氢、氧、碳、氩、氖、氙等元素。由于大气非常稀薄，水星的表面白天和夜晚的温度相差很大，实际上水星大气中的气体分子与水星表面相撞的频密程度比它们之间互相相撞要高。出于这些原因，水星应被视为是没有大气的。

水星的大气非常少，主要成份为氦（42%）、钠（气体）（42%）和氧（15%），而且在白天气温非常高，平均地表温度为179℃，最高为427℃，最低为零下173℃，因此水星上看来不可能存在水；但1991年科学家在水星的北极发现了一个不同寻常的亮点，造成这个亮点的可能是在地表或地下的冰。水星上真的有可能存在冰吗？由于水星的轨道比较特殊，在它的北极，太阳始终只在地平线上徘徊。在一些陨石坑内部，可能由于永远见不到阳光而使温度降至零下161℃以下。这样低的温度就有可能凝固从行星内部释放出来的气体，或积存从太空来的冰。

在太阳的强烈辐射轰击下，水星大气被向后压缩延伸开去，在背阳处形成一个“尾巴”，就像一颗巨大的彗星。然而更诡异的一点是，水星事实上还在不断的损失其大气气体成分。组成水星大气的原子不断的被遗失到太空之中，由于钾或钠原子在一个水星日（一个水星日——在其近日点一日时间的一半）上大约有3小时的平均“寿命”。

因此，正如所罗门博士指出的那样“你需要不断的进行补充方能维持大气层的存在。”科学家们认为水星的补充方式是捕获太阳辐射的粒子，以及被微型陨石撞击后溅起的尘埃颗粒。散失的大气不断地被一些机制所替换，如被行星引力场俘获的火山蒸汽以及两极的冰冠的除气作用。

▌水星之铁

水星所含有的铁的百分率超过任何其他已知的星系行星。这里有数个的理论被提出来说明水星的高金属性。

一个理论说本来水星有一个和普通球粒状陨石相似的金属—硅酸盐比率。那时它的质量是目前质量的大约2.25倍，但在早期太阳系的历史中的某个时间，一个星子/微星体撞掉了水星的1/6。影响是水星的地壳和地幔失去了。类似的另外一个理论是一个用来解释地球月亮的形成的，参见巨物影响理论。另一种说，水星可能在所谓太阳星云早期的造型阶段，在太阳爆发出它的能量之前已经稳定。在这个理论中水星那时大约质量是目前的两倍；但因为原恒星收缩，水星的温度到达了大约2500K到3500K之间；甚至高达10000K。许多的水星表面的岩石在这种温度下蒸发，形成“岩石蒸汽”，随后，“岩石蒸汽”被星际风暴带走。第三个理论，类似第二个，认为水星的外壳层是被太阳风长期侵蚀掉了的。

▌影响地球

水星拥有太阳系8大行星中偏心率最大的轨道，通俗的说，就是它的轨道的椭圆是最“扁”的。而最新的计算机模拟显示，在未来数十亿年间，水星的这一轨道还将变得更扁，使其有1%的机会和太阳或者金星发生撞击。更让人担忧的是，和外侧的巨行星引力场一起，水星这样混乱的轨道运动将有可能打乱内太阳系其他行星的运行轨道，甚至导致水星，金星或火星的轨道发生变动，并最终和地球发生相撞。

▌行星之最

在太阳系的八大行星中，水星获得了几个“最”的纪录：

▌公转

水星的运行轨道是偏心的，半径从4600万-7000万公里变化。围绕太阳的缓慢岁差不能完全地被牛顿经典力学所解释，以致于在一段时间内很多人用设想的另外一个更靠近太阳的行星（有时被称为火神星）来解释这个混乱。这称为“水星近日点进动”。无论如何，爱因斯坦的广义相对论后来提供了一种可以消除这个小误差的解释。

▌自转

1889年意大利天文学家夏帕里利经过多年观测认为水星自转时间和公转时间都是88天。直到1965年，美国天文学家才测量出了水星自转的精确周期58.646个地球日。

在一些时候，在水星的表面上的一些地方，在同一个水星日里，当一个观测者（在太阳升起时）时观测，可以看见太阳先上升，然后倒退最后落下，然后再一次的上升。这是因为大约四天的近日点周期，水星轨道速度完全地等于它的自转速度，以致于太阳的视运动停止，在近日点时，水星的轨道速度超过自转速度；因此，太阳看起来会逆行性运动，在近日点后的四天，太阳恢复正常的视运动。

1965年使用雷达观测后，观察数据否决了水星对太阳是潮汐固定的的想法：自转使得所有时间里水星保持相同的一面对着太阳。水星轨速振谐为3:2，这就是说自转三次的时间是围绕太阳公转两次的时间；水星的轨道离心使这个谐振持稳。最初天文学家认为它有被固定的潮汐是因为水星处于最好的观测位置，它总是在3:2谐振中的相同时刻，展现出相同的一面，就如同它完全地被固定住一样。水星的自转比地球缓慢59倍。

因为水星的3:2的轨速比率，一个恒星日（自转的周期）大约是58.646个地球日，一个太阳日（太阳穿越两次子午线之间的时间）大约是176个地球日。

▌轨道变动

水星拥有太阳系8大行星中偏心率最大的轨道，通俗的说，就是它的轨道的椭圆是最“扁”的。而最新的计算机模拟显示，在未来数十亿年间，水星的这一轨道还将变得更扁，使其有1%的机会和太阳或者金星发生撞击。更让人担忧的是，和外侧的巨行星引力场一起，水星这样混乱的轨道运动将有可能打乱内太阳系其他行星的运行轨道，甚至导致水星，金星或火星的轨道发生变动，并最终和地球发生相撞。

▌凌日现象

水星凌日当水星走到太阳和地球之间时，我们在太阳圆面上会看到一个小黑点穿过，这种现象称为水星凌日。其道理和日食类似，不同的是水星比月亮离地球远，视直径仅为太阳的190万分之一。水星挡住太阳的面积太小了，不足以使太阳亮度减弱，所以，用肉眼是看不到水星凌日的，只能通过望远镜进行投影观测。水星凌日每100年平均发生13次。在20世纪末有一次凌日是在1999年11月16日5时42分。

在人类历史上，第一次预告水星凌日是”行星运动三大定律”的发现者，德国天文学家开普勒（1571至1630年）。他在1629年预言：1631年11月7日将发生稀奇天象——水星凌日。当日，法国天文学家加桑迪在巴黎亲眼目睹到有个小黑点（水星）在日面上由东向西徐徐移动。从1631年至2003年，共出现50次水星凌日。其中，发生在11月的有35次，发生在5月的仅有15次。每100年，平均发生水星凌日13.4次。

水星凌日的发生原理与日食极为相似，水星轨道与黄道面之间是存在倾角的，这个倾角大约为7度。这就造成了水星轨道与地球黄道面会有两个交点。即为升交点和降交点。水星过升交点即为从地球黄道面下方向黄道面上方运动，降交点反之。只有水星和地球两者的轨道处于同一个平面上，而日水地三者又恰好排成一条直线时，才会发生水星凌日。如果水星在过升降交点附近的两天恰好也发生了水星下合相位时，就有可能发生水星凌日天象。

在目前及以后的十几个世纪内，水星凌日只可能发生在五月或十一月。发生在五月的为降交点水星凌日，发生在十一月的为升交点水星凌日。而发生在五月的水星凌日更为稀罕，水星距离地球也更近。水星凌日发生的周期同样遵循如日月食那样的沙罗周期。在同一组沙罗周期内的水星凌日的发生周期为46年零1天又6.5小时左右。但是这个46年的周期中如果有12个闰年。周期即为46年零6.5小时左右。这里所说的时间差值是同一沙罗周期相邻两次水星凌日中凌甚的时间差值。因为同一沙罗周期相邻两次水星凌日发生的时长是不同的。

▌世界纪录

世界上公转最快的行星：水星是太阳系八大行星最内侧也是最小的一颗行星，它每87.9686个地球日绕行太阳一周，而每公转2.01周同时也自转3圈。（吉尼斯世界纪录）

世界上最小的行星：水星是太阳系八大行星最内侧也是最小的一颗行星，半径只有2440千米。（吉尼斯世界纪录）