Il pianeta più vicino al luminare e il più piccolo del sistema solare è ancora un mistero. Come la Terra e i quattro giganti gassosi: Giove, Saturno, Urano e Nettuno, Mercurio ha la sua magnetosfera. Dopo le indagini sulla stazione MESSENGER (MErcury Surface, Space Environment, GEochimica), la natura di questo strato magnetico ha iniziato a diventare chiara. I principali risultati della missione sono già inclusi in monografie e libri di testo. Come un piccolo pianeta è riuscito a preservare la magnetosfera.
Affinché un corpo celeste abbia la propria magnetosfera, è necessaria una sorgente di campo magnetico. Secondo la maggior parte degli scienziati, qui viene attivato l'effetto dinamo. Nel caso della Terra, sembra così. Nelle viscere del pianeta c'è un'anima metallica con un centro solido e un guscio liquido. A causa del decadimento degli elementi radioattivi, il calore viene rilasciato, portando alla formazione di flussi convettivi di un fluido conduttivo. Queste correnti generano il campo magnetico del pianeta.
Il campo interagisce con il vento solare - flussi di particelle cariche dalla stella. Questo plasma cosmico porta con sé il proprio campo magnetico. Se il campo magnetico del pianeta resiste alla pressione della radiazione solare, cioè la devia a una distanza considerevole dalla superficie, allora dicono che il pianeta ha la sua magnetosfera. Oltre a Mercurio, alla Terra e ai quattro giganti gassosi, Ganimede, il più grande satellite di Giove, possiede anche una magnetosfera.
Nel resto dei pianeti e delle lune del sistema solare, il vento stellare non incontra praticamente alcuna resistenza. Questo accade, ad esempio, su Venere e, molto probabilmente, su Marte. La natura del campo magnetico terrestre è ancora considerata il principale mistero della geofisica. Albert Einstein lo considerava uno dei cinque compiti più importanti della scienza.
Ciò è dovuto al fatto che, sebbene la teoria della geodinamo sia praticamente incontrastata, provoca grandi difficoltà. Secondo la magnetoidrodinamica classica, l'effetto dinamo dovrebbe decadere e il nucleo del pianeta dovrebbe raffreddarsi e indurirsi. Non c'è ancora una comprensione precisa dei meccanismi con cui la Terra mantiene l'effetto dell'auto-generazione della dinamo insieme alle caratteristiche osservate del campo magnetico, principalmente anomalie geomagnetiche, migrazione e inversione dei poli.
La difficoltà di una descrizione quantitativa è molto probabilmente dovuta alla natura essenzialmente non lineare del problema. Nel caso di Mercurio, il problema della dinamo è ancora più acuto che per la Terra. Come ha fatto un pianeta così piccolo a mantenere la propria magnetosfera? Ciò significa che il suo nucleo è ancora allo stato liquido e genera abbastanza calore? Oppure esistono dei meccanismi speciali che permettono al corpo celeste di proteggersi dal vento solare?
Mercurio è circa 20 volte più leggero e più piccolo della Terra. La densità media è paragonabile a quella della terra. L'anno dura 88 giorni, ma il corpo celeste non è in cattura di marea con il Sole, ma ruota attorno al proprio asse con un periodo di circa 59 giorni. Mercurio si distingue dagli altri pianeti del sistema solare per un nucleo metallico relativamente grande: rappresenta circa l'80 percento del raggio di un corpo celeste. Per fare un confronto, il nucleo della Terra occupa solo circa la metà del suo raggio.
Il campo magnetico di Mercurio è stato scoperto nel 1974 dalla stazione americana Mariner 10, che ha registrato raffiche di particelle ad alta energia. Il campo magnetico del corpo celeste più vicino al Sole è circa cento volte più debole di quello terrestre, si adatterebbe completamente in una sfera delle dimensioni della Terra e, come il nostro pianeta, è formato da un dipolo, cioè ha due, non quattro, come i giganti gassosi, poli magnetici.
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Foto: Laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University / Carnegie Institution di Washington / NASA
Le prime teorie per spiegare la natura della magnetosfera di Mercurio furono proposte negli anni '70. La maggior parte di essi si basa sull'effetto dinamo. Questi modelli sono stati verificati dal 2011 al 2015, quando la stazione MESSENGER ha studiato il pianeta. I dati ottenuti dal dispositivo hanno rivelato l'insolita geometria della magnetosfera di Mercurio. In particolare, nelle vicinanze del pianeta, la riconnessione magnetica - il mutuo riarrangiamento delle linee di forza intrinseche ed esterne del campo magnetico - si verifica circa dieci volte più spesso.
Questo porta alla formazione di molti vuoti nella magnetosfera di Mercurio, permettendo al vento solare di raggiungere la superficie del pianeta quasi senza ostacoli. Inoltre, MESSENGER ha scoperto la rimanenza nella crosta di un corpo celeste. Usando questi dati, gli scienziati hanno stimato il limite inferiore per l'età media del campo magnetico di Mercurio a 3,7-3,9 miliardi di anni. Questo, come hanno notato gli scienziati, conferma la validità dell'effetto dinamo per la formazione del campo magnetico globale del pianeta, nonché la presenza di un nucleo esterno liquido in esso.
Nel frattempo, la questione della struttura di Mercurio rimane aperta. È possibile che lo strato esterno del suo nucleo contenga fiocchi di metallo: neve di ferro. Questa ipotesi è molto popolare, perché, spiegando la magnetosfera di Mercurio con lo stesso effetto dinamo, consente basse temperature e un nucleo quasi solido (o quasi liquido) all'interno del pianeta.
Foto: Carnegie Institution of Washington / JHUAPL / NASA
È noto che i nuclei dei pianeti terrestri sono formati principalmente da ferro e zolfo. È anche noto che le inclusioni di zolfo abbassano il punto di fusione della materia centrale, lasciandola liquida. Ciò significa che è necessario meno calore per mantenere l'effetto dinamo, che Mercury produce già troppo poco. Quasi dieci anni fa, i geofisici, conducendo una serie di esperimenti, hanno dimostrato che in condizioni di alta pressione, la neve ferrosa può cadere verso il centro del pianeta e una miscela liquida di ferro e zolfo può salire verso di essa dal nucleo interno. Questo può creare un effetto dinamo nelle viscere di Mercurio.
I dati di MESSENGER hanno confermato questi risultati. Lo spettrometro installato nella stazione ha mostrato un contenuto estremamente basso di ferro e altri elementi pesanti nelle rocce vulcaniche del pianeta. Non c'è quasi ferro nel sottile strato del mantello di Mercurio ed è formato principalmente da silicati. Il centro solido rappresenta circa la metà (circa 900 chilometri) del raggio del nucleo, il resto è occupato dallo strato fuso. Tra di loro, molto probabilmente, c'è uno strato in cui i fiocchi di metallo si muovono dall'alto verso il basso. La densità del nucleo è circa il doppio di quella del mantello ed è stimata in sette tonnellate per metro cubo. Lo zolfo, ritengono gli scienziati, rappresenta circa il 4,5% della massa del nucleo.
MESSENGER ha scoperto numerose pieghe, curve e faglie sulla superficie di Mercurio, il che rende possibile trarre una conclusione inequivocabile sull'attività tettonica del pianeta nel recente passato. La struttura della crosta esterna e della tettonica, secondo gli scienziati, sono associate ai processi che avvengono nelle viscere del pianeta. MESSENGER ha mostrato che il campo magnetico del pianeta è più forte nell'emisfero settentrionale che in quello meridionale. A giudicare dalla mappa gravitazionale compilata dall'apparato, lo spessore della crosta vicino all'equatore è in media 50 chilometri più alto rispetto al polo. Ciò significa che il mantello di silicato alle latitudini settentrionali del pianeta è riscaldato più fortemente che nella sua parte equatoriale. Questi dati sono in ottimo accordo con la scoperta di trappole relativamente giovani alle latitudini settentrionali. Sebbene l'attività vulcanica su Mercurio sia cessata circa 3,5 miliardi di anni fa, il quadro attuale della diffusione termica nel mantello del pianeta è in gran partemolto probabilmente determinato dal suo passato.
In particolare, possono ancora esistere flussi convettivi negli strati adiacenti al nucleo del pianeta. Quindi la temperatura del mantello sotto il polo nord del pianeta sarà di 100-200 gradi Celsius più alta che sotto le regioni equatoriali del pianeta. Inoltre, MESSENGER ha scoperto che il campo magnetico residuo di una delle sezioni della crosta settentrionale è diretto nella direzione opposta rispetto al campo magnetico globale del pianeta. Ciò significa che in passato si è verificata un'inversione su Mercurio almeno una volta: un cambiamento nella polarità del campo magnetico.
Solo due stazioni hanno esplorato Mercury in dettaglio: Mariner 10 e MESSENGER. E questo pianeta, principalmente a causa del proprio campo magnetico, è di grande interesse per la scienza. Spiegando la natura della sua magnetosfera, possiamo quasi certamente farlo per la Terra. Nel 2018, il Giappone e l'UE prevedono di inviare una terza missione a Mercurio. Voleranno due stazioni. Innanzitutto, MPO (Mercury Planet Orbiter) compilerà una mappa a più lunghezze d'onda della superficie di un corpo celeste. Il secondo, un MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter), esplorerà la magnetosfera. Ci vorrà molto tempo per attendere i primi risultati della missione - anche se l'inizio avrà luogo nel 2018, la destinazione della stazione sarà raggiunta solo nel 2025.
Yuri Sukhov
