人类派往水星的使者

发表于 2016-10-31 15:09:11

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“信使”号于2004年8月升空，是人类发射的第一个绕水星运行的探测器。它将在2011年3月进入绕水星运行的轨道，开始其为期一年的探测使命。进入绕水星轨道前，“信使”号曾多次飞掠水星。根据它2009年第三次飞越水星的观测数据，科学家们发现了水星表面最年轻的火山活动迹象，磁场亚暴的最新信息，并且还在水星超稀薄外大气层中首次发现电离钙元素。 　　水星、金星、地球和火星同属太阳系中的类地行星。在它们当中，水星是探测得最少的一个。探测类地行星中这最后一个成员对于加深对地球形成、演化及其与太阳的相互作用的认识至关重要。为此，"信使"的任务、探测器本体和科学仪器均把重点放在回答能加深人们对水星这一行星的认识的六大突出问题上，即：（1）水星密度为何如此之大？（2）水星的地质史是怎样的？（3）水星核具有怎样的构造？（4）水星具有何种磁场特性？（5）水星两极有什么不同寻常的物质？（6）水星上有哪些重要的挥发物？ 　　　　（1）水星密度为何如此之大？ 　　每颗类地行星都有一个高密度的富含铁的核，外围包裹着一个由硅酸锰和硅酸铁（岩石）构成的地幔。岩石的最上面一层（地壳）是由熔点比下层地幔物质低的矿物形成的，原因是行星形成初期大量熔融硅酸盐分化或幔内熔融物后来的上升和积聚。每颗行星的密度情况均反映了富含铁的核和富含硅酸盐的地幔和地壳的平衡。水星的无压缩密度（扣除自身引力引起的压缩后的密度）为5.3克/立方厘米，按目前所知在所有类地行星中是最高的。从水星的密度来看，该行星的65%是富含金属的核，而这一比例是地球的两倍！ 　　关于水星的密度和金属含量为何比金星、地球和火星高出如此之多，目前有三大理论来解释。每项理论对水星表面岩石的构成都做了不同的推测。按其中一项理论，在水星从太阳星云中诞生之前，稀薄星云气体产生的阻力为高密度颗粒的积聚提供了有利条件，导致水星富含金属，但这一过程并未改变硅酸盐（矿物）的成分。在这种情况下，表面岩石的成分便会与其它类地行星接近。另一种理论认为，来自早期太阳的巨大热量使原始水星外层的岩石发生了气化，从而使水星成了一堆“富含金属的炉渣”。按这一理论，水星岩石成分中缺乏钠和钾等易蒸发元素。第三项理论则认为，水星形成后不久发生的巨大撞击剥去了水星原有的地壳和上幔。该理论推测，水星目前的表面由硅、铝和氧等元素高度贫乏的岩石构成，而这些元素本应集中存在于原始水星地壳中。 　　“信使”将通过测定水星表面的成分来确定其中哪项理论是正确的。X射线和伽马射线光谱仪将测量表面岩石中现有的元素，并确定其中是否缺乏挥发性元素，或者说本应富集于地壳中的元素是否很稀少。一台可见光-红外光谱仪将测定岩石中有哪些矿物质。 　　　　（2）水星的地质史是怎样的？ 　　让人惊讶的是，在水手10到访水星25年后的今天，水星被拍摄的区域依然只有45%。从已拍摄的部分来看，那里分布有环形山，年代与月球表面一样久远。在巨大的远古环形山之间坐落着一些年代稍近却也相当古老的平原。许多科学家认为这些平原是由火山形成的。这种解释的理由之一是平原的颜色与远古环形山稍有不同，而这可能意味着岩石成分上的不同。但由于表征火山活动的地形特征在水手10所拍照片上的尺度太小，无法清晰地分辨，所以这些平原的起因仍还无法确定。与地球和金星不同，在水星上，我们只看到了很少显然因大地构造应力使表面得到重造后形成的特征。位于水星上最大环形山对面的波状地形可能是在水星形状使来自撞击的震动能量集中到局部地区时形成的。更为明显的是一些叶状的巨型悬崖。它们高近1.6公里，长约数百公里。它们在水星上很常见，而在火星等行星上面却很少见。这些特征据信是水星脆弱的外层受到挤压后形成的。 　　“信使”将进行多项水星地质研究，以确定其表面形成过程。X射线、伽马射线和可见光光谱仪将确定构成其表面的岩石单位的元素与矿物成分。相机将对该行星尚未被观察过的部分进行成像，并将对几乎整个表面都进行立体拍摄，以确定该行星的全球地形变化和地貌。激光高度计将在北半球上进行更准确的地形测量。将地形数据与通过对“信使”探测器进行跟踪而测得的水星引力场数据进行比较，将使科学家能够确定水星地壳厚度的局部变化。 　　　　（3）水星核具有怎样的构造？ 　　水手10比较让人吃惊的一项发现便是水星有一个全球性的磁场。这使得水星成为除地球以外唯一一颗具有全球性磁场的类地行星。地球的磁场据信是由地核熔融液态外层之中的涡动产生的（地核的内部才是固态的）。但水星非常之小，直径只有4878公里（地球为12756公里），以至于其核心部分应该早已冷却和固化。事实上，水星核冷却和收缩可能就是造就了水星叶状悬崖的全球性挤压的动力。那么冷却下来的固态行星核为什么会形成磁场呢？一个可能的答案是，由于有熔化的低熔点元素存在，水星核尚未完全被冻结。另一种可能是目前的磁场是水星原始磁场的冻结残留。了解水星核的状态将大大有助于解释地球等类地行星为什么会产生磁场。 　　利用其激光高度计，“信使”将测量水星的天平动，从而确定水星核是否存在液态的外层。天平动是指行星绕其自旋轴发生的缓慢摆动。浮在液态行星核外层时行星岩石外部的天平动将是冻结在固态行星核上时的两倍。这项天平动实验与通过对探测器进行无线电跟踪而得到的引力场测量数据结合，还将有助于确定水星核的尺寸以及其中有多大一部分是固态的。 　　　　（4）水星具有何种磁场特性？ 　　地球磁场具有很强的动态特点，总是在随着太阳风和太阳耀斑等太阳活动而不断地变化着。这些动态变化会影响到电网和电子设备的工作，造成停电，并干扰无线电设备及电话。水手10发现，水星磁场也在经历着类似的变化。认识这些变化将有助于我们了解太阳与地磁场的相互作用。水星磁场被认为是“小号”的地磁场，但水手10未能对其进行足够长时间的测量，因而人们对它的了解还不多。我们甚至还不能确知水星的磁场到底有多强。地球的磁场是"双极"的，这意味着从全球尺度来说，地球就好像在地核位置有一个巨大的磁棒。总体上说，水星磁场也是一个双极场。比较起来，月球和火星都没有全球性的双极磁场，但它们具有以不同岩石沉积体为核心的局部磁场。目前还不能肯定此类局部磁场是如何形成的，而水星磁场有多大部分来自于类似月球和火星上的较小的局部磁场也不得而知。 　　“信使”的磁强计将用4个水星年（每个水星年相当于地球上的88天）详细地描述水星的磁场特征，以确定其确切的强度和其强度随位置和高度不同而发生的变化。太阳对磁场动态特点的影响将由磁强计和高能粒子与等离子体光谱仪来测定。 　　　　（5）水星两极有什么不同寻常的物质？ 　　水星自旋轴的指向几乎与其运行轨道垂直，所以在两极地区阳光是以恒定的掠射角照到其表面上。在极区，大型环形山的内部终年不见阳光，所以温度总是很低，在零下212摄氏度以下。1991年，科学家们首次得到了水星极区的雷达图像。雷达图像表明，大型环形山内部在雷达工作波长上具有很高的反射性。能解释这一现象的最普通物质就是冰。这就是说，在这颗离太阳最近的行星上竟然有冰存在！可能的解释是，在过去几十亿年间，落向水星的彗星和陨星带去了细微的冰流，并被“冷藏”到了这些水星极区沉积物中，或是从水星内部排出了水蒸气并被冻结在其极区。也有人推测水星极区的沉积物内含有别的物质，比如从表面岩石内的矿物质中逐渐升华出来的硫。 　　“信使”的伽马射线和中子光谱仪将在各种极区沉积物中探测氢的存在。另外，紫外光谱仪和高能粒子光谱仪将在沉积物上方的稀薄蒸气中探测是否有硫。认识水星极区沉积物的成分将澄清内太阳系中有哪些挥发性物质。 　　　　（6）水星上有哪些重要挥发物？ 　　水星被极稀薄的一层气体包裹着。与金星、地球和火星的大气不同，水星大气稀薄之极，以至于水星外围的分子不会发生相互碰撞，而是像很多个胶皮球一样在表面上跳来跳去。我们把这种大气叫“外逸层”。就目前所知，水星的外逸层有6种元素，即氢、氦、氧、钠、钾和钙。至少有一部分氢和氦来自于由太阳放射出的高温电离气体流，亦即“太阳风”。某些氢和氧也可能来自随彗星或陨星落到水星上的冰。钠、钾和有些氧很可能是来自表面上的岩石。还有几种过程有可能把这些元素带到外逸层中，其中每种过程会产生不同的元素组合。这些过程包括撞击造成岩石气化、元素因阳光作用而缓慢地从岩石中蒸发出来、太阳风离子的溅射作用或气体从水星内部排出。 　　“信使”将利用其紫外光谱仪和高能粒子光谱仪来确定水星外逸层的成分。这些仪器测得的外逸层成分将同X射线和伽马射线光谱仪测得的表面岩石成分进行比较，以确定是哪些过程向水星的稀薄大气提供了分子。 　　　　任务设计 　　“信使”通过借力飞行（借助地球、金星和水星的引力）来降低其入轨时相对于水星的速度。所谓借力飞行，就是让探测器从一颗行星旁边飞过，得到或失掉行星绕太阳运行时角动量的极小一部分。由于行星与探测器相比质量极大，所以其轨道并不发生变化。但每次借力飞行却可以使“信使”轨道的形状、尺寸和倾角发生变化，直到星上推进剂足以把探测器送入围绕水星的预定科学探测轨道。任务规划人员把旨在使“信使”从绕太阳运行的轨道转入围绕水星运行的轨道的机动动作称为“进入水星轨道”。 　　　　（1）发射和巡航飞行 　　“信使”是在8月2日开启的一个13天的发射窗口内发射的。它将在2005年8月回到地球做借力飞行，然后在2006年10月和2007年6月两次飞过金星。探测器利用金星引力的拖拉作用来改变其飞行路线的形状、尺寸和倾角，使之更靠近水星的运行轨道。 　　三次水星飞越将使“信使”能在2011年3月进入水星轨道，每次飞越后约2个月探测器都要做一次路线修正机动。在分别于2008年1月、2008年10月和2009年9月进行的这三次飞越中，“信使”都将对整个水星进行彩色测绘，对水手10未观测过的区域进行成像，并测量表面、大气和磁层的成分。届时所获数据将是人类在30多年间得到的首批来自水星的新数据，而且对规划“信使”为期1年的轨道探测任务有重要价值。 　　　　（2）轨道探测 　　“信使”绕水星飞行的轨道为卵形的大椭圆轨道，最低点高200公里，最高点超过15193公里。轨道平面与水星赤道间的倾角为80度。轨道最低点位于北纬60度上空。北半球上空的低高度轨道使"信使"能对水星地质和巨型卡路里撞击盆地（水星上最大的已知表面特征）的成分进行详细的研究。 　　星上推进剂约有33%需用来进行水星轨道进入，即将探测器送入其围绕水星的主科学探测轨道。“信使”的推力器必须使探测器速度降低比0.83公里/秒略高一点。随着探测器接近水星，其最大的一台推力器必须指向接近探测器前进速度的方向。首次机动（耗时约15分钟）将把探测器送入一条稳定的轨道，并为2至3天后在接近轨道最低点处进行时间短得多的最终机动创造条件。 　　“信使”到达主科学探测轨道后，太阳辐射压力等一些小的力会缓慢地改变探测器的轨道。尽管这些小力对“信使”12小时的轨道周期影响很小，但仍能增大探测器的最低高度、轨道倾角和"信使"最低点下方表面投影点的纬度。如不加以纠正，探测器最低高度的这种增加会妨碍某些科学目标的圆满实现。 　　为使该最低高度保持在500公里以下，每个水星年（即每88天）都必须成对进行推进机动。每对机动中的第一次将通过在距水星最近处使探测器加速来把轨道周期增加到12小时15分钟。飞行2.5圈后在距水星最远处进行的另一次机动将使探测器减速，以恰好使轨道周期调整回12小时，并使最低高度变回200公里。由于遮阳罩必须要能对探测器的主要部分提供保护，使之在推进机动过程中不受阳光直射，所以这些机动只能在水星挨近当初探测器进入水星轨道时它在其运行轨道上所处的位置之时进行，而这样的时机一年中只有几天。 　　“信使”12个月的轨道飞行只相当于两个水星太阳日，而每个水星太阳日（两次日出之间的时间）相当于176个地球日。第一个太阳日将集中利用不同仪器获取水星的全球地图产品，而第二个太阳日将集中进行预定的科学研究。 　　　　探测器设计 　　“信使”主要由推进分系统、电源分系统、姿控分系统、热控分系统、电子设备及天线和科学有效载荷组成。 　　“信使”采用双模态液体化学推进系统来进行巡航和入轨机动。它的16台小型单元推进剂推力器（用于使主贮箱推进剂沉底和进行小幅度轨道修正机动）采用肼推进剂，主双元推进剂发动机（用于飞往水星途中和入轨过程中的大幅度路线修正机动）采用肼和四氧化二氮作推进剂。推进系统与星体结构集成为一体，以节省质量。探测器上共携带约600公斤推进剂，占约1100公斤探测器发射总重的将近55%。 　　星体结构主要由石墨环氧材料制成。这种复合材料结构不仅质量较小，而且具有足以耐受发射环境的强度。两块大型太阳能帆板以及一组氢镍蓄电池用于为“信使”提供电力。 　　每个冗余配置的集成电子模块（IEM）都装有两台处理器（一台为25兆赫主处理器，另一台为10兆赫故障保护处理器），堪称是探测器的“大脑”。 　　姿态确定（即确定探测器所在的位置和指向）利用星跟踪相机和一台惯性测量装置（IMU）完成，并由6台数字太阳敏感器作为备份。惯性测量装置内设4个陀螺和4台加速度计。姿态控制主要利用探测器内的4个反作用轮进行，必要时可动用"信使"的小型推力器。 　　“信使”将主要通过其圆极化X波段相控阵天线来接收指令和发送数据。 　　“信使”设计上的关键一环是如何应对水星的高热环境。在那里，太阳的亮度比在地球上高出多达11倍，表面温度可达450摄氏度。但“信使”将在由耐热陶瓷织物制成的遮阳罩的遮护之下在室温条件下工作。这种被动防热设计的采用避免了对高温电子器件的需求。 　　探测器的其它重要特点还有：（1）所有重要系统均采用冗余设计；（2）采用商用现成器件和标准数据接口，避免了对未经验证或代价可能过高的新技术的需求；（3）继承了“近地小行星交会”（NEAR）等项任务所用的分系统设计；（4）天线采用固定安装方式，避免了因天线展开机构出问题造成失去联络的可能性。 　　　　有效载荷

“信使”的7台科学有效载荷（即探测仪器）是精心选定的，用于回答本次任务的六大关键科学问题。大部分仪器刚性安装于星体上，所以要利用探测器在水星上方的动作来实现探测。　　　（1）水星双重成像系统（MDIS）该仪器由广角和窄角成像仪组成，将测绘地貌，跟踪表面光谱的变化，并采集地形信息。一个回转平台将帮助使该仪器指向科学家们选定的方向。两台成像仪就像是"信使"的两只双眼。 　　（2）伽马射线与中子光谱仪（GRNS）该仪器将探测水星表面上的放射性同位素或被宇宙射线激发过的表面元素放射出的伽马射线和中子。它将用于测绘不同元素的相对丰度，并将有助于确定从未受到过阳光直射的水星两极区域是否有冰存在。 　　（3）X射线光谱仪（XRS）来自太阳的伽马射线和高能X射线到达水星表面后，会使表面元素放射出低能X射线。X射线光谱仪将探测这些射出X射线，以测定水星地壳物质中各种元素的丰度。　　　（4）磁强计（MAG）该仪器位于3.6米长支杆的末端，将用于测绘水星磁场和搜索水星地壳中的磁化岩石区域。 　　（5）水星激光高度计（MLA）该仪器由一台激光器和一台传感器组成。激光器将向水星表面发射激光，而传感器则将收集从表面反射回来的光线。两者将共同用来测定光线往返水星表面一次所用的时间，由此确定距离的远近。记录下距离的变化，将使科学家得到非常精确的水星地形测量数据。　　　（6）水星大气与表面成分光谱仪（MASCS）该光谱仪对红外到紫外波长的光线敏感，将用来测定大气气体的丰度和探测表面上的矿物质。　　　（7）高能粒子与等离子体光谱仪（EPPS）该仪器将测定水星磁层中带电粒子（电子和各种离子）的成分、分布和能量。　　　“信使”还将进行一项射电科学（RS）研究。这项研究将利用探测器的通信系统，通过多普勒效应来测定探测器绕水星做轨道运行时其速度非常细微的变化，而这将使科学家能够研究水星的质量分布，包括其地壳厚度的变化情况。（山丹）　　来源：中国航天杂志

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