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重點提要
■水星一直讓科學家備感困惑。它只比月球大1/4，但全星磁場等特色卻和地球很像。它的表面有許多坑洞，卻又有許多較年輕的地質活動跡象。
■2008、2009年，美國航太總署的傳信者號進行1970年代中期以來首次飛掠水星。它拍攝到以往未曾仔細觀察過的半球影像，同時意外發現劇烈的電漿活動。
■今年3月18日，傳信者號終於將進入環繞水星的軌道，並開始執行為期一年的軌道任務。單單抵達水星附近就已經相當困難，因為水星的公轉速度相當快，而且十分接近太陽。
有個老笑話是這樣的：吃蘋果時，比發現一條蟲更糟糕的事，就是發現半條蟲。1974年3月29日，行星科學家就有類似的感覺。當時水手10號飛掠過水星，讓人類首次有機會好好觀察這個水深火熱的小小世界。它在水星上發現了太陽系中最大的撞擊盆地，後來命名為卡路里盆地。但太空船只拍攝到半個盆地，另一半被黑暗所籠罩。事實上，水手10號那次和1974年底、1975年的兩次飛掠觀測加起來，拍攝到的水星表面還不到一半。
直到34年後，我們終於看清楚整個盆地，而且比先前的影像更令人印象深刻。2008年1月14日，傳信者號探測船（MESSENGER）飛掠過水星，傳回地球的第一張影像中，卡路里盆地就幾乎在正中心。我同事夏波（Nancy Chabot）展示這張影像時，大家都歡呼起來——不過沒有歡呼多久，因為後來我們開始熱烈討論影像中的東西究竟是什麼。它看起來像是黑白顛倒的月球影像。雖然水星坑坑洞洞的表面跟月球很像，但月球上的盆地內部陰暗又充滿熔岩，而卡路里盆地則滿是淺色的平原，我們至今仍不太了解。
水星是目前探索最少的內行星，它的表面地形和亮度變化只是眾多奧秘中的兩個。2004年發射升空的MESSENGER，是「水星表面、太空環境、地理化學與漫遊探索」的縮寫，目的是解答六個主要問題：水星表面的組成是什麼？水星的地質史？這麼小的行星怎麼會有全星磁場？水星的磁性核心仍是熔融狀態嗎？雷達圖中位於水星兩極的亮塊是什麼？水星稀薄的大氣由什麼過程主導？相較於水手10號當年只是在掠過時匆匆瞥上幾眼，傳信者號將進入環繞水星的軌道，深入研究水星，完成水手10號未完成的工作。
前往水星
朝地獄降落
水手10號任務之後隔了30年才有後繼任務，原因之一是前往水星並在水星順利運作，在技術上頗具挑戰性。太空船如果從地球直接朝水星前進，會落入太陽的重力場，速度將加快到超過水星的公轉速度，每秒快了13公里。傳統火箭引擎使太空船減速的幅度，不足以讓太空船被水星重力捕捉而進入軌道。就所需能量而言，雖然木星比水星遠得多，但其實水星比木星更難抵達。
要成功抵達水星，傳信者號必須先飛掠地球一次，再飛掠金星兩次、飛掠水星本身三次。每飛掠一次，太空船就轉移一部份動量給行星。這個程序和推動太空船前往外行星所使用的重力彈弓效應相同，只不過其軌道設計是協助太空船減速，而不是加速。經過六年半之後，這一連串飛掠可使太空船的秒速降低11公里。
傳信者號的主火箭引擎已經完成任務。太空船的構造就像是個飛行油箱，除了推進燃料槽之外，其他的構造盡量簡化及輕量化。發射升空時，太空船的總質量為1100公斤，其中有600公斤是燃料。
抵達水星只能算是成功一半。在水星上，太陽亮度是在地球上的11倍，水星表面的溫度更是高到足以熔化鋅。太空船必須躲在以陶瓷纖維編織而成的遮陽板 底下。太陽能板 當然不能躲在遮陽板下，不過即使太陽能板可在高溫中運作，我們仍必須將它大幅傾斜，使它只吸收一小部份陽光，不致過熱。
科學儀器必須暴露於水星表面。為了承受高溫炙烤，攝影機 放置在400公克的石蠟上，太空船的繞行軌道較低時，石蠟會熔化並吸收熱；當太空船回到高空或進入陰暗面，石蠟又會凍結，等待下一次循環。
另一項挑戰就是水星的自轉相當慢。水星上的一個太陽日（兩次日出之間的時間）等於176個地球日。在為期一地球年的任務中，許多地點只有一小段時間可在最理想的環境下進行觀察。
地 殼
比想像中活躍的地質活動
在水手10號任務之前，某些科學家猜測水星的地質和月球一樣死氣沉沉。行星或衛星內部的熱散失之後，地質活動也會停止，而這一天什麼時候會到來，則取決於天體大小。天體較小時，表面積相對於體積的比例較大，因此冷卻得較快。由於水星只比月球大1/4，因此地質史應該相當類似。但水手10號傳回的影像中，似乎有火山形成的廣闊平原，讓人開始質疑這種看法。但這很不容易說分明。從遠處看來，月球上的凱萊平原同樣看起來像不尋常的火山平原，但阿波羅16號太空人在此著陸時，只看到隕石撞擊留下的碎片。
我們從來不認為傳信者號能像阿波羅16號一樣，很快地解答這個問題。它已經觀察到清楚證據，顯示水星上有各種色彩和成份的熔岩，以及以往曾經發生規模類似義大利的聖海倫斯火山的火山噴發。以電腦強化色調後，可看出這些關係。隕石坑內較低的區域充滿不同色彩的平滑物質，較小較年輕的隕石坑則翻出來自地殼內不同深度的各色物質。這些影像顯示，水星地殼最上層數公里是由一層層火山沉積物組成。
科學家藉由類似的地形和色彩畫出地勢的界線，已經製作出傳信者號時代的首幅新版水星地質圖。水星表面大約有40%（包括卡路里盆地 內部）是平原，其中許多可能是由火山造成。平原間的灰色區域是隕石坑較多、年代可能較久的平原 。與月球和火星相比，較值得一提的差別是平原的分佈狀況。月球的平原集中在面對地球的近地側，火星的平原位於北半球的廣大火山高原上，水星的平原則遍佈各處。水星最年輕的平原可能只有10億年，依照月球和火星的標準而言，算是相當新。
科學家還在持續研究涵蓋水星表面15%面積的藍色區域，例如托爾斯托盆地等。這些區域或許含有鐵和鈦氧化物，這些氧化物可能是撞擊時由地殼深處翻出來的，也可能是最古老的火山物質噴濺在較年輕的淺色熔岩上。
傳信者號在軌道上拍攝影像時，解析度將可達到飛掠時拍攝影像的三倍以上。此外，只有飛掠時這一小段時間可以運作的儀器，也總算能夠傳回品質最佳的資料。舉例來說，γ射線和中子光譜儀將延續1990年代地面雷達的觀測結果：水星的極地區域含有雷達反射率特高的物質，可能是水冰 。在如此灼熱的行星上，很難想像會有冰存在，但永遠在陰影籠罩下的兩極地區，則可能將彗星或含水量較高的隕石撞擊水星時帶來的水氣保存下來。
【完整內容請見《科學人》2011年第109期3月號】
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