水星及其矿产资源探索研究（7）
胡经国
（续前）
八、水星资源探索
1、水星铁质内核
据报道（20170802），在太阳系八大行星中，除了地球以外，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，其中心有一个比月球大得多的铁质内核。水星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（约为8亿吨）计算，可以供人类开采2400亿年。
水星有一个相对大的（即使是与地球相比）的铁质内核；水星由大约70% 的金属和30% 的硅酸盐组成，以致其密度较高。
其平均密度为5430kg/m3；略微地小于地球密度，但是比金星密度大。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%。其铁质内核占据了42% 的水星容积（地核只占17% 。水星地核的周围是600km 厚的水星地幔。水星的总重量约为30000兆公吨。
2、水星极区发现大量水冰
据美国宇航局网站报道，该局正在水星轨道运行的“信使号”探测器获取的最新数据显示，在这颗行星上拥有大量水冰。大卫·劳伦斯（David Lawrence）是来自约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的“信使号”首席科学家，也是一篇发表在在线版《科学通报》杂志上论文的第一作者。劳伦斯表示：“最新数据显示，在水星极区存在水冰。如果将这些水冰平均铺满整个华盛顿，那么其厚度将超过两英里（约合3.2公里）。”
考虑到水星距离太阳如此之近，这颗行星上似乎是不可能存在水的。但是由于水星的自转轴倾角非常小，接近于零（更准确地说是不到1度），因而在水星的极区存在很多永久阴影区。科学家们在数十年前便开始猜测，在这些永久阴影区内可能存在水冰。
1991年，这一想法得到了一项重要证据。当时，世界上最强大的射电望远镜——设在波多黎各岛上的阿雷西博射电天线向水星发射的雷达波，在其反射信号上发现，这颗行星的极区存在一些反射率高的异乎寻常的“亮区”。这些“亮区”的雷达波反射率非常高，其特性和水冰非常相似。除此之外，很多这种明亮反射区的位置，与20世纪70年代美国“水手10号”探测器拍摄的水星地表大型陨击坑的位置相对应。不过科学家们一直无法确定这些亮区的位置和极区的那些永久阴影区位置是否同样相互吻合。
但是，随着“信使号”抵达水星，这一切疑惑都烟消云散了。“信使号”探测器搭载的水星双成像系统，在2011年和2012年年初拍摄的图像证明，那些强烈反射雷达波的亮区，的确都位于水星南、北两极的永久阴影区内。
而来“自信使号”的最新数据确认了水星北极永久阴影区内沉积物质的主要成分确是水冰。在其中一些最寒冷的区域，水冰直接暴露于地表；而在一些稍稍温暖一些的区域，则似乎有一些稍显暗色的物质覆盖在水冰表面。
“信使号”使用中子能谱设备测量雷达反射亮区的氢原子丰度。通过这些测量数据就可以推算出冰的富集量。劳伦斯表示：“这些中子数据显示，在水星极区的高雷达反射区域存在一层平均厚度约为数十厘米的富氢物质层，其上方还覆盖有一层10~20厘米厚的表层，而这层表层中的氢含量则相对较低。”他指出：“这层覆盖在下方的富氢层的氢含量比例与纯净的水体相当。”
3、水星极区发现暗色沉积物
根据美国宇航局戈达德空间飞行中心的格里高利·纽曼（Gregory Neumann）的说法，“信使号”搭载的水星激光高度计（MLA）获得的数据，已经在水星地表获取了超过1000万个高程数据，并且用以制作了高精度的地形图。这些高程数据同样支持了水冰存在的看法。在另外一篇论文中，纽曼和同事们报告，首次对水星处于永久阴影区的北极地区进行的高程测量结果显示，这些区域存在一些不规则的明亮和暗色的沉积物。
纽曼表示：“在此之前，还从未有人在水星上看到过这些阴暗区域，因此它们一直充满神秘感。”纽曼认为，这些明亮和暗色的物质都是由彗星或小行星携带到水星上去的。这种说法得到了加州大学洛杉矶分校大卫·佩吉（David Paige）教授一篇文章的支持。佩吉指出：“这些暗色物质可能是一些复杂有机化合物的混杂体；它们由彗星和富含有机物的小行星在撞击水星时携带而来。可能也正是通过同样的机制，水也被带到了这颗太阳系最内侧的行星上。”
西恩·所罗门（Sean Solomon）来自哥伦比亚大学拉蒙特－多赫提地球观测台，也是“信使号”项目首席科学家。他说，覆盖在水冰成分表面的一层黑色物质让事情变得更加复杂了。他说：“在超过20年的时间里，科学家们一直在争论这颗最靠近太阳的行星上的永久阴影区是否存在大量的水冰。现在“信使号”为这个问题给出了一个明确的肯定答案。”
不过，所罗门也指出：“新的观测结果也引出了新的问题。这些位于极区的黑色物质大部分都是有机质吗？这些物质究竟经历了何种化学反应过程？水星地表或地下是否有一些区域同时存在液态水和有机质？只有对水星开展持续的研究，我们才能最终回答这些问题。”
4、真正发现水星极区有冰
2014年，在美国航天局派往水星的探测器“信使号”早前传回的照片中，发现北极地区一个陨石坑附近有冰的存在，这是首次真正发现水星有冰。
学者早于两年前已透过间接的分析指出，水星上存在着冰，但是二这次则是首次直接探测到。专家估计，冰块有数以十米厚，但是亦可能延伸至坑洞之内。虽然水星围绕太阳公转一圈需时58个地球日，几乎整个大地都被阳光照射着，但是而水星的极区则永远无法被太阳照射到，温度低得有机会让冰形成。
5、如何开发利用水星
据报道（20170802），据认为火星是最受地球人类青睐的可移居的候选行星。相比于火星，最接近太阳的行星水星能否为人类提供更多的生存机会？
2016年5月9日，水星再一次从太阳和地球之间掠过，距离上一次掠过已经有10年。对于地球人类而言，位于太阳系最内侧的水星曾经是一个谜。因为它与太阳非常靠近，时常被猛烈、刺眼的太阳光淹没，使得我们很难仔细观察它。
但是，太空时代的来临改变了一切。尤其是美国宇航局发射的“信使号”探测器传回的数据让我们认清了水星的一部分真面目。而日本和欧洲航天局则将于2017年联合发射第3个造访那里的探测器“贝皮科伦坡号”，对水星展开进一步的探测研究。
那么，水星有什么为人类服务的潜能呢？未来的人类又将如何开发利用它呢？在此之前，我们得先来了解一下这颗距离太阳最近的行星的基本特征。
⑴、水星的若干特征
①、运动特征
直到19世纪60年代，人们才确定，水星围绕太阳运行一周仅需88个地球日；而1个水星日，即水星的一天，则大致相当于59个地球日。地球人每天都能看到太阳从东方升起（日出），可是水星的情况和地球则不太一样。“水星人”不是每天都能看到日出的。你知道这是为什么吗？那是因为，水星离太阳太近了，它是太阳系中运动速度最快的行星；每自转3周才是一次昼夜（地球自转一周是一次昼夜）。因此，假如你站在水星表面上任意一点，那就需要3个“水星日”（约为176个地球日）才会看到一次日出。与此同时，水星每自转3周时，正好公转了2周，因此水星上的一昼夜，等于水星的两年。
②、断崖地貌：皱脊
水星具有有很多类似于月球的特征：一颗无风的小星球，其岩石组成的表面上布满了许多凹凸不平、大小不一的陨石坑。但是，水星表面还有另外一个特征——有一种高低差达好几千米的特殊断崖地貌，它们被称为“皱脊”。你可以把它们想象成苹果干瘪以后表皮的褶皱，而这种地貌则只有在水星上才能看到。
③、重力特征
水星的重力会让你感到惊讶。虽然这颗行星的体积仅比月球大一点，但是它的重力却比月球大出1倍。人们猜测水星曾经是一颗更为庞大的星球，大小类似于地球，有一个主要由铁组成的内核和一个岩石状地幔。后来，受到其它星球的大撞击，水星外壳和大部分地幔被碰撞掉了，只剩下一个“特大号”的核心。由于仅剩的这个核心具有较高的密度，因此它的重力比月球的大很多。
④、温度特征
如果你能站在水星上，看到的太阳会是从地球上看到的大约2倍大小；再加上水星几乎没有大气层，因此白天水星上的太阳辐射非常强，中午的地面温度能达到427°C，足以将人熔化掉；而夜间又没有大气来保温，深夜的温度将骤降到将近-173°C。
⑵、水星的太空战略价值
此时，你也许会问，水星的环境与地球相差甚远，除了能进行科学探索和一些非常极端的太空旅游活动，我们为什么还要去水星呢？事实上，水星所处的位置，可能是太阳系中最具太空战略价值的位置之一。
①、获取丰富的资源
首先，如果我们要离开地球发展星际文明，那么就得需要很多能源和原材料。
由于位置优势，水星接收到了大量的阳光；水星上1平方米面积内获取的太阳能相当于地球上6平方米面积所获取的太阳能。另一颗经常被“吹捧”为获取资源的最佳候选星球之一小行星——谷神星（一颗矮行星，位于火星和木星之间），则需要60平方米。
至于说到原材料，有人提议从地球上开采；但是这种方法不但会破坏地球环境，并且如果从地球上开采材料再送到太空去的话，那么运输费用会相当昂贵。因此，从经济角度上来讲，在太空中开采原材料更加划算。
那么，在太阳系众多星球中，哪些才是开采原材料的合适星球呢？大家第一个可能会想到月球。不错，根据我们对月球的了解，它的表面确实拥有钙、镁、钾，甚至像钛和铝等重金属元素，人类当然可以利用月球。但是，月球的核心相对较小，矿产资源的开采深度最深可能只有1400千米，也许很快就会被用光。相比之下，水星的地幔中也有许多和月球一样的原材料，而且水星核心相对较大，也就是说，水星拥有更大的原材料开发潜力。
此外，水星接收到的大量太阳能可为采矿作业提供动力。将在水星开采的矿产资源打包以后，利用太阳能运输工具，可将它们送往太阳系其它地方。
②、建设太空港口
想象一个太阳帆，很薄但是很结实，也许是用水星上的铝制作而成的。当阳光照到太阳帆上，就会产生一种推力，也就是太阳帆行驶需要的动力，使其得以飞行；然后带动载人航天器飞往其它星球。
在地球，800米宽的太阳帆将得到大约5牛顿的光压力，相当于美国宇航局“黎明号”探测器（前往谷神星的探测器）使用的离子推进器产生的力。显然太阳帆越接近太阳，获得的推力就越大。在水星上，直径不到400米的太阳帆就能得到相同的推力。
1984年，美国物理学家和科幻小说家罗伯特·福沃德在他的小说中，就曾经提出一种围绕着水星的推进系统。福沃德的推进系统是“一套激光站”，总共1000个，每个宽30千米，它们将捕捉到的太阳能转换成总功率约为1300太瓦的激光束，总量相当于地球获取的总太阳能量的1%，来推动太阳帆航行。
如果你想乘坐太阳帆去往海王星，你可以先造访水星；因为水星距离太阳最近，可以使太阳帆获得更大的推力，从而获取更大的加速度，使你能快速向海王星飞去。这样看来，水星有一天可能会成为太阳系的“造船厂”和中转“加油”的主要港口。
③、水星地球化的优势
除了将水星打造成太空港口以外，水星的未来还能有更大的奇迹吗？我们能不能把它变成另一个地球？
假如有一天地球不能再适宜居住，人类的一个选择是在太阳系内“复制”出另一颗“地球”。此时，我们通常考虑的是火星。火星的轨道与地球相似，日长也差不多，还拥有一些必要的生存物质，比如水和碳。目前，火星是太阳系内的宜居星球的最佳选择。
③-1、表面重力较强
但是，如果将火星排除在外的话，那么还有其它候选星球吗？科学家也考虑过谷神星和月球。不过，太阳系的另一颗行星——水星其实也有一些自然的优势，例如，表面重力较强。地球有着厚厚的大气层，而像月球、谷神星、水星等星球，大气层非常稀薄，因此如果要将它们改造成另一颗“地球”，那么就要将类似地球的大气“进口”到该星球上。相比谷神星、月球等候选星球，由于水星具有更强的表面重力，能够留住更多“进口”大气，因而它会更像地球。
③-2、极区水冰
但是，水星离太阳那么近，那么人类该怎么在如此猛烈的阳光下生活呢？有人计算过，如果将水星白天改造成地球白天那样，那么水星至少要减少平时所接收阳光的84%。于是，人们想出了一个办法，利用一台巨大的偏转镜——跟水星本身差不多大的一面遮阳板，也许就能够挡住强烈的阳光。
水星上的昼夜温差将近600°C，如此之大的温差，你也许会认为人类永远不可能在水星上生活。但是，通过观测，科学家发现，水星的两极地区有一些环形山，太阳永远照耀不到那里；黑暗的阴影区可能存在冰层——这是“信使号”探测器发现的一个奇迹；冰层规模大约有100千米宽。这些冰也许是未来移民者的生活必需品，人类有机会利用水星两极地区的冰以及人工的保温装置打造出人造的移民环境。
（未完待续）
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