颠覆认知！水星表面400度却有冰，地下甚至可能藏着几公里厚钻石

咱们书接上文，信使号探测器绕着水星转悠了足足4年。有关水星的知识，现在基本上都来自于信使号。说实话，信使号的发现颠覆了以前大家对水星的认知。

大家可能都知道啊，水星表面，太阳直射的那一面，温度达到400多度，可以说是非常热的一颗星球。其中最热的地方叫做卡路里盆地，这个词就是来自于热量嘛。这个地方，每当水星运行到近日点的时候，他恰好对着太阳。太阳光可以直射到这个盆地里面，所以这个盆地的温度可以飙到430多度。这还是现在水星已经冷下来以后的情况，想当初，整个内太阳系，特别是水星这个位置，那温度通常都要飙到2000K以上了。

原恒星想象图

早年间，太阳系的物质密度是比较大的，太阳的辐射非常强，远比现在要强多了，那个时候整个太阳刚刚形成也没多久，还处于不稳定期。而且各种小天体在互相撞来撞去，所以温度一般都比较高。另外，那个时候的放射性物质也比现在多。放射性物质在不断衰变，所以现在肯定比当初少。所以水星形成的那个年代，周边的环境温度应该就是2000K左右。但是通过信使号传回来的数据，科学家们发现水星上含有大量的易挥发元素，比如说硫、钾、钠，而且数量还不少。

大家可能会纳闷，这个硫钾钠这些东西怎么成了易挥发元素了？在行星化学领域，这个易挥发的标准跟我们普通说的那种易挥发不是一回事。钾钠这种金属，当它们的温度升高到900多度以上的时候，它们就蒸发了，就变成气体了，只有低于900k的时候，它们才有可能冷凝成固态。硫元素的冷凝温度就更低了，大概只有600~700k。以行星的标准，这就算是易挥发的成分了。比如说钙、铝和钛，这都是非常难挥发的。它们的蒸发温度都在1300~1400k左右。铁的凝结温度也很高。随着太阳系早期环境温度的不断降低，使这批元素最早凝固成固体，所以这些物质就是构成星球的主力军。

原恒星喷射出星风

过去科学家们推测，当水星逐渐凝固成型，变成一个行星的时候，这些比较易挥发的成分都会飘出来变成水星大气层的一部分。没错，那年头水星是有大气层的。那个时候的太阳风远比现在要强烈，水星距离又近，所以它受到太阳风强烈的吹拂，大气层就被逐渐吹散了。应该只剩下铁、硅酸盐这种硬骨头。

所以科学家们统计了过去的数据，发现呢，不管是地球、月球还是火星，只要距离太阳越近，它的挥发成分就会越少。但是等到科学家们看到信使号从水星发回来的数据，发现，水星北极地区的硫含量比地球高了50倍，钾含量是月球的5倍，完全颠覆了过去的规律。你不是说好了，距离太阳越近，这些挥发成分越少吗？为什么到水星这还攒了这么多挥发性成分？这玩意儿不好解释了呀。

大家都知道，水星拥有一个非常巨大的铁核心，这个铁核心已经大的有点不正常了。所以大家过去对水星的形成提出了很多的理论，比如说。有人认为是当初温度太高了，距离太阳太近，所以表面岩石都被晒成烟儿了。然后呢，这些烟就被太阳风给吹跑了，所以表面那层岩石的壳子就越来越薄，就显得中间那个铁核越来越大了。

另外还有一种说法，就是水星遭受了严重的撞击，表面那层熔点比较低的，岩石的壳子就蒸发殆尽了，就没剩下多少，所以就显得中间这个核特别大。另外，这种撞击还使得水星更加靠近了太阳，同时水星也没有任何卫星，为啥呢？就算有卫星都给你撞跑了。

看上去这两种说法都很有道理，但是现在看来，这两种说法都被信使号的数据打了脸。因为这两种说法就意味着水星必然经历过温度极高的一段历史，如果真的有过这样温度极高的历史，水星上这些易挥发物质早就挥发光了，怎么会留下这么多呢？它的易挥发物质的水平跟遥远的火星是同一个量级。

所以啊，要解释这种现象，我们就不得不回到45亿年前太阳诞生的那一刻。在原恒星盘之中，温度超过1400k的范围之内，硅酸盐矿物就会被分解。只有氧化物和金属能够凝聚成固体。而且那种环境是一个还原性的环境，几乎没有多少氧元素。温度并没有想象的那么高。

那么有人有疑问了？45亿年前靠近太阳的地方，真的存在过这样的环境吗？你别说还真的有证据，科学家们曾经获得过一类极其稀罕的陨石，叫做“顽火辉球粒陨石”。这种球粒陨石的成分和水星表面的成分几乎是一模一样的，那就是铁含量特别低，但是硫含量、碳含量特别的丰富。氧含量极低，几乎是没有。这种罕见的陨石，有可能就是当初内太阳系构建行星剩下的边角料。很可能和水星系出同源。根据信使号传回来的数据，水星上的碳元素也不少，石墨含量也比较高。这不就对上茬儿了嘛。

顽火辉球粒陨石

那么我们就以这个条件为基础进行分析。水星轨道距离太阳是0.4个天文单位，当时的太阳不是现在这么一个边缘极其分明的恒星，而是一个原恒星。周围的气体弥漫。这个地方的温度足以让铁镍这种金属完全熔融，硅酸盐完全汽化。但是你别忘了，万有引力始终是存在的。只要环境温度下降，这些比较重的金属物质就开始慢慢的聚集，往一块儿凑。密度比较低的硅酸盐粉尘被太阳风向外侧吹，不太容易保留下来。所以水星就是在这样一个环境下完成了吸积，所以它核心的半径占了行星总半径的80%，这个比例已经远超过地球了。

你别忘了，当时周边的环境是一个氧含量极低，绝大部分物质都是还原性物质的环境。这也就意味着金属形成不了化合物，铁就是以单质的形式存在的，这玩意儿密度大，所以就开始往水星的核心聚集。当早期水星炙热的岩浆海洋逐渐冷却到1200度以下的时候，石墨就会大量析出。这玩意儿的密度是小于岩浆的，所以它就会飘在上面，形成了一层厚达好几公里的原始石墨地壳。这个玩意儿会糊的严严实实的，把铁完全封在了核心里面，所以水星的表面反而没有什么铁。同样，因为是个缺氧环境，石墨也是以单质形式存在，它也形成不了化合物，否则的话它早变二氧化碳跑没了。这就是水星上碳含量也比较高的原因。

纯碳这玩意儿可是个好东西哦，在水星表层的地下有这么一层碳元素组成的壳层，在高温高压下，它就会变成大钻石哦，也就意味着水星内部应该是有一个钻石地层的。大家是不是听到这个消息以后，开始眼睛发亮了？可惜这玩意儿不太好开采啊。巧了，钻石的散热能力特别强。所以有了这层大钻石，水星的火山活动期比其他星球要短，谁让这家伙凉的太快呢。

在水星表面几百公里以下的内核深处也上演着一场肉眼看不见的雪景。因为水星拥有一个占行星半径80%的巨型铁核，这个铁内核不完全是固体，其中有2000公里是固体内核。其他部分都是在以液体的方式进行对流。这个对流的方式也是极其特别的。这个过程很像是地球上的降雪。

当然了，水星的这个铁核，它不完全是纯铁，里面含有大量的硫化铁或者是硅化铁体系。硫元素在这场铁晶体降雪的过程中，它扮演着防冻剂的角色，纯铁的熔点是1538℃，但是当合金中掺杂了15%~20%的硫以后，它们凝固的温度就降到了988度。所以正因为硫元素的存在，可以让这一锅铁水在温度更低的情况下，依然保持着液态。

一般来讲，越靠外温度越低，所以这层液态铁核的顶层温度降到1500度以下，这时候铁原子就开始聚集了。形成了直径大概几微米的立方晶体，你就想象吧，那个巨大的液态的铁的海洋里边出现了一个一个小结晶。就像漂浮在空气中的尘埃一样，这些尘埃也会下落。虽然下降的速度很慢，每年只有几毫米，但是持续上亿年，它们就会降到底下更热更深的地区，当内核温度更高，小晶体一边下降，一边升温，当温度回升到2000度以上的时候，这些小晶体就会重新融化，变成液体。

铁水

而且这些铁晶体降到内核的过程，也是一个重力势能变成热能的过程。既然铁晶体析出来往内核掉，那么顶部的铁元素就会逐渐变少，硫元素的比例会逐渐增加。这就是水星内核里面对流的方式。这就形成了一种非常特殊的双层对流。这就使得水星到今天为止，依然保持着非常微弱的磁场。它的强度只有地球磁场的1%。

当然了，铁晶体颗粒的分布是不对称的，有的地方多有的地方少，所以水星磁场的也是偏心的。根据信使号发送回来的数据。水星的整体磁场向北偏移了480公里。所以北极附近的磁场就比南极附近要强，所以太阳风更容易轰击水星的南极地区。因此，水星南北的地表颜色是不太一样的。

这种内核降雪的对流模式，其实也不仅仅只有水星拥有，木卫三也是其中的一个典型，木卫三的内核也含有大量的硫元素。同时，科学家们也怀疑，火星的某个阶段，内核的对流也是采用了这种下雪的模式，但是现在还是不是这种模式就不好说了。那么咱们地球的内核有没有这种，上面先凝结，内核还是熔融的状态？现在大家认为可能不是，地球的冷却是从核心先开始凝固，然后外围再凝固，所以不太会有这种下雪的对流方式。

普罗科菲耶夫撞击坑

在水星的北极地区，有一个名为“普罗科菲耶夫”的撞击坑，它直径112公里。这个撞击坑的坑壁是非常陡峭的。水星的自转轴几乎就是垂直于轨道面。所以。北极地区有些撞击坑的坑底，是永远都不见阳光。正因为水星表面几乎都没有大气层。也没有气体过来传热，所以水星朝着太阳的那面温度是400多度，但是你沿着这个大坑的坑壁往下出溜，躲开太阳直射。每下降一米，温度下降2℃，当你到这个坑底的时候，你就会进入一个永恒的不见阳光的世界。温度稳定在-170度，比地球上最冷的南极还要更冷。

信使号的中子能谱仪，在这个地区发现了氢原子的聚集信号。不对啊，如果钾钠这种金属和硫这种物质都算是易挥发。氢元素这个玩意儿，那就是极易挥发呀。怎么这个地方会含有氢元素呢？氢元素肯定不是以气体形式存在的，那是以什么形式呢？只能是水，也就是说，在这个不见天日的盆地之中，是含有几十亿吨的冰。

当然了，在水星两极的这些盆地之中，也不是只有冰，在这冰上面还有一层厚达二三十公分的复杂有机化合物，包括长链的烷烃和芳香烃。这些物质就和碳质球粒陨石中的有机物是惊人的相似。这玩意儿散热可没那么快，这就等于给极地的冰盖盖上了一条毛毯。

小天体撞击

那问题来了，这些水是从哪来的呢？按照科学家们的猜测，应该是来自于小天体的撞击。不是小行星，就是彗星。彗星不是号称脏雪球吗？也就是说它不仅仅带来了水，有可能也把有机分子带到了水星上。所以啊，来自太阳系早期的那些水和有机物，就在这些永久的阴影区里面保存到了今天，变成了来自远古的时间胶囊。

信使号不是拍摄了20多万张照片吗？这个家伙足足绕着水星转悠了4年，传回了大量水星表面的地形地貌。乍一看，水星上也到处都是陨石坑和火山口，似乎跟月球背面没什么差异。但是有一些特征还是不太一样。水星上有一些大坑啊，长得不太像火山口，也不太像陨石坑，因为这些坑长得特别像雀斑，它不是规则的圆形。但是这些坑的周围围绕着一圈反射率高达30%的物质。

这些地形地貌在其他行星上从来没见过。只有水星上有这玩意儿。科学家们认为，这恰恰是水星依然在进行呼吸的证据。水星在慢慢变凉，它变冷的速度比别的行星还要快一点，它体积又小，所以他经历了严重的热胀冷缩过程，整个星球在收缩，所以它的表面就出现了大量的褶皱和断层。结果呢就导致地下深处的各种挥发性物质冒出来了。这种玩意儿就聚集在了靠近地表的地方。当然了，这玩意儿不是直接暴露在水星表面，而是在浅层的地下埋藏。

塌陷坑也会发育生长

但是吧，如果有个微陨石砸下来，撞击产生了巨大的热量。地下某些地方，这种挥发性物质就瞬间气化蒸发呀。然后呢，这些挥发性气体就得找个破洞跑出来。这些物质蒸发光了，下边就出现了一个空腔，然后呢，这个空腔塌了，就变成了一个外形不规则的大坑。在坑边上的那些比较明亮的物质，就是刚从地下被翻出来的那些挥发性物质。刚出来没几天，受太阳光照的时间还短，所以没有充分的老化，反光率还挺高，时间长了它就黑了。

这种地形地貌的直接诱因来自于太空的陨石撞击。但是根本原因还是来自于水星的收缩过程，因为收缩过程，它整个表面变得坑坑洼洼的，到处都是裂缝，所以才有可能让地下的挥发性物质冒出来。所以啊，水星并不是一颗完全死掉的行星，它还在一戳一蹦哒，时不时弄出点幺蛾子。

信使号的使命已经完成了，接班人贝皮可伦坡号也早已上路，它的轨道设计比信使号还要麻烦。信使号的一大问题，那就是它的轨道是个长椭圆，它总是凑近了水星看一眼，然后慢慢又离开了。然后等着下一次转过去，再凑近再看一眼，又离开了。而且因为特殊的轨道周期，所以它每次都是从北极上空路过，北极看得真真切切清清楚楚，但是南极压根看不清楚，距离太远了。贝皮可伦坡号不打算采用这种模式，所以它的轨道设计就更加复杂。

贝皮可伦坡号

这个贝皮可伦坡号实际上是个双探测器，一颗是欧洲人搞出来的，一颗是日本人搞出来的。这两个探测器发射的时候是捆绑在一起的，用一个水星转移模块把这两个家伙送到水星。转移模块上配备了离子推进器，特别省燃料，可以长时间开机加速。而且中途要借助9次引力弹弓效应，才能最后被水星所捕获。

就在2025年的12月5号，这两个探测器分离了，正式进入了环绕水星的轨道。它俩可是贴着水星的皮儿转，拍回来的照片会更加清晰，更加丰富。为了扛住极端的高温，这俩还做了特殊设计。当然了，这两颗探测器刚刚进入环绕水星轨道没几天，它俩还没开始正式工作，这两颗探测器的主要研究目标就是把信使号没有完全搞清楚的事儿搞搞清楚，比如说，内核里面不是在下雪吗？那么这个雪下的到底有多大？北极的陨石坑里面不是有大量的冰和有机物吗？这些有机物到底是哪些成分？还有水星地表上的那些塌陷，那些凹坑，是不是现在还在往外冒气？这些事情都要好好研究清楚。

2024年9月5日，利用水星做第4次引力弹弓期间拍摄的

这两颗探测器的一个精妙之处，是在于它解决了困扰信使号多年的一个干扰问题。因为距离太阳太近，太阳风的干扰无处不在。如果你只有一颗探测器，你在测量磁场波动的时候，你搞不清楚这个磁场的波动到底来自于水星的核心内部还是来自于太阳风的干扰。这次呢有两个探测器了，从不同位置进行测量，我们就有办法把太阳风的干扰给剔除掉，测量的精确度会更高。磁场你要是测不清楚的话，你就回答不了内核的问题啊。

当然了，贝皮可伦坡号刚刚到位，所以呢，还没有什么新的成果发布，将来有什么新消息，我会再给大家解读。好了，大家如果对一开头我们介绍的研学营感兴趣呢，您不妨到科学史评话公众号去回复科学思维，或者是合肥，就可以看到详细信息了，欢迎大家踊跃报名。吴老师可想你们了。

好，这次就说这么多了，下一次啊咱们要讲到朱诺号了。我们下回再说。