9.5: Mercurio
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Caracteriza la órbita de Mercurio alrededor del Sol
- Describir la estructura y composición de Mercurio
- Explicar la relación entre la órbita de Mercurio y la rotación
- Describir la topografía y las características de la superficie de Mercurio
- Resumir nuestras ideas sobre el origen y evolución de Mercurio
Órbita de Mercurio
El planeta Mercurio es similar a la Luna en muchos sentidos. Al igual que la Luna, no tiene atmósfera, y su superficie está fuertemente cráteres. Como se describe más adelante en este capítulo, también comparte con la Luna la probabilidad de un nacimiento violento.
Mercurio es el planeta más cercano al Sol y, de acuerdo con la tercera ley de Kepler, tiene el período de revolución más corto alrededor del Sol (88 de nuestros días) y la velocidad orbital promedio más alta (48 kilómetros por segundo). Se llama apropiadamente por el dios mensajero de patas flotas de los romanos. Debido a que Mercurio permanece cerca del Sol, puede ser difícil elegir en el cielo. Como cabría esperar, se ve mejor cuando su órbita excéntrica lo lleva lo más lejos posible del Sol.
El eje semimajor de la órbita de Mercurio —es decir, la distancia promedio del planeta con respecto al Sol— es de 58 millones de kilómetros, o 0.39 UA. Sin embargo, debido a que su órbita tiene la alta excentricidad de 0.206, la distancia real de Mercurio con respecto al Sol varía de 46 millones de kilómetros en el perihelio a 70 millones de kilómetros en el afelio (las ideas y términos que describen las órbitas se introdujeron en Órbitas y Gravedad).
Composición y Estructura
La masa de Mercurio es un octavo la de la Tierra, convirtiéndola en el planeta terrestre más pequeño. Mercurio es el planeta más pequeño (a excepción de los planetas enanos), teniendo un diámetro de 4878 kilómetros, menos de la mitad del de la Tierra. La densidad de Mercurio es de 5.4 g/cm3, mucho mayor que la densidad de la Luna, lo que indica que la composición de esos dos objetos difiere sustancialmente.
La composición de Mercurio es una de las cosas más interesantes de ella y la hace única entre los planetas. La alta densidad de Mercurio nos dice que debe estar compuesto en gran parte de materiales más pesados como los metales. Los modelos más probables para el interior de Mercurio sugieren un núcleo metálico de hierro-níquel que asciende al 60% de la masa total, con el resto del planeta compuesto principalmente por silicatos. El núcleo tiene un diámetro de 3500 kilómetros y se extiende hasta dentro de los 700 kilómetros de la superficie. Podríamos pensar en Mercurio como una bola metálica del tamaño de la Luna rodeada por una corteza rocosa de 700 kilómetros de espesor (Figura\(\PageIndex{1}\)). A diferencia de la Luna, Mercurio sí tiene un campo magnético débil. La existencia de este campo es consistente con la presencia de un gran núcleo metálico, y sugiere que al menos parte del núcleo debe ser líquido para generar el campo magnético observado. 1
Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Densidades de Mundos
La densidad promedio de un cuerpo es igual a su masa dividida por su volumen. Para una esfera, la densidad es:
\[ \text{density }= \frac{\text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} \nonumber\]
Los astrónomos pueden medir tanto la masa como el radio con precisión cuando una nave espacial vuela junto a un cuerpo.
Utilizando la información de este capítulo, podemos calcular la densidad promedio aproximada de la Luna.
Solución
Por una esfera,
\[ \text{density } = \frac{ \text{mass}}{\frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{7.35 \times 10^{22} \text{ kg}}{4.2 \times 5.2 \times 10^{18} \text{ m}^3} = 3.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber\]
Tabla\(9.1.1\) da un valor de 3.3 g/cm 3, que es 3.3 × 10 3 kg/m 3.
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
Usando la información de este capítulo, calcule la densidad promedio de Mercurio. Muestre su trabajo. ¿Su cálculo concuerda con la cifra que damos en este capítulo?
- Contestar
-
\[ \text{density } = \frac{ \text{mass}}{ \frac{4}{3} \pi R^3} = \frac{3.3 \times 10^{23} \text{ kg}}{ 4.2 \times 1.45 \times 10^{19} \text{ m}^3} = 5.4 \times 10^3 \text{ kg/m}^3 \nonumber\]
Eso coincide con el valor dado en la Tabla\(9.1.1\) cuando g/cm 3 se convierte en kg/m 3.
La extraña rotación de Mercurio
Alguna vez se pensó que los estudios visuales de las marcas superficiales indistintas de Mercurio indicaban que el planeta mantenía una cara al Sol (como la Luna lo hace a la Tierra). Así, durante muchos años, se creía ampliamente que el período de rotación de Mercurio era igual a su período de revolución de 88 días, haciendo que un lado perpetuamente caliente mientras que el otro siempre estaba frío.
Sin embargo, las observaciones por radar de Mercurio a mediados de la década de 1960 mostraron de manera concluyente que Mercurio no mantiene un lado fijo hacia el Sol. Si un planeta está girando, un lado parece estar acercándose a la Tierra mientras que el otro se aleja de ella. El desplazamiento Doppler resultante extiende o amplía la frecuencia de onda radar transmitida precisa en un rango de frecuencias en la señal reflejada (Figura\(\PageIndex{2}\)). El grado de ensanchamiento proporciona una medición exacta de la velocidad de rotación del planeta.
El período de rotación de Mercurio (cuánto tiempo lleva girar con respecto a las estrellas distantes) es de 59 días, lo que es solo dos tercios del período de revolución del planeta. Posteriormente, los astrónomos encontraron que una situación en la que el espín y la órbita de un planeta (su año) están en una proporción 2:3 resulta ser estable. (Consulte el cuadro a continuación para obtener más información sobre los efectos de tener un día tan largo en Mercurio).
Mercurio, al estar cerca del Sol, hace mucho calor a la luz del día; pero debido a que no tiene una atmósfera apreciable, hace sorprendentemente frío durante las largas noches. La temperatura en la superficie sube a 700 K (430 °C) al medio día. Después del atardecer, sin embargo, la temperatura baja, alcanzando los 100 K (—170 °C) justo antes del amanecer. (Hace aún más frío en los cráteres cercanos a los postes que no reciben luz del sol en absoluto). El rango de temperatura en Mercurio es así de 600 K (o 600 °C), una diferencia mayor que en cualquier otro planeta.
QUÉ DIFERENCIA HACE UN DÍA
Mercurio gira tres veces por cada dos órbitas alrededor del Sol. Es el único planeta que exhibe esta relación entre su giro y su órbita, y hay algunas consecuencias interesantes para cualquier observador que algún día pueda estar estacionado en la superficie de Mercurio.
Aquí en la Tierra, damos por sentado que los días son mucho más cortos que los años. Por lo tanto, las dos formas astronómicas de definir el “día” local —cuánto tarda el planeta en rotar y cuánto tarda el Sol en regresar a la misma posición en el cielo— son las mismas en la Tierra para la mayoría de los propósitos prácticos. Pero este no es el caso de Mercurio. Mientras Mercurio gira (gira una vez) en 59 días terrestres, el tiempo para que el Sol regrese al mismo lugar en el cielo de Mercurio resulta ser de dos años de Mercurio, o 176 días terrestres. (Tenga en cuenta que este resultado no es intuitivamente obvio, así que no se moleste si no se le ocurrió). Así, si un día al mediodía un explorador de Mercury le sugiere a su compañera que se reúnan al mediodía del día siguiente, ¡esto podría significar un tiempo muy largo de separación!
Para hacer las cosas aún más interesantes, recordemos que Mercurio tiene una órbita excéntrica, lo que significa que su distancia del Sol varía significativamente durante cada año mercuriano. Por la ley de Kepler, el planeta se mueve más rápido en su órbita cuando está más cerca del Sol. Examinemos cómo esto afecta la forma en que veríamos al Sol en el cielo durante un ciclo de 176 días terrestres. Veremos la situación como si estuviéramos parados en la superficie de Mercurio en el centro de una cuenca gigante que los astrónomos llaman Caloris (Figura\(\PageIndex{4}\)).
En la ubicación de Caloris, Mercurio está más distante del Sol al amanecer; esto significa que el Sol Naciente se ve más pequeño en el cielo (aunque aún más del doble del tamaño que aparece en la Tierra). A medida que el Sol sale cada vez más alto, se ve cada vez más grande; Mercurio ahora se está acercando al Sol en su órbita excéntrica. Al mismo tiempo, el aparente movimiento del Sol se ralentiza a medida que el movimiento más rápido de Mercurio en órbita comienza a ponerse al día con su rotación.
Al mediodía, el Sol es ahora tres veces más grande de lo que parece desde la Tierra y cuelga casi inmóvil en el cielo. A medida que avanza la tarde, el Sol aparece cada vez más pequeño, y se mueve cada vez más rápido en el cielo. Al atardecer, un año completo de Mercurio (o 88 días terrestres después del amanecer), el Sol vuelve a su tamaño aparente más pequeño ya que cae fuera de la vista. Entonces toma otro año Mercurio antes de que el Sol vuelva a salir. (Por cierto, los amaneceres y atardeceres son mucho más repentinos en Mercurio, ya que no hay atmósfera para doblar o dispersar los rayos de la luz solar).
Los astrónomos llaman a ubicaciones como la Cuenca del Caloris las “longitudes calientes” en Mercurio porque el Sol está más cerca del planeta al mediodía, justo cuando permanece sobre la cabeza durante muchos días terrestres. Esto convierte a estas áreas en los lugares más calientes de Mercurio.
Traemos todo esto a colación no porque los detalles exactos de este escenario sean tan importantes sino para ilustrar cuántas de las cosas que damos por sentadas en la Tierra no son las mismas en otros mundos. Como hemos mencionado antes, una de las mejores cosas de tomar una clase de astronomía debería ser librarte para siempre de cualquier “chovinismo terrestre” que puedas tener. La forma en que están las cosas en nuestro planeta es solo una de las muchas formas en que la naturaleza puede arreglar la realidad.
La superficie de Mercurio
El primer primer vistazo a Mercurio llegó en 1974, cuando la nave espacial estadounidense Mariner 10 pasó 9500 kilómetros de la superficie del planeta y transmitió más de 2000 fotografías a la Tierra, revelando detalles con una resolución de hasta 150 metros. Posteriormente, el planeta fue mapeado con gran detalle por la nave espacial MESSENGER, que fue lanzada en 2004 e hizo múltiples vuelos aéreos de la Tierra, Venus y Mercurio antes de asentarse en órbita alrededor de Mercurio en 2011. Terminó su vida en 2015, cuando se le ordenó chocar contra la superficie del planeta.
La superficie de Mercurio se parece mucho a la Luna en apariencia (Figura\(\PageIndex{3}\) y Figura\(\PageIndex{4}\)). Está cubierto con miles de cráteres y cuencas más grandes de hasta 1300 kilómetros de diámetro. Algunos de los cráteres más brillantes están radiados, como Tycho y Copérnico en la Luna, y muchos tienen picos centrales. También hay escarpes (acantilados) de más de un kilómetro de altura y cientos de kilómetros de largo, así como crestas y llanuras.
Los instrumentos MESSENGER midieron la composición de la superficie y mapearon Uno de sus descubrimientos más importantes fue la verificación del hielo de agua (detectado por primera vez por radar) en cráteres cercanos a los polos, similar a la situación en la Luna, y el descubrimiento inesperado de compuestos orgánicos (ricos en carbono) mezclados con el hielo de agua.
Los científicos que trabajan con datos de la misión MESSENGER armaron un globo giratorio de Mercurio, en falso color, mostrando algunas de las variaciones en la composición de la superficie del planeta. Se puede ver cómo gira.
La mayoría de los rasgos mercurianos han sido nombrados en honor a artistas, escritores, compositores y otros contribuyentes a las artes y humanidades, en contraste con los científicos conmemorados en la Luna. Entre los cráteres nombrados se encuentran Bach, Shakespeare, Tolstoi, Van Gogh y Scott Joplin.
No hay evidencia de tectónica de placas sobre Mercurio. Sin embargo, las escarpas largas distintivas del planeta a veces se pueden ver atravesando cráteres; esto significa que las escarpas deben haberse formado más tarde que los cráteres (Figura\(\PageIndex{5}\)). Estos acantilados largos y curvos parecen tener su origen en la ligera compresión de la corteza de Mercurio. Al parecer, en algún momento de su historia, el planeta se encogió, arrugando la corteza, y debió haberlo hecho después de que la mayoría de los cráteres de su superficie ya se habían formado.
Si la cronología estándar de cráteres se aplica a Mercurio, esta contracción debe haber tenido lugar durante los últimos 4 mil millones de años y no durante el período temprano de bombardeo intenso del sistema solar.
El origen de Mercurio
El problema de entender cómo se formó Mercurio es el reverso del problema que plantea la composición de la Luna. Hemos visto que, a diferencia de la Luna, Mercurio está compuesto principalmente de metal. Sin embargo, los astrónomos piensan que Mercurio debería haberse formado con aproximadamente la misma proporción de metal a silicato que la que se encuentra en la Tierra o Venus. ¿Cómo perdió tanto de su material rocoso?
La explicación más probable para la pérdida de silicato de Mercurio puede ser similar a la explicación de la falta de núcleo metálico en la Luna. Es probable que el mercurio haya experimentado varios impactos gigantes muy temprano en su juventud, y uno o más de estos pueden haber arrancado una fracción de su manto y corteza, dejando un cuerpo dominado por su núcleo de hierro.
Puedes seguir algunas de las últimas investigaciones de la NASA sobre Mercurio y ver algunas animaciones útiles en la página web de MESSENGER.
Hoy en día, los astrónomos reconocen que el sistema solar temprano fue un lugar caótico, con las etapas finales de formación de planetas caracterizadas por impactos de gran violencia. Algunos objetos de masa planetaria han sido destruidos, mientras que otros podrían haberse fragmentado y luego volver a formarse, quizás más de una vez. Tanto la Luna como Mercurio, con sus extrañas composiciones, dan testimonio de las catástrofes que debieron caracterizar al sistema solar durante su juventud.
Resumen
Mercurio es el planeta más cercano al Sol y el que se mueve más rápido. Mercurio es similar a la Luna en tener una superficie fuertemente cráteres y sin atmósfera, pero difiere en tener un núcleo metálico muy grande. Al principio de su evolución, aparentemente perdió parte de su manto de silicato, probablemente debido a uno o más impactos gigantes. Largas escarpas en su superficie atestiguan una compresión global de la corteza de Mercurio durante los últimos 4 mil millones de años.
Notas al pie
1 Recordemos del capítulo Radiación y Espectros que el magnetismo es un efecto del movimiento de cargas eléctricas. En los átomos de los metales, los electrones externos son más fáciles de desalojar y pueden formar una corriente cuando el metal está en forma líquida y puede fluir.