5.1 Exosphäre
Die Exosphäre ist eine Atmosphäre, die so dünn ist, dass ihre wenigen Atome oder Moleküle nicht miteinander kollidieren können. In der Erdatmosphäre ist die Exosphäre der höchste Teil der Atmosphäre, in dem die Dichte der Gasmoleküle sehr gering ist. Auf Merkur ist die Exosphäre die einzige Atmosphäre, daher hat der Planet eine so genannte oberflächenbegrenzte Exosphäre, deren Gasmoleküle eher mit der Oberfläche kollidieren (oder aus dem Planeten entweichen), als dass sie miteinander kollidieren.
Eine primäre Methode, mit der die Exosphäre des Merkur untersucht wird, ist die Beobachtung der Resonanzemission von Atomen, bei der Sonnenphotonen bestimmter Energien oder Wellenlängen absorbiert und dann bei derselben Wellenlänge wieder emittiert werden. Da die Kombinationen von Energien, bei denen solche Emissionen auftreten, zwischen den Elementen variieren, liefern die beobachteten Emissionsspektren eindeutige spektrale Fingerabdrücke für die vorhandenen Elemente. Das Ultraviolett-Spektrometer von Mariner 10 entdeckte die Exosphäre des Merkurs durch Beobachtungen der Emission von Wasserstoff- (H) und Helium- (He) Atomen. Die Messungen von Mariner 10 deuten auf einen Oberflächendruck hin, der 1 Billion mal kleiner ist als der der Erdatmosphäre. Fast ein Jahrzehnt nach den Vorbeiflügen von Mariner 10 führten Fortschritte bei Teleskopen und Instrumenten zur Entdeckung von Natrium (Na) und Kalium (K) in der Exosphäre; Kalzium (Ca) wurde im Jahr 2000 entdeckt. MESSENGER fügte bei seinem zweiten Vorbeiflug Magnesium (Mg) zu den bekannten Elementen in der Exosphäre hinzu.
Im Gegensatz zu den dichteren Atmosphären von Erde, Venus und Mars sind die Inhalte der Merkur-Exosphäre vergänglich und müssen ständig nachgeliefert werden. Würden die Quellprozesse für Merkurs Exosphäre plötzlich aufhören, würde sich die Exosphäre in nur 2-3 Tagen auflösen. Ebenfalls im Gegensatz zu den Atmosphären anderer terrestrischer Planeten besteht die Exosphäre des Merkur fast ausschließlich aus Atomen und nicht aus Molekülen, was vor allem auf die Art und Weise zurückzuführen ist, wie die Exosphäre erzeugt und aufrechterhalten wird. Die in der Exosphäre vorhandenen Moleküle werden durch das Sonnenlicht, das auf dem Merkur aufgrund seiner Nähe zur Sonne und des Fehlens einer dicken oberen Atmosphäre, die das Sonnenlicht absorbiert, sehr intensiv ist, schnell photodissoziiert (d.h. auseinandergebrochen).
Die Exosphäre des Merkurs entsteht auf der Oberfläche des Planeten, teils aus Material, das auf dem Merkur selbst vorkommt, teils aus Material, das durch den Strom geladener Teilchen von der Sonne, bekannt als Sonnenwind, in die Oberfläche des Merkurs eingepflanzt wird, und teils durch die Einschläge von Kometen und Meteoroiden. Die Erzeugung und Aufrechterhaltung der Exosphäre des Merkurs ist in Abbildung 13.3 zusammengefasst. Die erste der drei Hauptquellen für die Atome der Exosphäre ist das Sonnenlicht, das auf die Oberfläche trifft und Material auf zwei Arten freisetzt. Die photonenstimulierte Desorption (PSD) tritt auf, wenn Sonnenphotonen auf die Oberfläche treffen und ihre Energie freisetzen, wodurch die Bindungen, die die Oberflächenmaterialien zusammenhalten, gebrochen und Atome von der Oberfläche ausgestoßen werden. Thermische Desorption oder Verdampfung tritt auf, wenn Sonnenlicht die Oberfläche erwärmt und lose gebundenes, flüchtiges Material verdampft. Beide Prozesse sind Niedrigenergie-Prozesse, so dass die Flugbahnen der ausgestoßenen Atome sie nicht sehr hoch oder sehr weit tragen.
Abbildung 13.3. Schematische Darstellung der Quell- und Verlustprozesse, die für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der Merkur-Exosphäre verantwortlich sind.
Die zweite Hauptquelle für die Atome der Exosphäre ist ein Prozess, der als Sputtern bekannt ist und der auftritt, wenn Ionen aus dem Sonnenwind oder der Magnetosphäre des Merkurs auf die Oberfläche treffen. Die Energie bei diesen Stößen ist höher als bei PSD oder thermischer Desorption, so dass die durch Sputtern ausgestoßenen Atome größere Geschwindigkeiten haben und ihre Flugbahnen sie höher und weiter tragen als Atome, die durch niederenergetische thermische Prozesse freigesetzt werden. Ionen-Sputtern kann die Oberfläche auf atomarer Skala zerbrechen, wodurch flüchtige Spezies wie Na freigesetzt werden. Dies führt zu einer größeren Freisetzung von Material durch PSD als ohne Ionen-Sputtern, durch einen Prozess, der als ionenverstärkte PSD bekannt ist.
Meteoriteneinschläge sind die dritte primäre Quelle von exosphärischem Material. Obwohl große Einschläge viel Material freisetzen, sind sie selten und ein Zustrom von kleinen Staubpartikeln aus dem interplanetaren Raum, die mit der Merkuroberfläche kollidieren, ist eher für die tägliche Aufrechterhaltung der Exosphäre verantwortlich. Die Energie dieser Kollisionen verdampft sowohl die Staubpartikel als auch einen Teil der Oberfläche und setzt dabei hochenergetische Atome in große Höhen frei.
Atome, die mit geringen Geschwindigkeiten freigesetzt werden, folgen unter dem Einfluss der Schwerkraft ballistischen Flugbahnen. Da sie nicht sehr hoch fliegen, fallen diese Atome meist auf die Oberfläche zurück, wo sie entweder abprallen oder hängen bleiben. Einige Atome durchlaufen mehrere Sprünge, bevor sie haften bleiben (bekannt als ballistische Sprünge), und verteilen auf diese Weise flüchtiges Material über die Merkuroberfläche, indem sie es allmählich von den heißeren, äquatorialen Regionen in die kälteren, polaren Regionen verlagern.
Atome, die mit hohen Geschwindigkeiten freigesetzt werden, folgen ebenfalls ballistischen Bahnen; die längere Verweildauer dieser Atome in der Exosphäre erlaubt es jedoch zwei anderen Prozessen, sie zu beeinflussen. Der erste ist der solare Strahlungsdruck, bei dem Sonnenphotonen die Atome in die entgegengesetzte Richtung schieben. Wenn der solare Strahlungsdruck sie weit genug schiebt, kehren die Atome nicht zur Oberfläche zurück, sondern werden „hinter“ den Planeten geschoben, um Teil eines neutralen, kometenartigen Schweifs zu werden. Atome, die in den Schweif gestoßen werden, werden dem Planeten entkommen, es sei denn, sie werden durch den zweiten Prozess beeinflusst, der die exosphärischen Atome umlenkt: die Ionisierung durch Sonnenphotonen, die auf die Atome treffen (Photoionisation), und die Entfernung von Elektronen. Die positiv geladenen Atome werden vom Magnetfeld des Merkurs aufgefangen und schnell beschleunigt, entweder in Richtung des Planeten oder von ihm weg, je nach der Ausrichtung der lokalen Magnetfeldlinien. Diejenigen Atome, die zum Planeten hin beschleunigt werden, stoßen auf die Oberfläche und können Sputtering betreiben; diejenigen, die vom Planeten weg beschleunigt werden, gehen im interplanetaren Raum verloren. So kehren die Atome in der Exosphäre des Merkurs letztendlich entweder zur Oberfläche zurück oder gehen im Weltraum verloren, was erklärt, warum sich die Exosphäre so schnell auflösen würde, wenn sie nicht wieder aufgefüllt würde.
Die Prozesse, die Atome in der Exosphäre des Merkurs freisetzen und die sie anschließend beeinflussen, sind je nach Element unterschiedlich stark ausgeprägt. Ca und Mg sind feuerfeste Elemente (mit starken chemischen Bindungen, die höhere Energien benötigen, um sie von der Oberfläche zu lösen), während Na ein flüchtiges Element ist (mit schwachen Bindungen, die bei niedrigeren Energien gebrochen werden). Gleichzeitig haben Ca-Atome eine Lebensdauer gegen Photoionisation, die um den Faktor 10 kleiner ist als bei Na-Atomen und 100 kleiner als bei Mg-Atomen. Daher überleben neutrale Ca-Atome in der Exosphäre des Merkurs nicht lange (typischerweise 1 h), während Mg-Atome eine viel längere Zeit überleben (typischerweise 2-3 Tage). Darüber hinaus sind die Auswirkungen des Strahlungsdrucks bei jedem Element unterschiedlich, wobei Na stark, Ca schwächer und Mg kaum betroffen ist. Der Strahlungsdruck ist auch proportional zum Sonnenfluss, und das Spektrum der Sonne enthält tiefe Absorptionen, sogenannte Fraunhofer-Linien, bei den Wellenlängen der meisten Resonanzemissionen. In den Bereichen der elliptischen Merkurbahn, in denen sich der Planet auf die Sonne zu oder von ihr weg beschleunigt, verschiebt die Dopplerverschiebung zwischen Sonne und Merkur die exosphärischen Resonanzemissionen weg von den Fraunhofer-Linien und sorgt für einen erhöhten Strahlungsdruck. Diese Dopplerverschiebung erzeugt „Jahreszeiten“ in der Exosphäre, während Merkur die Sonne umkreist. MESSENGER sah diese jahreszeitlichen Variationen deutlich während seiner Vorbeiflüge am Merkur, als es die Exosphäre aus der Entfernung betrachtete (Abbildung 13.4).
Abbildung 13.4. Illustration der „saisonalen“ Variation des neutralen Natriumschweifs des Merkurs.
Zum Zeitpunkt des zweiten MESSENGER-Vorbeiflugs war der Schweif gut entwickelt, während er beim dritten MESSENGER-Vorbeiflug praktisch „fehlte“. (Die schwarzen Lücken im Bild des zweiten Vorbeiflugs sind Lücken in den Daten.) Die Variation des Natriumschweifs hängt mit den Schwankungen des solaren Strahlungsdrucks entlang der Merkurbahn zusammen, die durch die Doppler-Verschiebung des Sonnenspektrums verursacht werden. Modellsimulationen (links) zeigen, wie der Schweif über eine Umlaufbahn um die Sonne variieren sollte.
Diese unterschiedlichen Effekte auf verschiedene Elemente führen zu unterschiedlichen Verteilungen in der Exosphäre des Merkurs. Natrium ist überall in der Exosphäre des Merkurs zu finden, eine Folge seiner flüchtigen Natur und seiner relativ leichten Freisetzung von der Oberfläche. Da der solare Strahlungsdruck einen großen Einfluss auf Na hat, ist es auch der Hauptbestandteil im Schweif des Merkurs und wurde bis zu einer Entfernung von 2 Millionen Meilen vom Merkur beobachtet. Manchmal ist so viel Na im Schweif, dass ein Beobachter auf der Nachtseite des Merkurs eine gelb-orange Färbung des Nachthimmels sehen kann: Die Intensität der Na-Emission, bei der gleichen Wellenlänge wie Na-Dampf-Straßenlaternen, ist ähnlich stark wie ein moderates Polarlicht auf der Erde. Die Na-Verteilung ist größtenteils symmetrisch um die Sonne-Quecksilber-Linie, was darauf hindeutet, dass es eine große PSD-Quelle hat; allerdings gibt es oft lokale Verstärkungen aufgrund anderer Prozesse, und die Höhenverteilung von Na zeigt ein ausgeprägtes Zwei-Komponenten-Profil, das mit seiner Freisetzung sowohl durch niederenergetische als auch durch hochenergetische Prozesse übereinstimmt.
Calcium hingegen hat eine ganz andere Verteilung. Die MESSENGER-Beobachtungen zeigen Höhenprofile mit nur einer hochenergetischen Komponente; sie zeigen auch eine anhaltende, stark asymmetrische Verteilung um die Sonne-Quecksilber-Linie, mit Spitzenwerten der Dichte in der Nähe des Äquators bei Sonnenaufgang. Es gibt mehrere Möglichkeiten für den Unterschied zwischen Ca- und Na-Dichte mit der Tageszeit. Möglicherweise gibt es mehr Meteoriteneinschläge auf der Seite der Morgendämmerung, die die führende Seite des Merkurs ist, während er durch den Staub im inneren Sonnensystem pflügt. Alternativ könnte es Unterschiede in der Sputtering- und Photodissoziation mit der Tageszeit geben, die die beiden Elemente unterschiedlich beeinflussen.
Vor MESSENGER wurde Mg als Teil der Merkur-Exosphäre vorhergesagt, wurde aber erst beim zweiten Vorbeiflug von MESSENGER entdeckt. Mg hat eine Verteilung, die im Gegensatz zu Na und Ca steht. Die gesamte Mg-Verteilung ist größtenteils isotrop um den Merkur und charakteristisch für einen hochenergetischen Freisetzungsprozess; es gibt jedoch einige Hinweise auf lokalisierte Erhöhungen. Es bleibt ein Rätsel, warum Mg und Ca, beides feuerfeste Spezies, so unterschiedlich in der Exosphäre verteilt sind.
Andere Elemente wurden ebenfalls in der Exosphäre des Merkurs beobachtet, darunter Wasserstoff, Helium, Kalium und möglicherweise Sauerstoff und Aluminium. Sie sind schwieriger zu beobachten, weil ihre Emissionen schwach sind und/oder sie nicht besonders häufig vorkommen. Die begrenzten Informationen, die wir über diese Elemente haben, zeigen, dass es noch mehr rätselhafte Aspekte in der Exosphäre des Merkurs geben könnte, deren Verständnis weitere Beobachtungen erfordert.