5.1 Exosfera
A exosfera é uma atmosfera tão fina que é improvável que os seus poucos átomos ou moléculas colidam uns com os outros. Na atmosfera da Terra, a exosfera é a parte mais alta da atmosfera onde a densidade das moléculas de gás é muito baixa. Em Mercúrio a exosfera é a única atmosfera, pelo que o planeta tem o que se chama uma exosfera ligada à superfície, cujas moléculas de gás colidem com a superfície (ou escapam do planeta) em vez de colidirem umas com as outras.
Um método primário pelo qual se estuda a exosfera de Mercúrio é a observação da emissão ressonante de átomos, em que fótons solares de energias ou comprimentos de onda específicos são absorvidos e depois reemitidos com o mesmo comprimento de onda. Como as combinações de energias em que tais emissões ocorrem variam entre elementos, os espectros de emissão observados fornecem impressões digitais espectrais únicas para os elementos que estão presentes. O espectrómetro ultravioleta do Mariner 10 descobriu a exosfera de Mercúrio através de observações de emissão tanto de átomos de hidrogénio (H) como de hélio (He). As medições do Mariner 10 implicam uma pressão superficial 1 trilião de vezes menor do que a da atmosfera terrestre. Quase uma década após os flybys da Mariner 10, os avanços em telescópios e instrumentos levaram à descoberta de sódio (Na) e potássio (K) na exosfera; o cálcio (Ca) foi detectado em 2000. MESSENGER adicionou magnésio (Mg) aos elementos conhecidos na exosfera durante a sua segunda mosca.
Em contraste com as atmosferas mais densas da Terra, Vénus e Marte, o conteúdo da exosfera de Mercúrio é transitório e deve ser continuamente reabastecido. Se os processos da fonte da exosfera de Mercúrio parassem subitamente, a exosfera dissipar-se-ia em apenas 2-3 dias. Também em contraste com outras atmosferas do planeta terrestre, a exosfera de Mercúrio é composta quase inteiramente de átomos e não de moléculas, resultado principalmente da forma como a exosfera é gerada e mantida. Quaisquer moléculas presentes na exosfera são rapidamente fotodissociadas (ou seja, quebradas) pela luz solar, que é intensa em Mercúrio devido à sua proximidade com o Sol e à falta de uma atmosfera superior espessa para absorver a luz solar.
A exosfera de Mercúrio provém da superfície do planeta, em parte do material nativo de Mercúrio, em parte do material implantado na superfície de Mercúrio pelo fluxo de partículas carregadas do Sol conhecido como vento solar, e em parte dos impactos de cometas e meteoróides. A geração e manutenção da exosfera de Mercúrio está resumida na Figura 13.3. A primeira das três principais fontes de átomos exosféricos é a luz solar que atinge a superfície, libertando material de uma ou outra das duas formas. A dessorção estimulada por fotões, ou PSD, ocorre quando os fotões solares atingem a superfície e libertam a sua energia, quebrando as ligações que mantêm os materiais de superfície juntos e ejectando átomos da superfície. A dessorção térmica, ou evaporação, ocorre quando a luz solar aquece a superfície e o material volátil, frouxamente ligado, é fervido. Ambos os processos são processos de baixa energia, pelo que as trajectórias dos átomos ejectados não os transportam muito alto ou muito longe.
FIGURA 13.3. Ilustração esquemática mostrando a fonte e os processos de perda responsáveis pela geração e manutenção da exosfera de Mercúrio.
A segunda maior fonte de átomos exosféricos é um processo conhecido como sputtering, que ocorre quando os iões do vento solar ou da magnetosfera de Mercúrio impactam a superfície. A energia nestes impactos é maior do que no caso do PSD ou da dessorção térmica, de modo que os átomos expelidos pela pulverização catódica têm velocidades maiores e as suas trajectórias transportam-nos mais alto e mais longe do que os átomos libertados através de processos térmicos de baixa energia. A pulverização por pulverização iónica pode fracturar a superfície em escamas atómicas, libertando espécies voláteis como o Na. Isto leva a uma maior libertação de material através de PSD do que na ausência de pulverização iónica, através de um processo conhecido como PSD com potencialização iónica.
Os impactos dos meteoróides são a terceira fonte primária de material exosférico. Embora grandes impactos libertem muito material, são raros e um influxo de pequenas partículas de poeira do espaço interplanetário que colidem com a superfície de Mercúrio é mais responsável pela manutenção quotidiana da exosfera. A energia destas colisões vaporiza tanto as partículas de poeira como parte da superfície, libertando átomos de alta energia para altitudes elevadas.
Os átomos libertados com baixas velocidades seguem trajectórias balísticas sob a influência da gravidade. Como não vão muito alto, estes átomos caem na sua maioria de volta à superfície onde saltam ou colam. Alguns átomos sofrem múltiplos ressaltos antes de colarem (conhecidos como lúpulos balísticos), e desta forma redistribuem o material volátil pela superfície de Mercúrio, transferindo-o gradualmente das regiões equatoriais mais quentes para as regiões polares mais frias.
Os átomos libertados com velocidades elevadas também seguem trajectórias balísticas; contudo, o tempo de residência mais longo destes átomos na exosfera permite que dois outros processos os afectem. O primeiro é a pressão da radiação solar, em que os fotões solares empurram os átomos na direcção antisunida. Se a pressão da radiação solar os empurrar suficientemente para longe, os átomos não voltarão à superfície, mas serão empurrados “para trás” do planeta para se tornarem parte de uma cauda neutra, semelhante a um cometa. Os átomos empurrados para a cauda escaparão ao planeta, a menos que sejam influenciados pelo segundo processo de redireccionamento de átomos exosféricos, ionização a partir de fotões solares que atinjam os átomos (fotoionização), e remoção de electrões. Os átomos com carga positiva serão captados pelo campo magnético de Mercúrio e acelerados rapidamente quer para o planeta quer para fora dele, dependendo da orientação das linhas de campo magnético locais. Esses átomos acelerados em direcção ao planeta impactam a superfície e podem conduzir à pulverização; os acelerados para longe do planeta perder-se-ão para o espaço interplanetário. Assim, os átomos na exosfera de Mercúrio acabam por regressar à superfície ou são perdidos para o espaço, explicando porque é que a exosfera se dissiparia tão rapidamente se não fosse reabastecida.
Os processos que libertam átomos para a exosfera de Mercúrio e que subsequentemente os afectam diferem em magnitude dependendo do elemento. Ca e Mg são elementos refractários (tendo fortes ligações químicas que requerem maiores energias para os libertar da superfície), enquanto que o Na é um elemento volátil (com fracas ligações quebradas a menores energias). Ao mesmo tempo, os átomos de Ca têm uma vida útil contra a fotoionização um factor 10 menor do que para os átomos de Na e 100 menor do que para os átomos de Mg. Assim, os átomos neutros de Ca não sobrevivem muito tempo na exosfera de Mercúrio (tipicamente 1 h), enquanto os átomos de Mg duram muito mais tempo (tipicamente 2-3 dias). Além disso, os efeitos da pressão de radiação variam com cada elemento, sendo o Na fortemente afectado, o Ca mais fraco, e o Mg quase nada. A pressão da radiação é também proporcional ao fluxo solar, e o espectro do Sol contém absorções profundas, conhecidas linhas Fraunhofer, nos comprimentos de onda da maioria das emissões de ressonância. Nas partes da órbita elíptica de Mercúrio onde o planeta está a acelerar na direcção ou para longe do Sol, o desvio Doppler entre o Sol e Mercúrio desloca as emissões de ressonância exosférica para longe das linhas Fraunhofer, proporcionando uma maior pressão de radiação. Este desvio Doppler cria “estações” na exosfera, à medida que Mercúrio orbita o Sol. O MESSENGER viu claramente estas variações sazonais durante as suas “flybys” de Mercúrio quando visualizou a exosfera à distância (Figura 13.4).
FIGURA 13.4. Ilustração da variação “sazonal” da cauda de sódio neutra de Mercúrio.
Na altura da segunda mosca de MESSENGER a cauda estava bem desenvolvida, enquanto que efectivamente “faltava” durante a terceira mosca de MESSENGER. (Os espaços negros na imagem da segunda mosca são lacunas nos dados.) A variação na cauda de sódio está relacionada com variações na pressão da radiação solar ao longo da órbita de Mercúrio, impulsionada pelo desvio Doppler do espectro solar. Simulações de modelos (esquerda) mostram como se espera que a cauda varie ao longo de uma órbita em torno do Sol.
Estes efeitos variáveis sobre diferentes elementos levam a diferentes distribuições na exosfera de Mercúrio. O sódio é visto em todo o lado na exosfera de Mercúrio, uma consequência da sua natureza volátil e da sua libertação relativamente fácil da superfície. Como a pressão da radiação solar tem um grande efeito sobre o Na, é também o constituinte primário na cauda do Mercúrio e tem sido observado tão longe do Mercúrio como 2 milhões de milhas. Por vezes há tanto Na na cauda que um observador à beira da noite de Mercúrio pode ver uma tonalidade amarelo-laranja no céu nocturno: a intensidade da emissão de Na, no mesmo comprimento de onda que as lâmpadas de rua de vapor de Na, é semelhante em força a uma aurora moderada na Terra. A distribuição de Na é maioritariamente simétrica em relação à linha Sol-Mercúrio, indicando que tem uma grande fonte de PSD; no entanto, há frequentemente melhorias locais devido a outros processos, e a distribuição de Na em altitude apresenta um perfil distinto de dois componentes, consistente com a sua libertação tanto de processos de baixa energia como de alta energia.
Cálcio, por outro lado, tem uma distribuição muito diferente. As observações de MESSENGER revelam perfis de altitude com apenas um componente de alta energia; também mostram uma distribuição persistente e fortemente assimétrica sobre a linha Sol-Mercúrio, com densidades de pico perto do equador ao amanhecer. Há várias possibilidades para a diferença entre a densidade de Ca e Na com a hora do dia. Pode haver mais impactos meteoróides no lado do amanhecer, que é o lado principal de Mercúrio, à medida que ele atravessa a poeira do sistema solar interno. Alternativamente, pode haver diferenças na pulverização e fotodissociação com a hora do dia que afectam os dois elementos de forma diferente.
P>Prior a MESSENGER, Mg tinha sido previsto para fazer parte da exosfera de Mercúrio, mas não foi descoberto até à segunda mosca de MESSENGER. Mg tem uma distribuição que contrasta tanto com Na como com Ca. A distribuição global de Mg é maioritariamente isotrópica sobre Mercúrio e característica de um processo de libertação de alta energia; no entanto, há algumas evidências de melhoramentos localizados. Continua a ser um quebra-cabeças a razão pela qual Mg e Ca, ambas espécies refratárias, são distribuídas de forma tão diferente na exosfera.
Outros elementos também foram observados na exosfera de Mercúrio, incluindo hidrogénio, hélio, potássio, e possivelmente oxigénio e alumínio. São mais difíceis de observar porque as suas emissões são fracas e/ou não são particularmente abundantes. Que informação limitada temos sobre estes elementos mostra que poderia haver aspectos ainda mais confusos na exosfera de Mercúrio, cuja compreensão requer mais observações.