太陽系之旅─水星 製作者:501蔡渝翔.林毅明.王維得.張淳翔.鄭靖謙

2 水星是最接近太陽（Sun）的第八大行星。水星的直徑比 加尼美得（Ganymede）和泰坦（Titan）都還要小，但質量卻較兩者大。 軌道：距離太陽 57,910,000 km （0.38 天文單位 AU） 直徑： 4,880 km 質量： 3.30e23 kg 在羅馬神話中， 馬克里（Mercury） 是掌管商業、旅行與偷竊之神，和希臘神話中的 賀密士（Hermes）相當，是眾神的信使。因為水星在天空移動的速度非常快，所以這名字能夠廣泛地被人們所接受。 至少早在蘇美人（Sunerians）時期（西元前三世紀），水星就已廣為人知。水星在希臘神話中有兩個名字：分別是阿波羅（Apollo），代表身為晨星的幻影；以及賀密士（Hermes），代表著黃昏之星。但是無論如何，希臘的天文學家都知道這兩個名字其實是代表相同的天體。赫拉克萊塔斯（Heraclitus）甚至當時就認為水星和金星是繞著太陽轉，而不是地球。 2

至今仍只有水手10號（Mariner 10） 太空船曾造訪過水星，於1974年及1975年飛至水星三次。目前只有45%的水星表面被繪製出地圖（而且不幸的是，由於水星太接近太陽，以致哈伯太空望遠鏡（HST） 無法安全地拍攝水星的影像。） 由於水星軌道 的離心率（eccentric）非常地大，因此（perihelion）時，只有距離太陽4600萬公里，而在 遠日點（aphelion）時，則有7000萬公里。水星在繞行太陽的軌道時，其近日點依歲差前進的速度非常地緩慢。19世紀的天文學家非常小心地觀察水星的軌道參數，但是一直都無法利用 牛頓力學（Newtonian）來充分解釋。由於觀測值與預測值有極些微的不同，這只是個小問題卻困擾了他們好幾十年。天文學家甚至猜測還有其他的行星（有時候被叫做法爾坎 Vulcan）軌存在於水星附近，以用來解釋此不一致的現象。反倒是真正的答案卻更具戲劇性：那就是愛因斯坦（Einstein）的 廣義相對論（General Theory of Relativity） ！由於這個理論正確地預測了水星的運動，因此大家接受這個理論的早期，這是一項重要的事實 3

直到1962年，天文學家都還認為水星的“一天”與“一年”的時間長度相同，這是因為水星總是以同一面面對著太陽，就如同月球總是以同一面面對著地球。但在1965年時由都卜勒雷達的觀測證明了這個說法是錯的。目前所知水星在兩個“水星年”的期間自轉三週。據我們所知，水星是太陽系中惟一一顆公轉、自轉共振（resonance）比不是1：1的天體。    實際上，水星高離心率的公轉軌道，對於身在水星表面的觀察者來說，會看到非常奇特的現象。在某些經度線上的位置，觀察者會先看到太陽升起，然後太陽看起來會慢慢變大，並緩緩地移動至天頂。在到達某一定點時，太陽會停住，然後短暫地往相反的方向行進之後再停住，並重新回頭往地平線的方向移動，於是太陽看起來開始愈來愈小。一般來說，夜空中的星星會以三倍的速度快速穿越天空。觀察者在水星的其他地方也會看到不同但是奇特的運行軌跡。 4

在太陽系中，水星表面的溫度變化非常極端，溫度範圍從90k到700k。 金星（Venus）的溫度雖比水星還要高一點，但是溫度的變化卻要穩定得多。    水星在許多地方是跟月球（Moon）很相似的：他的表面非常古老並曾經歷經過猛烈地爆發；而且水星沒有板塊構造運動（plate tectonics）的發生。除此之外，水星的密度比月球還要大得多（5.43 vs 3.34 gm/cm3）。水星的密度是太陽系中第二大的，僅次於 地球（Earth）而已。實際上，地球的密度有一部份應是受到重力的壓縮，如果不是這個原因，水星的密度應比地球大。這表示水星緻密的鐵核心相對於地球的核心來說，還要大得多，這可能就是水星最主要的組成成分了，因此水星相對地來說，只有薄薄一層的矽酸岩類（silicate）地函及地殼。 5

水星的內部主要是一顆半徑達1800至1900公里巨大鐵核。至於矽酸鹽的外殼（與地球的地函及地殼相似）只有500至600公里厚，而且至少還有些許的地核可能是呈現熔融狀態的。    水星表面具有一層薄薄的大氣，但是 太陽風（solar wind）會將大氣中的原子吹離水星表面，再加上因為水星實在太熱了，所以那些原子很快地就散逸至太空中。因此，相較於地球及金星穩定的大氣層，水星的大氣是持續不斷在補充的。    在水星的表面有大量的懸崖峭壁存在，綿延長達數公里之遙，高度更可達到三公里左右。有些峭壁還切穿了火山口環以及其他特徵，顯示了這些峭壁可能是因為收縮而形成的。推斷水星的面積因此少了約0.1%（或是說水星的半徑約少了1公里）。 6

卡路里盆地 Caloris Basin（見右圖）是水星表面中最大的特徵之一，它的直徑約有1300公里。我們認為它與月球最大的盆地（寧靜海 maria basins）很相似。和月球上的盆地一樣，它們可能都是在太陽系形成早期， 因受到猛烈撞擊所形成的。這些撞擊可能同時也是水星另一邊奇特地形的成因。    除了曾經劇烈噴發過的火山地形之外，水星也有一些地區是相對較平坦的曠野。這些地形有些可能是遠古時候火山活動後所造成的；但有些也有可能是撞擊坑噴出物質堆積下來的結果。    7

8 重新 分析水手10號資料的結果，提供了關於近來水星上火山噴發的一些初步數據，但是我們還需要更多的資料來加以確認。 水星有很小的磁場，磁場強度大約只有地球的1%。    令人驚訝的是，水星北極的雷達觀測結果（水手10號並無繪製此地），顯示了有水所形成的冰，存在於火山口陰暗處的證據。   通常使用雙筒望遠鏡或是肉眼便可 看到水星，但因水星總是非常靠近太陽，所以只能在黃昏才能勉強地看到水星。有好幾個網站 有顯示水星（以及其它行星）目前在天空中的位置，一些天文儀的程式（像是Starry Night）則可以描繪出更詳盡地資料及星圖，大家可以多加利用。 水星並未發現有衛星的存在。 8

開放性議題 水星的密度（5.43 gm/cm3）差不多跟地球一樣大，但在其他方面，水星與月球是極為相似的。這是否因為水星早期曾因某一場撞擊而失去了那些較輕的岩層呢？使用分光鏡讀取有關於水星的表面時，並沒有出現鐵的痕跡，這些數據顯示了水星的鐵核有可能是非常奇特的。水星是否完全有別於其他的類地行星呢？ 9

10 是什麼樣的作用，造成了水星上的平坦曠野呢？ 在我們看不到的另一半表面，是否存在更使人吃驚的事？那些自地球上發出的雷達波探測獲得的低解析度影像並未顯示出任何驚奇之處，但你卻永遠不知道會有任何出乎意料的事發生。 一個新的發現計劃已經被批准飛行至水星。傳信者號（MESSENGER） 將在2004年發射，且在2009年開始繞行水星的軌道。 10

遠不知道會有任何出乎意料的事發生。 一個新的發現計劃已經被批准飛行至水星。傳信者號（MESSENGER） 將在2004年發射，且在2009年開始繞行水星的軌道。 刻卜勒行星三大定律是天文學上一個十分重要的定律，其內容看起來簡單易懂，其實仍有許多同學無法體會實際上行星運動的情形；本人曾經設計一個簡易的活動印證刻卜勒第三運動定律，供學生課餘當作是遊戲來自我學習，結果學生大多反應良好，因此提出來給學生及教師們做參考。 刻卜勒行星三大定律 (Ⅰ) 行星的公轉軌道是個橢圓形，而太陽在橢圓的一個焦點上。 (Ⅱ) 行星在公轉軌道上運動的速度，在等時間內徑向掃過的面積相同。 (Ⅲ) 行星公轉週期的平方與它們相對太陽的平均距離的立方成正比。 11

12 二、背景知識 1.已知太陽系九大行星中，除了冥王星外，其餘各行星幾乎在同一平面且以同一方向繞日公轉。 2.依其它行星相對於地球公轉軌道的位置，可將行星分為兩大類： (1) 在地球軌道之內，繞著太陽運行的行星，稱之為內行星。 (2) 在地球軌道之外，繞著太陽運行的行星，稱之為外行星。 我們選定的水星是一個內行星，此活動只適用於內行星，即水星與金星；外行星則需用別的方法印証。 12

5. 利用上述公式(2)及表(一)可算出水星與太陽的距離分別為 ： 0. 31天文單位、0. 47天文單位、0. 44天文單位、 0 5.利用上述公式(2)及表(一)可算出水星與太陽的距離分別為 ： 0.31天文單位、0.47天文單位、0.44天文單位、 0.37天文單位、0.41天文單位、0.34天文單位。 6.角度182022242628SINθ值0.310.340.370.410.440.47因水星繞日運行是一個扁平率較大的橢圓形，因此水星與太陽的距離差異頗大。 7.將水星與太陽的距離加以平均，即可求出水星繞日公轉的平均半徑為0.39天文單位。 13

四、找出水星繞日公轉週期 1.水星與地球繞日公轉運動，宛如一場龜兔賽跑。開始起跑時，地球、水星、太陽成一直線（如圖二），此時在地球上觀測水星與太陽的夾角應是0度。 2.水星與地球同一方向（逆時針）繞日公轉，且水星跑得比較快，經過一段時間後，水星比地球多跑了半圈（如圖三），此時在地球上觀測水星與太陽的夾角應該又變回0度。 3.由水星與太陽夾角隨日期變化的關係曲線圖，找出連續兩次夾角0度間隔的時間（即是水星比地球多跑了半圈所需的時間），可看出約58天。 14

15 4.已知水星繞日公轉0.659圈為58天，則可推算出公轉一圈約須88天，即水星公轉週期為88天。 五、驗證刻卜勒第三運動定律 將所求得水星公轉半徑(R水)與週期(T水)，與地球資料比較，驗證是否符合刻卜勒第三運動定律。驗證公式如下：　若已知R地=1天文單位；T地=365天；R水=0.39天文單位，由公式可算出水星週期約為88~89天，得証之。 15

六、結語 我們知道第谷（Tycho Brahe，西元1546~1601）是當代最偉大的天文觀測家，而刻卜勒（Johanes Kepler，西元1571~1630）是同時代最偉大的理論家。當初刻卜勒根據第谷所遺留下來的大批資料研究行星的運動，最後發現了刻卜勒行星三大定律。最早的望遠鏡是在第谷死後十年才發明的，許多同學以為沒有好的儀器就無法做研究，事實不然，我們用簡單的儀器，簡易的方法也能得到有用的資訊，希望此活動能給同學一些啟示。 16

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