水星

水星（すいせい、英語:Mercury）は、太陽系で太陽に最も近い惑星である。太陽系の惑星の中では2番目に小さい。天球上での見かけの明るさは -0.4 等から 5.5 等まで変化する。水星は太陽に非常に近いため、時期によっては望遠鏡でも見るのが難しい（太陽との最大離角は28.3°である）。衛星はない。水星に到達した惑星探査機はマリナー10号 (1974 - 75) だけであり、地表の 40% から 50% 程度の地図が作られている。

物理学的性質

大気

水星には大気は殆ど存在せず、非常に薄いガスの層があるだけである。大気の分子は大気の分子同士で衝突するよりも水星の地表に衝突する確率のほうが高い。その成分はカリウム、ナトリウム、酸素などから成る。

水星の大気は惑星形成の初期には他の惑星と同様に存在したと考えられるが、重力が小さいためにその大半は既に宇宙へ飛散したと考えられている。カリウムやナトリウムが大気に留まる平均 "寿命" は3時間程度である。大気は様々なメカニズムによって供給されている。太陽風を磁界で捕らえたり微小隕石が地表で蒸発したり、直射日光で極の氷が蒸発するなどがその主なものである。

温度

表面の平均温度は452K（179℃）であるが、温度変化は90K（-183℃）～700K（427℃）に及ぶ。なお、地球の温度変化（年較差）は最大でも約60℃（シベリア東部）である。観測上の最低気温と最高気温の差をとっても184K～332K（148℃）の範囲に収まる。太陽光は地球と比較して6.3倍強く、総計では 3566W/m² になる。驚くべきことに、1992年に行われたレーダー観測によって、水星の北極部分に水の氷が存在することが明らかになった。この氷は、彗星の衝突や水星内部からの放出で残された水が、1年を通じて太陽光が当たらない極地方のクレーターの底に残されているものと考えられている。

地形

水星の地表は月の地表とよく似ている。水星のもっとも特徴的な（写真などで見分けるポイントとなる）地形としては直径 1,350 kmほどのクレーターから成るカロリス盆地が挙げられる。十億年以上前にクレーターができ、その後大地が冷えて固まったため、地表の様々なところに波模様ができたと考えられている。水星の表面はおおまかにいって異なる時代にできた二つの表面によって覆われている。若いほうの表面は溶岩が流れ出して形成された軽い地表であり、クレーターに覆われている。さらに、水星は太陽からの潮汐力によって赤道部分が膨らんでいる。（太陽が水星に及ぼす潮汐力は月が地球に及ぼす潮汐力よりも約17%大きい。）

内部構造

水星には地球と同程度に大きな鉄のコアが存在する。水星全体では約 70% が金属、30% が二酸化ケイ素で出来ている。このように金属、特に鉄の質量比が大きい理由については、過去に小天体との衝突で岩石質からなる表層部分を失ったためとする説もある（詳細は後述）。平均密度 5,430kg/m³は地球と比べわずかに小さい。コアの大きさの割に密度がそれほど高くないのは、地球は自重によって惑星の体積が圧縮されており、密度が高くなっているためである。水星の体積は地球の 5.5% 程度である。水星の鉄のコアはその 42% を占めるが、地球の鉄のコアは 17% 程度に留まっている。コアの周りは厚さ 600km のマントルで覆われている。

自転

1965年にレーダー観測が行われる以前には、水星の自転は地球の月や他の多くの衛星と同様に、太陽からの潮汐力で同期しており、常に太陽に同じ面を向けて1公転中に1回自転していると考えられていた。しかし実際には水星の自転と公転は 3:2 の共鳴関係にある。すなわち、太陽の周囲を2回公転する間に3回自転する。水星の軌道の比較的大きな離心率を持つために、この共鳴関係は安定して持続している。水星の自転と公転が同期していると考えられた元々の理由は、地球から見て水星が最も観測に適した位置にある時にはいつでも同じ面が見えたからであった。実際にはこれは 3:2 の共鳴の同じ位置にある時に観測していたためであった。この 3:2 の共鳴があるために、水星の恒星日（自転周期）は 58.7日であるのに対して、水星の太陽日（水星表面から見た太陽の子午線通過の間隔）は176日となっている。

水星の表面にいる観測者から見ると、日の出の途中で太陽は逆行して一度沈み、その後再び上る、という現象が水星の1日の間に見られる。これは、水星が近日点を通過する約4日前に水星の公転速度と自転速度がちょうど等しくなるため、水星表面から見て太陽の見かけの運動が止まって見えるからである。近日点では水星の公転速度は自転速度よりも速くなる。そのために太陽は逆行して見える。近日点通過の4日後には太陽は順行に戻る。

水星の自転軸の傾きは惑星の中で最も小さく、わずか 0.01°しかない。これは2番目に傾斜が小さい木星の値（約3.1°）に比べても300倍も小さい値である。このため、水星の赤道上にいる観測者から見ると、太陽はいつもほとんど天頂にあって 1/100 度程度しか南北に動かないことになる。

軌道

水星の軌道は半径が 46Mkm から 70Mkm という大きな楕円を描いている。この軌道にあるゆっくりとした近日点移動については、ニュートンの古典力学では詳しく説明がつけられず、しばしば水星の内側にもう一つ惑星がある、といった説が唱えられたこともあった（バルカン参照）。しかし実際にはそのような惑星は存在せず、後にアインシュタインの一般相対性理論によって説明づけられた。

磁気圏

水星は自転速度が遅いにも関わらず、比較的強い磁気圏を持つ。その磁場の強さは地球の磁気圏の約1%である。この磁場は地球の場合と同様に、流体核の循環運動によるダイナモ効果で生まれている可能性がある。2005年現在の研究によれば、水星の核はニッケルや鉄が融解できるほどには温度が高くないと考えられているが、融点がもっと低い硫黄などが代わりに磁場の生成の原因となっている可能性がある。また、水星の磁場は過去に起きていたダイナモ効果が現在消えてしまったものの、その名残の磁場が固体の磁性体物質に「凍結」しているという可能性も考えられる。

鉄成分

水星は太陽系の他のどの天体よりも鉄の存在比が大きい。この高い金属存在量を説明するためにいくつかの理論が提唱されている。

ある理論では、水星は元々、よくあるコンドライト隕石と同程度の金属-珪酸塩比を持っていて質量が今よりも約2.25倍大きかったが、太陽系形成の初期に水星の 1/6 程度の質量を持つ微惑星と衝突したとされる。この衝突によって元々持っていた地殻とマントルが失われ、核のみが残されたと考えられる。これと同様の説は地球の月の形成を説明するジャイアント・インパクト理論として提唱されている。この説とは別に、水星は原始太陽系星雲の歴史のごく初期、まだ太陽からのエネルギー放射が安定化する前にできたとする説もある。この理論では水星は最初、現在の約2倍の質量を持っていたとされる。しかし、原始星段階の太陽が収縮するにつれて水星付近の温度が2500-3500K、あるいは10000K近くにまで上昇し、水星表面の岩石はこの高温によって蒸発して「岩石蒸気」の大気を作ったが、原始太陽系星雲の「星雲風」によって吹き飛ばされたとされる。第3の説では、第2の説と同様に水星の外層が長年にわたる太陽風の直撃によって浸食されて失われたとされる。

人類と水星

歴史と神話

水星はシュメール人の時代（紀元前3000年）から知られており、Ubu-idim-gud-ud と呼ばれていた。古い記録ではバビロニア人により観測が行われており、gu-ad 又は gu-utuと名付けられていた。古代ギリシャのヘラクレイトスは、水星と金星が地球でなく太陽の周りを回っていると考えていた。ギリシャで水星が5つの惑星の一つと認識が定着するのはプラトンの時代からのようである（『エピノミス』）。ギリシャでは、水星にヘルメスを充てる。（宵の水星と明けの水星が一つの天体であることを認識する以前は、明けの水星にはアポロンを充てていた）。ヘルメスはローマではメルクリウスとなり、水星を表す英語のマーキュリー (Mercury) の語源となっている。これは、最内周惑星で運行が速いことから、俊足の神の名を冠したもの。

1639年にはイタリアのジョバンニ・ズッピが望遠鏡を使って水星を観測し、水星にも金星や月と同様に満ち欠けがあることを発見した。これによって、水星が太陽を回っていることが確実になった。

惑星記号

ヘルメスの持ち物、商業校の校章や救急車などに今日もより写実的に用いられているケリュケイオン（ローマ神話ではカドゥケウス、二匹の蛇の絡んだ杖）を図案化したものが、占星術・天文学を通して用いられる。ヘルメスは水銀とも関連付けられたため、錬金術では水銀の象徴（元素記号）として使われた。

水星の観測

水星は太陽に接近しているため、観測するのは非常に厄介である。水星の軌道周期の約半分の期間は太陽の光に埋もれてしまって見ることができない。またそれ以外の時期でも、朝か夕方のごく短い時間しか観測できない。

金星と同じように、地球から見た水星にも月のような満ち欠けの相が見られる。内合の時に「新水星」、外合の時に「満水星」となる。しかしこれらの時期には太陽と同時に上ったり沈んだりするために見ることはできない。最大離角の時には半分欠けた形になる。西方最大離角の時には日の出前に最も早く上り、東方最大離角の時には日没後に最も遅く沈む。最大離角の値は近日点にある時には18.5度、遠日点にある時には28.3度である。しかし金星とは異なり、最も明るくなるのは「半月」形と「満月」形の間の相にある時である。（金星では「新月」形と「半月」形の間で最も明るくなる。）この理由は各相にある時の地球からの距離による。水星では内合（「新水星」）と外合（「満水星」）の時の地球からの距離の差は3倍以下だが、金星では6.5倍にもなる。水星が内合になる周期は平均すると116日だが、軌道の離心率が大きいために実際には111日から121日まで変化する。同じ理由で、地球から見て逆行する期間も8日から15日まで変化する。

水星への到達

地球から水星に到達するためには大きな技術的ハードルが存在する。水星の軌道は地球に比べて3倍も太陽に近いため、地球から打ち上げた宇宙機を水星重力に捕らえさせるためには、太陽の重力ポテンシャルを9,100万km以上も下って行かなくてはならない。もしも静止状態からスタートできるならば、宇宙機は太陽に向かって単純に落下していけば良いのでΔVやエネルギーを全く必要としない。しかし実際に地球から飛び立つ場合には地球の公転速度が約30km/hあるため、宇宙機はかなり大きな角運動量を持っており、これが太陽方向へ向かう妨げとなる。よって宇宙機は速度を大きく変えて水星近くを通るホーマン遷移軌道に入らなければならない。

これに加えて、太陽の重力ポテンシャルを下って運動していくと、最初に持っていたポテンシャルエネルギーが運動エネルギーとなって宇宙機の速度が増すことになる。この速度を修正しないと、宇宙機が水星近くに達した時には速度が大き過ぎて、着陸したり安定な水星周回軌道に入れないことになってしまう。急な崖に道路が付いていて、崖の麓で別の道路と合流しているという場合を想像すると、地球から水星までの旅はある時点までこの崖をブレーキなしで下り、それからゆっくりと麓の道に合流するようなものである。しかも、水星には大気がないので水星に近づいた宇宙機は水星大気を使って減速することはできず、ロケットを使う必要がある。これらの理由によって、水星に到達する宇宙機は太陽系を飛び出す場合よりも多くの燃料を必要とする（ただし他の惑星を目的地とするような飛行の場合には、その惑星に適切に到達する軌道に入るために、さらに多くの燃料を要する）。

これらの問題があるために、水星へ向かう探査ミッションはこれまであまり多く行われていない。また、実際に行われるミッションでは、目的の軌道に直接遷移するのではなく、より効率の良いスイングバイを用いることが多い。

水星探査

1973年に打ち上げのアメリカ航空宇宙局 (NASA) の探査機マリナー10号が、1974年に3度にわたって水星に接近。写真撮影や表面温度の観測を行なった。

2004年 8月3日アメリカ航空宇宙局のメッセンジャー (探査機) が打ち上げられた。打ち上げ時の予定では、地球、金星でのスイングバイ (フライバイ) を行ないながら水星へ向かって航行し、2008年1月には水星での最初のスイングバイ、2011年3月には水星の周回軌道に入り、継続的な観測活動を開始することになっている。

（スタブ）

外部へのリンク

太陽系の惑星 | 水星

Gourt Home::Gourt :: 水星