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水星（Mercury）是太陽系八大行星之一，是最靠近太陽的行星。水星質量為3.3×1023千克，它的密度很大，平均密度為5.427克/厘米3，是太陽系中僅次于地球，密度第二大的天體。水星的平均直徑為4,880 公里，并且沒有天然衛星。在英文中，水星以羅馬神null（Mercury ）命名，他是商業之神、通訊之神和眾神的使者。

根據水星模型，它可能有一個固體硅酸鹽外殼和地幔，覆蓋著一個固體外核、一個更深的液體核心層和一個固體內核。水星有相當大的鐵核，以體積計算，水星的鐵質核心約占總體積的57%。水星有偶極磁場，強度約為地球強度的1.1%。水星赤道的磁場強度約為300 nT。水星有極稀薄的大氣-外逸層，氣壓小于約0.5 nPa（0.005皮巴），由氫、氦、氧、鈉、鈣、鉀、鎂、硅和氫氧化物等元素組成。由于幾乎沒有大氣層來保持熱量，水星的表面晝夜溫差很大，白天表面溫度可達427度，黑夜最低溫度可降到-173度左右。

水星在地球軌道內圍繞太陽運行，使其僅作為距離太陽相對較近的“晨星”或“昏星”出現在地球的天空中，而不會出現在子夜前后。水星的自轉一周需58.785地球日，繞太陽公轉一周需87.969地球日，公轉的平均速度為47.36千米/秒，是太陽系中運動速度最快的行星，軌道半徑長約5790萬千米，軌道偏心率為0.20563069，是太陽系中所有已知行星中最大的，會合周期為115.88日。水星以 3:2 的自旋軌道共振繞太陽運行，這意味著相對于太陽，它繞太陽每轉兩圈，就繞軸自轉三圈。與直覺相反，由于水星自轉緩慢，地球上的觀察者每兩個水星太陽年（88 個地球日）只能看到一個水星太陽日（176 個地球日）。水星的軸的傾斜度是太陽系行星中最小的，約為0.034°。水星軌道的近日點每世紀比艾薩克·牛頓力學的預測多出43角秒的進動，這種現象直到20世紀才從阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論得到解釋。

水星形成于大約45億年前，當時重力將旋轉的氣體和塵埃拉在一起，形成了這顆離太陽最近的小行星。水星外貌像月球，表面寬闊的平原（海）上散布著大量環形山，還有紋脊、山脈、高原、平原、峭壁和山谷多種地形。水星兩極有大量從未暴露在陽光直射下的水冰庫，其質量估計約為南極冰蓋的 0.025–0.25 %。

1631年，天文學家托馬斯·哈里奧特 (Thomas Harriot ) 和伽利略·伽利萊 (Galileo)首次通過新發明的望遠鏡對水星進行觀測。水星是最難從地球到達的行星，因為太空探測器在從地球到水星的過程中經歷的速度調整幅度是所有行星探測任務中最大的。截至 2023 年，只有三艘太空探測器訪問過水星：1973年11月3日，美國發射了“水手10號探測器”太空探測器，對水星進行近距探測。2004年8月3日，美國美國航空航天局發射了“信使號”水星探測器。在2011年3月18日進入水星軌道。2018年由歐洲航天局和日本宇宙航空研究開發機構（日本宇宙航空研究開發機構）發射的貝皮可倫坡號（BepiColombo）在2021年10月1日的一次飛越中首次看到了水星，計劃總共進行九次飛越，太空探測器在2025年底進入軌道。

命名

在中國古代，水星被稱為辰星，而在西方，它被稱為墨丘利，墨丘利是羅馬神話中專門傳遞眾神信息的使者。

早在公元前3000年的蘇美爾時代，人們就觀察到了水星。它在天空中最亮時的視星等為-1.9等。古希臘哲學家和天文學家赫拉克利德斯·本都庫斯早早認識到水星和金星并不是繞地球運行的，而是繞太陽運動的。古希臘人給了水星兩個名字：當它在清晨初現時稱之為阿波羅，而在夜空中閃爍時稱之為赫耳墨斯。但實際上，這兩個名字都指的是同一顆行星。在古羅馬神話中，墨丘利是商業、旅行和偷竊之神，與古希臘神話中的赫耳墨斯是等同的，他是眾神的信使。到公元前350年左右，古希臘人已經認識到這兩顆星是同一顆行星。他們稱之為“閃爍”（Στ?λβων Stilbōn），并因其轉瞬即逝的運動而被稱為?ρμ?? Hermēs，這個名字在現代希臘語中仍然存在（Ερμ?? Ermis）。羅馬人以快速移動的信使神墨丘利（拉丁語Mercurius）來命名水星，將其與希臘的赫耳墨斯等同起來，因為水星在天空中的運動速度比其他任何行星都快。水星的天文符號是赫耳墨斯的權杖的簡化版本：?。

相關命名

水星表面大大小小的環形山星羅棋布，既有高山，也有平原，還有令人膽寒的懸崖峭壁。據統計，水星上的環形山有上千個，這些環形山比月亮上的環形山的坡度平緩些。1976年，國際天文學會聘請一些專家、學者為環形山命名，1987年正式公布了第一批環形山的名字，其中有15個環形山用了中國的人的名字。有伯牙——傳說是春秋時代的音樂家；蔡文姬——東漢末女詩人；李白——唐代大詩人；白居易——唐代大詩人；董源——五代十國南唐畫家；李清照——南宋女詞人；姜變——南宋音樂家；梁楷——南宋畫家；關漢卿——元代戲曲家；馬致遠——元代戲曲家；趙孟頫——元代書畫家；王蒙——元末畫家；朱耷——清代畫家；曹露(即曹雪芹)——清代文學家；魯迅——中國現代文學家。

基本參數

形成與演化

水星誕生于大約45億年前，由太陽形成時留下的塵埃和氣體組成的漩渦凝結而成。水星變成了一顆類地行星，有著致密的金屬內核、巖石地幔和固體地殼。然而，這顆小行星冷卻得很快，在最初的10億年左右的時間里收縮得足夠小，阻止了巖漿通過地殼逃逸，并結束地表火山活動等地質活動。

科學家曾認為水星與其他類地行星相比富含鐵，因為它可能是在太陽星云內部極熱區域的物質吸積而成的。這個區域只有較低溫度下的物質能夠凝固，不會使揮發性更強的元素和化合物在離太陽如此近的地方凝結。然而，現代太陽系形成的理論認為，不同距離太陽的吸積過程不會導致行星化學成分的逐漸差異。相反，水星內的物質很可能來自太陽系內部的多個區域。水星可能是在太陽系內部的小行星帶中形成的，并在接下來的數十億年中因與其他小行星的相互引力作用而發生位置變化。

一些行星科學家認為，在水星的早期，它經歷了一次巨大的碰撞，這次碰撞剝離了行星的大部分外層，留下了一個由內核主導的天體。這類似于火星大小的天體與地球的碰撞，并形成了月球。然而，水星之所以擁有高密度可能有其他原因。重金屬顆粒和硅酸鹽顆粒在形成水星的過程中可能存在優先順序，也可能是由于熱量和空氣動力學阻力的影響，使物質的分布發生改變。此外，數十億年來，水星的表面和近表面材料不斷受到小行星、彗星和太陽風的撞擊，這也可能影響了水星的化學成分。

行星科學家仍在研究水星形成后發生的地質和行星物理事件的年代，包括早期火山活動和撞擊事件。水星擁有一個單一板塊的地殼，其形成主要是通過全球性的火山活動釋放內部熱能。這些火山活動在約35億年前快速停止，這與水星的全球冷卻和收縮有關。然后，水星經歷了不同時代的地質變化，如火山噴發和撞擊事件，最終進入了現今的地質狀態。水星表面的地質年代被分為不同時代，則是基于地層交叉關系和不同地質事件之間的關聯來確定的。總的來說，水星的形成和演化是一個復雜的過程，涉及多個因素，包括化學成分、地質事件和太陽系內部的物質交互作用。

物理特性

水星是太陽系四顆類地行星之一，類似于地球具有巖石主體。它是太陽系中最小的行星，赤道半徑為2439.7公里，比太陽系中最大的天然衛星木衛三(ganymee)和土衛六（titan）還要小。水星的質量為3.3×1023 kg，密度為5429kg/m3，僅次于地球，是太陽系中密度第二大的天體，如果排除引力壓縮的影響，那么制造水星的材料將比地球的密度更大，未壓縮的密度為5.3g/cm3，而地球的密度為4.4g/cm3。水星的構成主要包括大約70%的金屬材料和30%的硅酸鹽材料。其金屬核心半徑約為2,074公里，可能是熔融的。水星的地幔和地殼，與地球的相當，只有約400公里厚。

內部結構

水星內部結構可以分為液體核心層、固體內核層、固體金屬外核層、地幔和固體硅酸鹽地殼。核心層的成分仍然不能確定，可能包括鎳[niè]、硅、硫和碳，以及微量的其他元素。水星在太陽系中具有第二高的密度，為5429kg/m3，僅略低于地球的5515kg/m3。如果將兩顆行星各自受到的引力壓縮影響排除掉，構成水星的材料比地球的更加致密，未受壓縮時的密度為5300kg/m3，而地球為4400kg/m3。水星的密度可以用來推斷其內部結構的細節。地球的高密度主要來自引力壓縮，特別是在地球核心部分，而水星受到的引力壓縮較小，其內部壓縮的程度也相對較小。水星擁有如此高的密度，它的核心必須較大且富含鐵。

水星核心的半徑估計為2020±30公里，占據大約57%的體積，而地球這一比例為17%。研究表明水星的核心可能是熔融的。水星的地幔地殼層總厚度為420公里。根據“水手10號探測器”和“信使”任務數據以及地球觀測，水星的地殼估計為35公里厚。但這個估計可能過高，根據艾里等壓線模型，水星的地殼可能只有26±11公里厚。水星表面的顯著特征之一是存在大量狹窄山脊，長達數百千米。這些山脊可能是在水星地殼已經凝固的時候，由于水星核心和地幔冷卻和收縮而形成的。

水星的核心鐵含量比太陽系中其他任何行星都高，有多種理論用于解釋這一現象。最被廣泛接受的理論認為，水星最初的金屬-硅酸鹽比例類似于普通的球粒隕石，被認為是太陽系中巖石物質的典型，質量約為現今的2.25倍。在太陽系早期，水星可能受到了一顆約為水星質量六分之一、直徑數千千米的小行星的撞擊。這一撞擊可能剝離了大部分原始地殼和地幔，將核心保留為相對較大的組成部分。一種類似的過程，即巨大撞擊假說，也被用來解釋地球月球的形成。

另一種假說認為水星可能是在太陽能輸出穩定之前從太陽星云中形成的。最初，水星的質量可能是現在的兩倍，但在原行星的收縮過程中，水星附近的溫度可能在2500至3500K之間，甚至可能高達10000K。在這樣的溫度下，水星表面的巖石可能會蒸發，形成一個由“巖石蒸汽”組成的大氣，可能被太陽風帶走。第三種假說提出，太陽星云對水星聚積的顆粒產生了阻力，導致較輕的顆粒從聚積物質中流失，而沒有被水星吸收。

每種假說預測不同的地表成分，有兩個太空探測器來觀察這些成分。第一個是2015年結束探測計劃的信使號，它發現地表上的鉀和硫含量高于預期，這表明巨大撞擊假說和地殼和地幔蒸發假說可能并未發生，因為這兩種假說中的極端高溫會將地表的鉀和硫蒸發掉。而“BepiColombo”探測器將于2025年到達水星進行觀測以測試這些假說。到目前為止，研究結果似乎更有利于第三種假說，但需要進一步分析數據。

地形地貌

水星的表面特征與月球相似，包括廣闊的平原和大量的撞擊坑，這表明它在地質上已經經歷了數十億年的冷卻和靜止。相較于火星和月球表面，水星的地表更為多樣化。它們都有像月球的月球海和高原那樣的地質特征。水星還有“皺紋脊”（dorsa），高地，山脈（montes），平原（planitiae），懸崖（rupes）和山谷（valles）等的地質特征。

水星的地殼在化學上是不均勻的，顯示出在其歷史早期經歷過巖漿海洋階段的跡象。地殼中不同地區的化學成分有明顯變化，這是由于礦物結晶和對流翻轉導致的。地殼中鐵含量較低，硫含量較高，這可能是水星上早期的化學還原條件比其他類地行星更強。地殼中的主要礦物包括貧鐵輝石、橄欖石、頑火輝石、鎂橄欖石、富含鈉的培長石以及混合礦物，包括鎂、鈣和硫化鐵。一些地區含有較高的碳含量，很可能是以石墨形式存在的。

水星表面特征的名稱有各種來源，并根據IAU行星命名系統設置。隕石坑以藝術家、音樂家、畫家和作家的名字命名，山脊以對水星研究有貢獻的科學家命名，洼地或凹陷以建筑作品命名，山脈以各種語言中的“熱”一詞命名，平原以各種語言中“水星”一詞命名，懸崖或峭壁以科學探險船命名，山谷以古代廢棄的城市、城鎮或定居點命名。

撞擊盆地和隕石坑

水星在46億年前的形成期間和之后不久以及38億年前結束的“晚期重轟炸”事件中遭受的彗星和小行星的猛烈撞擊。在此期間，水星的整個表面都受到了撞擊，由于缺乏任何大氣層來減緩撞擊者的速度，形成了許多隕石坑。與此同時水星的火山活躍，盆地被巖漿填滿，形成類似于月球上月球海的光滑平原。在這些隕石坑中，最不尋常的是“阿波洛多羅斯（Apollodorus）”，也被稱為“蜘蛛”，它有大量從撞擊點向外延伸的輻射槽。

水星的隕石坑在直徑上大小不同，從碗狀的小洞穴到數百公里寬的多環撞擊盆地。它們呈現出各種退化狀態，從相對新鮮的射線坑到高度退化的隕石坑遺跡。水星的隕石坑和月球的有著微妙的差異，水星隕石坑的噴發物覆蓋的區域小得多，這顯示水星有較大的表面重力。每個新的隕石坑都必須以一位藝術家的名字命名，這位藝術家在隕石坑命名之前已經成名50多年，且去世3年以上。

已知最大的隕石坑是“卡洛里斯盆地（Caloris Basin）”，或稱為“Caloris Planitia”，直徑為1550公里。形成該區域的撞擊非常大，導致了熔巖噴發，并在撞擊坑周圍留下了一個高度在2千米以上的同心圓環。該盆地的底部被一片地質上獨特的平坦平原填滿，被山脊和裂縫分割成多邊形。在卡洛里盆地（Caloris Basin）的對跖點是一大片不尋常的丘陵地形，被稱為“怪異地形（Weird Terrain）”。關于其起源的一個假說認為，卡洛里（Calories）撞擊期間產生的沖擊波在水星周圍傳播，在盆地的對極（180度遠）匯聚。由此產生的高應力使表面斷裂。關于該地形起源的另一個假說認為，隕石撞擊期間產生的沖擊波在水星周圍傳播，在盆地的對極（180度外）匯聚，導致高應力使地殼表面破裂。也有人認為，這種地形是該盆地對極噴出物匯聚的結果。

總共已經確定了46個撞擊盆地。其中列夫·托爾斯泰（Tolstoj）盆地是400公里寬的多環盆地，其噴出物覆蓋層從邊緣延伸至500公里，底部被光滑的平原物質填充。貝多芬（Beethoven）盆地有一個類似大小的噴出物覆蓋層和直徑625公里的邊緣。與月球一樣，水星表面可能也受到了太空風化過程的影響，包括太陽風和微石隕石的撞擊。

平原地貌

水星表面有兩個地質上截然不同的平原區域。隕石坑之間地區緩緩起伏的丘陵平原是水星最古老的可見表面，早于坑坑洼洼的地形。這些平原區域似乎抹去了許多早期的隕石坑，并且缺乏直徑在30公里以下，以及更小的隕石坑。這些平坦的平原是廣泛的平坦區域，充滿了各種大小的凹陷，與月球的月球海非常相似。與月球海不同的是，水星平滑的平原與較老的環形山間平原具有相同的反照率。盡管缺乏明確的火山特征，平原的分裂形狀等證據支持這些平原起源于火山。所有水星平坦平原形成的時間都明顯晚于卡洛里盆地，這一點可以從比卡洛里噴發覆蓋物上可察覺的小隕石坑密度中得到證明。卡洛里盆地的底部填滿了獨特的平原地質，破碎的山脊和粗略的多邊形裂紋。不清楚是撞擊誘導火山熔巖，還是撞擊造成大片的融化。

壓縮地貌

水星表面有一個獨特的特征是平原上縱橫交錯的無數擠壓褶皺。這些地貌特征類似于月球上的，但在水星上更加明顯。當水星內部冷卻時，它會收縮，表面會變形，形成與逆沖斷層有關的褶皺脊和葉形陡崖。這些陡崖的長度可達1000公里，高度可達3公里。這些擠壓特征可以在其他特征之上看到，如隕石坑和平滑的平原頂部，這表明它們是最近的。這些特征的測繪表明，水星半徑的總收縮范圍為約1–7公里，大多數擠壓活動可能在大約3.6-3.7億年前結束。而小規模的逆沖斷層崖，高幾十米，長度在幾公里范圍內，其歷史似乎不到5000萬年，這表明內部的擠壓和隨之而來的地表地質活動一直持續到現在。

火山地貌

有證據表明水星上的火山灰流來自低矮的盾狀火山。已經確定了51處火山灰沉積地，其中90%是在撞擊坑內發現的。一項對火山灰沉積物所在撞擊坑退化狀態的研究表明，水星上的火山活動發生的時間間隔很長。卡路里盆地西南邊緣的一個“無邊緣凹陷(rimless depression)”由至少九個重疊的火山口組成，每個火山口的直徑分別高達8公里。因此，它是一座“復合火山”。噴口底部位于其邊緣下方至少1公里處，與爆炸性噴發形成的火山口更為相似，或者與巖漿回流到管道中形成的空隙坍[tān]塌形成的火山坑更為相似。科學家們無法量化火山復合體系統的年齡，它可能在10億年左右。

地表和大氣層（外逸層）

水星的表面溫度范圍為-190至428℃。由于赤道和兩極之間沒有大氣層，它兩極的溫度從未超過-93.15°C。在近日點，日下點位于緯度0°W或180°W，溫度攀升至約426.85°C。在遠日點，日下點在緯度90°W或270°W，溫度達到276.85°C。行星夜晚的那一側（或背陽側），平均溫度為?163.15°C。水星表面的太陽光強度在太陽常數（1,370 W·m?2）的4.59至10.61倍之間。

盡管水星表面的白天溫度通常非常高，但觀測結果表明水星上存在冰。水星兩極較深的隕石坑底部的地面從未暴露在陽光直射下，那里的溫度低于?171.15°C，遠低于水星的平均水平。這就形成了一個積冰的冷阱。水冰強烈反射雷達，戈德斯通太陽系雷達（Goldstone Solar System Radar）和甚大陣射電望遠鏡在20世紀90年代初的觀測顯示，兩極附近有高雷達反射的斑塊。盡管冰并不是這些反射區域的唯一可能原因，但天文學家認為這是最有可能的。信使號（MESSENGER）拍攝的北極隕石坑圖像證實了水冰的存在。

據估計，冰凍隕石坑區域含有約1014–1015?kg的冰，可能被一層抑制升華的風化層覆蓋。相比之下，地球上的南極冰蓋的質量約為4×1018?kg公斤，火星南極冰蓋的水含量約為1016?kg。水星上冰的來源尚不清楚，最有可能的兩個來源是來自行星內部的水蒸氣在行星表面凝結和彗星撞擊的沉積。

水星質量太小，溫度太高，其引力無法長期保持住大氣層，但它確實有一個極稀薄的大氣（外逸層）。表面壓力小于約0.5 nPa（0.005皮巴）。它包括氫、氦、氧、硫、鈣、鉀、鈉、鎂、硅和氫氧化物等。這種外逸層并不穩定——原子不斷地從各種來源流失和補充。氫原子和氦原子可能來自太陽風，擴散到水星的磁層中，然后逃逸回太空。水星地殼中元素的放射性衰變是氦以及鈉和鉀的另一個來源。水蒸氣的存在是由一系列過程釋放的，例如：彗星撞擊其表面，濺射創造出的水，其中的氫來自太陽風，氧來自巖石，以及永久陰影下的極地隕石坑中的水冰的升華。水星上檢測到大量與水有關的離子，如O?、OH?和H?O?。由于在水星的太空環境中檢測到這些離子的數量，科學家推測這些分子是被太陽風從表面或外逸層吹出的。

鈉、鉀和鈣是在20世紀80年代至90年代在大氣中發現的，被認為主要是由微流星體撞擊引起的地表巖石蒸發引起的，目前包括Encke彗星。2008年，信使號發現了鎂。研究表明，鈉的排放有時局限在與水星磁極相對應的點上。這將表明磁層和行星表面之間存在相互作用。

根據美國航空航天局的說法，水星不適合類似地球的生命。它有一個表面邊界的外逸層，而不是分層的大氣層，極端的溫度和高太陽輻射。任何生物都不可能承受這些條件。水星地下的一些部分可能適合居住，可能存在生命形式，盡管可能是原始微生物。

磁場和磁層

水星磁場是穩定且全球性的，強度約為地磁場的1.1%，磁軸幾乎與自轉軸重合。與地球磁場一樣，水星磁場也生成于富鐵液核流動導致的發電機效應，高軌道偏心率引起的強潮汐效應有助于核保持液態。水星磁場雖弱，已經可以使太陽風偏折圍繞行星而形成磁層，并能夠捕獲太陽風等離子體。探測器在水星磁層中探測到了低能等離子體。

盡管水星體積小，自轉速度慢，自轉周期長達59天，但它有一個顯著的全球性的磁場。根據水手10號探測器(Mariner 10)的測量，它的強度約為地球強度的1.1%。水星赤道的磁場強度約為300 nT。與地球的磁場一樣，水星的磁場是偶極的。與地球不同，水星的磁極和水星的自轉軸幾乎是一致的。水手10號(Mariner 10)和信使號(MESSENGER)太空探測器的測量結果表明，磁場的強度和形狀是穩定的。

這種磁場很可能是由發電機效應產生的，其方式類似于地球的磁場。這種發電機效應將由行星富含鐵的液態核心的循環產生。由于水星的高軌道離心率，產生了特別強烈的潮汐加熱效應，這有助于水星保持部分核心處于液態狀態。水星核心的這種液態狀態是行星發電機效應所必需的。

水星的磁場足夠強大，可以使太陽風繞水星偏轉，從而形成磁層。水星的磁層雖然小的可以容納在水星內部，但強度已經可以捕獲太陽風等離子體，這加速了水星表面的風化進程。水手10號探測器(Mariner 10)在水星背陽側磁層內部探測到了低能量等離子體。水星磁尾中高能粒子的爆發表明了水星磁層的動態性質。

軌道和自轉

水星是太陽系所有行星中軌道離心率最大的行星，其離心率為0.21。它的公轉軌道的長半徑為0.387天文單位（AU），與太陽的距離在4600萬至7000萬公里之間變動。水星完成一次公轉周期需要87.969地球日。水星的軌道離心率對其運動產生顯著影響，它的軌道速度與它和太陽的距離成反比，在近日點附近時的軌道速度較高。水星這種與太陽的距離變化導致水星的表面被太陽升起的潮汐隆起彎曲，太陽對水星的潮汐力比月球對地球的潮汐力強約17倍。結合水星繞其自轉軸的3：2自旋軌道共振，導致表面溫度的復雜變化。這種共振使得水星上的一個太陽日（太陽兩次子午線凌日之間的長度）持續了兩個水星年，或大約176個地球日。

水星的軌道傾角為7.00487度，是已知八大行星中最大的傾角。因此，水星只有在穿越地球和太陽之間的黃道平面時才會出現凌日，這種情況平均每七年發生一次。水星凌日每46年發生7次，間隔分別為：3.5年，13年，7年，9.5年，3.5年，9.5年。

水星的軸向傾斜幾乎為零，小于0.027度，遠遠小于其他行星，如木星的3.1度。這意味著從水星兩極觀測太陽，太陽中心的上升幅度永遠不會超過地平線2.1角分。相比之下，從水星上看，太陽的角度大小從1+1/4到2度不等。

在水星的某些地點，可以在一個水星日內看到太陽上升到一半后，出現逆轉并落下，然后再次上升。這是因為在近日點前4個世界地球日左右，水星軌道的角速度幾乎等于其自轉角速度，使太陽的視位置停滯；而在近日點附近，水星軌道的角速度超過了自轉角速度。因此，從水星觀察者的角度看，太陽似乎逆行。這種現象在通過近日點4天之后會恢復正常。如果水星處于同步旋轉狀態，也會發生類似的效果：旋轉的交替增益和損失將導致經度23.65°的天平動。

出于同樣的原因，水星赤道上有兩個點，經度相差180度，在其中一個點上，在每隔一個水星年（一個水星日）的近日點附近，太陽從頭頂經過，然后反轉其表觀運動，再次從頭頂經過；然后第二次反轉，第三次從頭頂經過。整個過程總共需要大約16個地球日。在水星的另一個交替年份，同樣的事情發生在這兩點中的另一點。逆行的幅度很小，所以總的影響是，在兩三周的時間里，太陽幾乎在頭頂上靜止不動，并且最為明亮，因為水星位于離太陽最近的近日點。長時間暴露在最亮的太陽下，使這兩點成為水星上最熱的地方。由于晝夜溫度滯后，太陽在中午過后約25度時，即日出后0.4水星日和0.8水星年時，出現最高溫度。相反，水星赤道上還有另外兩個點，與第一個點相距90度經度，只有當行星每隔幾年處于遠日點時，太陽才會從頭頂經過，而此時太陽在水星天空中的運動相對較快。這些點是赤道上太陽穿過地平線時發生明顯逆行的點，它們接收的太陽熱量比上述第一個點少得多。

水星與地球內合（最接近地球）的周期平均為116地球日，但由于其軌道離心率，這個間隔可在105到129地球日之間變化。水星與地球的距離可以近到7730萬公里。從地球可以看見水星逆行的時間大約是在內合前后的8-15天，所以會有如此大范圍差距變化，完全是因為水星有著較大的離心率。從一段時間的平均值來看，水星通常是離地球最近的行星，從這個角度來看，它是離太陽系其他行星最近的行星。

自旋軌道共振

多年來，人們一直認為水星與太陽同步潮汐鎖定，水星自轉時間和公轉時間都是88天，并始終保持同一面朝向太陽，就像月球的同一面始終面向地球一樣。1965年的雷達觀測，才測量出水星自轉的精確周期是58.646天，證明水星以3:2的自旋軌道共振，每公轉太陽二周時也自轉三周。水星軌道的離心率使這種共振穩定——在近日點，當太陽潮汐力最強時，太陽在水星的天空中幾乎是靜止的。

3:2共振潮汐鎖定是通過沿水星偏心軌道的潮汐力的變化來穩定的，潮汐力作用在水星質量分布的永久偶極分量上。在圓形軌道上沒有這種變化，因此在這種軌道上穩定的唯一共振是1:1（例如，地球-月球），當潮汐力沿著“中心體”線拉伸物體時，施加的扭矩使物體的最小慣性軸（“最長”軸和上述偶極子的軸）始終指向中心。然而，由于有明顯的離心率，就像水星軌道的離心率一樣，潮汐力在近日點有一個最大值，因此共振穩定，比如3:2，確保行星在通過近日點時將其最小慣性軸大致指向太陽。

天文學家認為它被同步鎖定的最初原因是，每當水星處于最佳觀測位置時，它總是在3:2共振中幾乎處于同一點，因此呈現出相同的面貌。這是因為，水星公轉周期與地球會合周期一半的巧合。由于水星3:2的自轉軌道共振，一個太陽日大約持續176個世界地球日。一恒星日（自轉周期）則約59地球日。

模擬表明，由于其他行星的擾動，水星的軌道離心率是混沌的，在數百萬年內從接近0（圓形）到超過0.45之間變動。這被認為可以解釋水星3:2的自旋軌道共振（而不是更常見的1:1），因為這種狀態在高離心率軌道的時期中是可能發生的。然而，基于潮汐響應真實模型的精確建模表明，水星在其歷史的早期階段，即形成后的2000萬年（更有可能是1000萬年）內，就被捕獲到了3:2的自轉軌道狀態。數值模擬顯示未來長期軌道共振，與木星的交互作用會造成近日點距離的增加，在未來的50億年內有1%的幾率會與金星碰撞。

近日點的推進

1859年，法國數學家和天文學家奧本·勒維耶（Urbain Le Verrier）報告說，水星繞太陽軌道的緩慢進動不能完全用艾薩克·牛頓力學和已知行星的擾動來解釋。他提出，在可能的解釋中，另一顆行星（或一系列更微小天體）可能存在于比水星更靠近太陽的軌道上，以解釋這種擾動。（其他考慮的解釋包括太陽的輕微扁率。）基于海王星對天王星軌道的擾動，對海王星的搜索成功，使天文學家相信了這一可能的解釋，這顆假設的行星被命名為火神行星（Vulcan），但從未發現過這樣的行星。

觀測到的水星近日點進動相對于地球為每世紀5600角秒（1.5556°），或者相對于慣性ICRF為每世紀574.10±0.65角秒。利用牛頓力學考慮到其他行星的所有影響，包括由于太陽扁率導致的每世紀0.0254角秒，預測相對于地球的進動為每世紀5557角秒（1.5436°），或相對于ICRF的進動是每世紀531.63±0.69角秒。在20世紀初，阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論通過將引力形式化為由時空曲率介導，為觀測到的進動提供了解釋。這個效應對水星影響很小，每世紀只有42.980±0.001角秒（或每年0.43角秒，或每個軌道周期0.1035角秒）；因此，它需要超過1250萬個軌道，即300萬年，才能完成一次完全的超額轉彎。其他太陽系天體也存在類似但小得多的影響：金星是每世紀8.62角秒。地球是每世紀3.84角秒，火星是每世紀1.35角秒，伊卡洛斯1566(小行星)是每世紀10.05角秒。

經度約定

慣例將水星的經度零點放在表面最熱的兩個點之一。然而，當水手10號探測器首次訪問該地區時，這條零子午線處于黑暗中，因此無法在表面上選擇一個特征來定義子午線的確切位置。因此，選擇了一個更西邊的小隕石坑，名為Hun Kal，它為測量經度提供了準確的參考點。Hun Kal的中心定義了西經20°。1970年國際天文學聯合會的一項決議建議，在水星上向西測量經度是正的。因此，赤道上兩個最熱的地方位于西經0°和西經180°，赤道上最冷的地方位于西經90°和西經270°。但是，信使號項目使用東部正向約定。

觀測與探測

觀測

據計算，水星的視星等在上會合點附近的?2.48（比天狼星亮）和下會合點附近的+5.7等（接近理論上裸眼可見的極限值）之間變化。平均視星等為0.23，而標準差1.78是所有行星中最大的。上會合處的平均視星等為-1.89，下會合處為+5.93。水星距離太陽很近，觀測工作很復雜，因為它大部分時間都在太陽的眩光中消失。水星只能在清晨或黃昏的短暫時間內被觀測到。地面望遠鏡對水星的觀測只能看到一個細節有限被照亮部分的圓盤。因為安全程序防止哈勃空間望遠鏡指向太陽附近，所以它根本無法觀測到水星。

從地球上看水星與月球和金星一樣，也呈現出相位。它在下會合點處是“新月”，在上會合點處則是“滿月”。在這兩種情況下，這顆行星都被地球看不見，因為它被太陽遮住了，除了在凌日過程中的新月階段。當水星處于滿月時，從地球上看，它是最亮的。盡管水星在滿月時離地球最遠，但更大的可見照明面積和激增的相對亮度足以彌補距離造成的亮度減弱。金星的情況正好相反，當它是新月形時，它看起來最亮，因為它比滿月時時離地球更近。水星可以在每年的第一季度和最后一季度觀測到，盡管這時是它亮度較低的相位。第一和最后四分之一相位分別出現在太陽最大的西大距和最大的西大距處。在這兩個時間，水星與太陽的距離從近日點的17.9°到遠日點的27.8°不等。在最大的西大距時，水星在日出前升起，而在最大的東大距時，它在日落后落下。水星幾乎每7年（提前7天）循環一次相位序列。

水星在南半球比在北半球更容易看到。這是因為水星最大西大距僅發生在南半球的初秋，而最大的東大距僅出現在南半球冬末。在這兩種情況下，行星軌道與地平線相交的角度都是最大的，在前者中，它可以在日出前幾個小時上升，而在后者中，它要在日落后幾個小時才能從南部中緯度地區（如阿根廷和南非）落下。

觀測水星的另一種方法是在白天條件晴朗的時候用望遠鏡觀測水星，理想情況下是在水星處于最大東西大距的時候。這時即使使用孔徑為8厘米的望遠鏡也能很容易地發現這顆行星。使用這種方法必須非常小心地遮擋太陽，避免對眼睛造成傷害。當黃道位于低海拔時（例如在秋夜），這種方法繞過了曙暮光觀測的限制。當水星在天空中較高位置時，影響行星視野的大氣影響較小。這時水星最亮的情況下，可以看作是接近太陽4°的上合滿月。水星和其他幾顆行星和最亮的恒星一樣，可以在日全食期間看到。

觀測歷史

古代天文學家

已知最早的水星觀測記錄來自巴比倫簡編（MUL.APIN）。這些觀測記錄很可能是由公元前14世紀左右的巴比倫人編寫的。巴比倫簡編（MUL.APIN）石碑上用來表示水星的楔形文字名稱被轉錄為UDU.IDIM.GU\U4.UD（“跳躍的行星”）。巴比倫對水星的記錄可以追溯到公元前一千年。巴比倫人以他們神話中的眾神使者的名字（Nabu）命名水星。

希臘天文學家克羅狄斯·托勒密在他的著作《行星假說》中寫到了行星凌日穿過太陽表面的可能性。他表示，沒有觀測到凌日，要么是因為水星等行星太小，看不見，要么是凌日太罕見。

在中國古代，水星被稱為“辰星”. 它與玄學五相體系中的北向和水相聯系在一起?，F代中國、韓國、日本和越南文化將它字面上稱為“水星”, 以五行為基礎。印度神話中用布達（Budha）這個名字來代表水星，而這個神被認為是星期三的主持者。[159]日耳曼神話中的神奧丁（Odin或Woden）與水星和星期三有關?，斞湃丝赡軐⑺敲枥L成一只貓頭鷹（或者可能是四只貓頭鷹；兩只代表早晨，兩只代表晚上），充當通往冥界的信使。

在中世紀的伊斯蘭天文學中，11世紀的安達盧西亞天文學家阿布·伊沙克·伊卜魯哈姆·扎奎（AbúIshāq Ibrāhīm al-Zarqālī）將水星的地心軌道描述為橢圓形，就像雞蛋一樣。這一見解并沒有影響他的天文學理論或天文學計算。在12世紀，伊本·巴賈（Ibn Bajjah）觀察到“兩顆行星是太陽表面的黑點”，后來馬拉加天文學家Qotb al-Din Shirazi在13世紀認為這是水星和/或金星的凌日。大多數這樣的中世紀凌日報告后來都被視為對太陽黑子的觀測。

在印度，喀拉拉邦學派的天文學家Nilakantha Somayaji在15世紀開發了一個部分日心行星模型，其中水星繞太陽運行，而太陽又繞地球運行，類似于第谷·布拉赫后來在16世紀末提出的第谷系統。

地面望遠鏡研究

1610年，托馬斯·哈里奧特（Thomas Harriot）和伽利略·伽利萊（Thomas Harriot）對水星進行了第一次望遠鏡觀測。1612年，西蒙·馬呂斯（Simon Marius）觀察到水星的亮度隨行星軌道位置的變化而變化，并得出結論，水星的相位“與金星和月球相同”。1631年，皮埃爾·加森迪（Pierre Gassendi）第一次用望遠鏡觀測到水星凌日，當時他看到的是約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）預測的水星凌日。1639年，喬瓦尼·祖皮（Giovanni Zupi）用望遠鏡發現水星的軌道相位與金星和月球相似。觀測結果確鑿地證明水星繞太陽運行。

天文學中有一類罕見的事件是一顆行星在另一顆行星前面經過（掩星）。水星和金星每隔幾個世紀就會相互遮掩，1737年5月28日約翰·貝維斯（John Bevis）在皇家格林威治天文臺觀測到了水星金星的掩星事件，是歷史上唯一觀測到的水星金星的掩星事件。下一次金星對水星的掩星將在2133年12月3日。

觀測水星的固有困難意味著它的研究遠遠少于其他行星。1800年約翰·施羅特（Johann Schr?ter）對地表特征進行了觀測，聲稱觀測到了20公里高的山脈。弗里德里希·貝塞爾（Friedrich Bessel）使用施羅德（Schr?ter）的圖紙錯誤地估計旋轉周期為24小時，軸向傾斜為70°。在19世紀80年代，喬瓦尼·斯基亞帕雷利（Giovanni Schiaparelli）更準確地繪制了這顆行星的地圖，并提出水星的自轉周期為88天，與潮汐鎖定導致的軌道周期相同。這種現象被稱為同步旋轉。歐金尼奧斯·安東尼亞迪（Eugenios Antoniadi）繼續繪制水星表面的地圖，他于1934年出版了一本書，其中包括地圖和他自己的觀測結果。水星的許多表面特征，特別是反照率特征，都取自安東尼亞迪的地圖。

1962年6月，在弗拉基米爾·科捷爾尼科夫（Vladimir Kotelnikov)的領導下，蘇聯科學院無線電工程與電子研究所的蘇聯科學家第一次接收到從水星上反射的雷達信號，開始對水星進行雷達觀測。三年后，美國人戈登·H·佩滕吉爾（Gordon H. Pettengill）和羅爾夫·B·戴斯（Rolf B. Dyce）使用在波多黎各的300米寬的阿雷西博射電望遠鏡進行的雷達觀測最終表明，這顆行星的自轉周期約為59天。水星自轉是同步的理論已經被廣泛接受，當這些無線電觀測結果被宣布時，天文學家感到驚訝。如果水星被潮汐鎖定，它黑暗的表面將非常寒冷，但無線電發射的測量顯示，它比預期的要熱得多。天文學家不愿放棄同步旋轉理論，并提出了強大的熱分布風等替代機制來解釋觀測結果。

1965年，意大利天文學家朱塞佩·科倫坡（Giuseppe Colombo）指出，自轉值約為水星軌道周期的三分之二，并提出水星的軌道周期和自轉周期鎖定在3:2而不是1:1的共振中。水手10號探測器的數據隨后證實了這一觀點。這意味著斯基亞帕雷利（Schiaparelli）和安東尼亞迪（Antoniadi）的地圖沒有“錯誤”。相反，天文學家都看到了相同的特征，并將其記錄下來，但當水星的另一面朝向太陽時，他們忽略了在此期間看到的特征。因為軌道幾何形狀意味著相關的觀測是在惡劣的觀測條件下進行的。

直到第一個太空探測器飛過水星，它的許多最基本的形態特性才為人所知。技術進步也改善了地面觀測。2000年，威爾遜山天文臺1.5米的海爾望遠鏡進行了高分辨率成像觀測。他們提供了第一批視圖，解決了水手10號探測器任務中沒有成像的水星部分的表面特征。阿雷西博雷達望遠鏡以5公里的分辨率繪制水星的大部分地圖，其中包括可能是水冰的陰影隕石坑中的極地沉積物。

太空探測器的研究

因為水星的軌道比地球離太陽更近，到達水星的太空探測任務帶來了重大的技術挑戰。從地球發射的前往水星的航天器必須穿越9100萬公里并進入太陽的引力勢阱。水星的軌道速度為47.4公里/秒，而地球的軌道速度是29.8公里/秒。與火星行星任務相比，航天器必須在速度上做出更大的變化才能到達水星，然后進入軌道。這個速度變化預算的一部分可以在金星的一次或多次飛越期間通過重力輔助來提供。為了安全著陸或進入穩定軌道，航天器將完全依靠火箭發動機。因為水星的大氣層可以忽略不計所以空氣制動被排除在外。水星之旅需要比完全逃離太陽系所需的更多的火箭燃料。因此，到目前為止，只有三個太空探測器訪問過它。還有一種可能的替代方法是使用太陽帆來到達水星繞太陽的同步軌道。

水手 10（Mariner 10）

第一艘訪問水星的太空探測器是美國航空航天局的水手10號探測器（1974–1975）。水手10號利用金星的引力調整其軌道速度，使其能夠接近水星，這使其成為第一個使用這種引力“彈弓”效應的航天器，也是美國國家航空航天局首次訪問多顆行星的任務。水手10號提供了第一批水星表面特寫影像。這張圖像立即顯示了水星表面坑坑洼洼的性質，并揭示了許多其他類型的地質特征，例如后來被認為是由于水星鐵芯冷卻時收縮形成的巨大陡崖。不幸的是，水手10號的每一次近距離接近都照亮了水星的同一面。這使得無法對行星兩側進行近距離觀測，并導致繪制了不到45%的行星表面地圖。

飛船三次接近水星，其中最接近的一次距離水星表面327公里。在第一次近距離接近時，儀器檢測到了磁場，這讓行星地質學家非常驚訝——水星的自轉速度預計太慢，無法產生顯著的發電機效應。第二次近距離接近時主要用于成像，在第三次近距離接近時，獲得了大量的磁數據。數據顯示，這顆行星的磁場很像地球的磁場，它會使太陽風在行星周圍偏轉。在水手10號探測器之后的許多年里，水星磁場的起源一直是幾個相互競爭的理論的主題。1975年3月24日，就在最后一次接近八天后，水手10號耗盡了燃料。由于無法再精確控制其軌道，任務控制人員指示探測器關閉。水手10號被認為仍在繞太陽運行，每隔幾個月就會接近水星。

信使 MESSENGER

2004年8月3日，美國航空航天局發射了第二次水星任務，名為信使號MESSENGER(MErcury Surface,Space ENvironment,GEochemistry,and Ranging)。它于2005年8月飛越地球，并于2006年10月和2007年6月飛越金星，將其置于正確的軌道上，到達繞水星的軌道。水星的第一次飛越發生在2008年1月14日，第二次飛越發生于2008年10月6日，第三次飛越于2009年9月29日。水手10號探測器沒有成像的大部分半球都是在這些飛越過程中繪制的。2011年3月18日，探測器成功進入環繞地球的橢圓軌道。水星的第一張軌道圖像于2011年3月29日獲得。探測器完成了為期一年的測繪任務，然后進入了一個為期一年、延長至2013年的任務。除了對水星的持續觀測和測繪外，信使號還觀測到了2012年的太陽極大期。

此次任務旨在解決六個關鍵問題：水星的高密度、地質歷史、磁場性質、核心結構、兩極是否有冰，以及脆弱的大氣層來自哪里。為此，探測器攜帶了成像設備，可以收集比水手10號探測器更高分辨率的水星圖像，各種光譜儀可以確定地殼中元素的豐度，磁力計和設備可以測量帶電粒子的速度。對探測器軌道速度變化的測量預計將用于推斷行星內部結構的細節。信使號的最后一次機動是在2015年4月24日，它于2015年4月份30日撞上了水星表面。飛船與水星的撞擊發生在美國東部時間2015年4季度30日下午3:26:01，留下了一個直徑估計為16米（52英尺）的彈坑。

BepiColombo

貝皮可倫坡號（英語：BepiColombo，日語：ベピ?コロンボ）是由歐洲航天局（ESA）與日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）所合作的水星探測計劃，于2018年10月20日發射升空。此計劃包含了兩顆軌道器：水星行星軌道器（Mercury Planetary 軌道飛行器，MPO）與水星磁層軌道器（Mercury Magnetospheric Orbiter，MMO，昵稱：MIO）。貝皮可倫坡號探測器將對水星進行全面深入的研究，包括它的磁場，磁層，內部結構和地表特征。經過多年的計劃和籌備工作，貝皮可倫坡號項目于2009年獲得ESA批準，它是ESA的Horizon 2000+計劃的第三個也是最后一個任務。發射后，它將一次飛越地球、兩次飛越金星、五次飛越水星，最終在2025年進入水星軌道。然后軌道飛行器分離，并使用化學推進器調整其軌道，并于2026年初開始其主要科學任務。該太空探測器的主要目標是：研究靠近太陽的行星的起源和演化，研究水星的形態、內部、結構、地質、成分和隕石坑，研究水星的外逸層、組成和動力學，包括產生和逃逸，研究水星的磁化包層（磁層）——結構和動力學，調查水星磁場的起源，通過高精度測量驗證阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論。貝皮可倫坡號在2021年10月1日的一次飛越中首次看到了水星。

水星探測的意義

水星探測屬于深空探測領域，具備深空探測的普適性探測意義，即科學層面上揭示太陽系起源與演化、解答行星形成和生命起源等基礎科學問題；經濟層面上牽動創新科技的發展，促進材料、控制、制造等領域的發展，進而帶動國家經濟發展；政治層面上彰顯國家綜合國力和科學發展水平，激勵青少年探索和創新的科學精神，激發人民愛國熱情。此外，水星因其獨特的屬性具有其特異性的探測意義。

水星的軌道運動在自然理論的發展和驗證中具有關鍵作用，這是因為水星的軌道受到太陽和其他行星的引力擾動影響。這種影響表現為水星繞太陽軌道上的微小旋轉或進動。這個每世紀大約9.5角秒（0.16度）的微小運動已為人們所熟知已有兩個世紀，實際上，除了大約7%的軌道運動（相當于43角秒或0.012度）可以用艾薩克·牛頓提出的普遍引力理論來解釋。然而，這種微小差異太大，不能被忽視，因此人們提出了解釋，通常涉及到尚未被發現的額外行星在水星軌道內。

在1915年，阿爾伯特·愛因斯坦證明了他的廣義相對論可以解釋這一微小差異，從而將水星軌道的進動變成了廣義相對論的重要驗證觀測。此后，水星被用于其他相對論測試，這些測試利用了這一事實：當水星位于太陽和地球的另一側（合日）時，必須經過太陽附近。廣義相對論預測，由于太陽的強大引力扭曲了周圍的時空，移動的電磁信號將在此區域中遵循略有不同的路徑，所需的傳播時間也略有不同。通過比較反射回來的雷達信號與廣義相對論的具體預測，科學家成功進行了第二次重要的相對論驗證。

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