水星最早期大气的演化

MESSENGER 观测表明，原水星上形成了岩浆洋，在此期间金属的蒸发与含 C 和 H 挥发分的外逸气产生了早期大气。随后大气通过等离子体加热、光致蒸发、Jeans 逃逸与光电离发生逃逸。为量化大气损失，我们综合了地表熔融寿命、熔融成分与大气成分方面的约束。考虑两种初始水星尺寸与四种岩浆洋成分，确定了给定表面温度下的大气物种分布。一个耦合的内部-大气模型确定了冷却速率，从而确定了地表熔融的寿命。结合熔融寿命与逃逸通量计算，给出了原水星总质量损失的估计。Jeans 逃逸的损失率可忽略不计。等离子体加热与光电离受均质层扩散速率限制，约为 $\sim10^{6}$ kg/s。光致蒸发的损失取决于水星形成的时间与假定的加热效率，范围从 $\sim10^{6.6}$ 到 $\sim10^{9.6}$ kg/s。光致蒸发的物质来源于均质层以下，因此受能量限制而非扩散限制。内部-大气化学交换的高效时标小于一万年。因此，逃逸过程仅能解释相当于小于 2.3 km 地壳（$0.3\%$ 水星质量）的损失。相应地，H$_2$O 与 Na 总质量的 $\leq0.02\%$ 发生损失。因此，累积损失不能在岩浆洋阶段显著改变水星的整体地幔成分。水星的高核幔比与富挥发分表面，可能反而反映了其吸积环境靠近太阳所导致的构建块的化学差异。