水星のように小さくて高温の惑星には、仮に大気があったとしても、重要な大気を保持する可能性はない。 確かに、水星の表面圧力は地球の1兆分の1以下である。 しかし、これまでに検出された大気成分の痕跡は、興味深い惑星のプロセスについての手がかりとなっている。 Mariner 10は、水星の表面近くに少量の原子状ヘリウムと、さらに少量の原子状水素を発見した。 これらの原子の多くは、太陽からの荷電粒子の流れである太陽風に由来するものであり、水星の表面近くに数時間という非常に短い時間留まった後、水星外へと逃げていく。 マリナーは原子状酸素も検出したが、これは後に望遠鏡観測で発見されたナトリウム、カリウム、カルシウムとともに、水星表面の土壌や隕石の衝突によって生成され、衝突や太陽風粒子の衝突によって大気中に放出されたものと考えられる。
皆既日食水星の表面の岩石や希薄な大気中の多くの原子は、太陽風や水星の磁気圏の高エネルギー粒子に衝突するとイオン化します。 メッセンジャーは、マリナー10号とは異なり、イオンを測定する装置を備えている。 2008年に水星を最初に通過した際、酸素、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、硫黄などのイオンが確認された。
測定されたナトリウムとカリウムの存在量は、表面付近では1立方センチメートルあたり数百から数万個と非常に少ないのですが、望遠分光器はこの2つの元素に非常に敏感であり、天文学者はこれらのガスの厚いパッチが水星の円盤を横切り、宇宙の近隣を移動する様子を見ることができます。 これらのガスがどこから来て、どこへ行くのかは、1990年代初頭までは実用的ではなく、主に理論的な問題であった。 その頃、地球のレーダーによって、極地にレーダー反射率の高い物質のパッチがあるという驚くべき発見があった。 メッセンジャーは後に、この斑点が水氷でできていることを確認した。 水星は太陽に近いにもかかわらず、水氷は極地近くの深いクレーターの永久的な影の領域で、暗い有機物の絶縁層に覆われて生き延びることができたのである。
Courtesy of John Harmon, Arecibo Observatory
太陽に最も近い惑星が水の氷を大量に蓄えているという考えは、もともと奇抜なものでした。 しかし、水星はその歴史の中で水を蓄積しており、おそらく彗星や小惑星との衝突によってもたらされたものと思われます。 水星の表面に付着した水氷は、すぐに蒸気となり、個々の水分子は弾道を描いてランダムな方向に飛び散る。 水分子が水星の大気中で他の原子に衝突する確率は非常に低いが、明るい太陽の光で解離する可能性はあると思われる。 計算によると、何度もホップを繰り返した後、水分子の10個に1個は、最終的に深い極地の窪みに着地することになる。 水星の回転軸は軌道面にほぼ垂直なので、極域では太陽光は常にほぼ水平である。 このような状況下では、深い窪みの底は永久に影となり、数百万年から数十億年の間、水分子を保持するコールドトラップとなる。 そして、徐々に極地の氷が堆積していきます。 この氷は、彗星や小惑星の衝突によって水星に到達した有機化合物でできた厚さ約10〜20cmのレゴリスと呼ばれる断熱層に覆われているため、遠くの山やクレーターの縁から反射するわずかな暖かさなどによって、ゆっくりと昇華してしまう可能性が低い。