Een planeet die zo klein en heet is als Mercurius kan onmogelijk een atmosfeer van betekenis behouden, als hij er al ooit een heeft gehad. De oppervlaktedruk van Mercurius is minder dan een triljoenste van die van de aarde. Toch hebben de sporen van atmosferische componenten die zijn gevonden, aanwijzingen opgeleverd over interessante planetaire processen. Mariner 10 vond kleine hoeveelheden atomair helium en nog kleinere hoeveelheden atomair waterstof nabij het oppervlak van Mercurius. Deze atomen zijn meestal afkomstig van de zonnewind – een stroom geladen deeltjes van de zon die zich door het zonnestelsel naar buiten uitbreidt – en blijven maar heel kort, misschien maar een paar uur, in de buurt van Mercurius’ oppervlak voordat ze de planeet verlaten. De Mariner ontdekte ook atomair zuurstof, dat samen met natrium, kalium en calcium, dat later in telescopische waarnemingen werd ontdekt, waarschijnlijk afkomstig is van de bodem van Mercurius of van inslaande meteoroïden en door de inslaande meteoroïden of door het bombardement van zonnewinddeeltjes in de atmosfeer wordt uitgestoten. De atmosferische gassen hebben de neiging zich op te hopen aan de nachtzijde van Mercurius, maar worden verdreven door het stralende ochtendzonlicht.
Veel atomen in het gesteente aan het oppervlak van Mercurius en in zijn ijle atmosfeer worden geïoniseerd wanneer ze worden geraakt door energetische deeltjes in de zonnewind en in de magnetosfeer van Mercurius. In tegenstelling tot Mariner 10 had het Messenger-ruimteschip instrumenten die ionen konden meten. Tijdens de eerste passage van Mercurius in 2008 werden vele ionen geïdentificeerd, waaronder die van zuurstof, natrium, magnesium, kalium, calcium en zwavel. Bovendien heeft een ander instrument de lange komeetachtige staart van Mercurius in kaart gebracht, die duidelijk zichtbaar is in de spectrale emissielijnen van natrium.
Hoewel de gemeten abundanties van natrium en kalium extreem laag zijn – van honderden tot enkele tienduizenden atomen per kubieke centimeter aan het oppervlak – zijn telescopische spectrale instrumenten zeer gevoelig voor deze twee elementen, en astronomen kunnen dikke stukken van deze gassen zien bewegen over de schijf van Mercurius en door zijn omgeving in de ruimte. Waar deze gassen vandaan komen en naartoe gaan was tot het begin van de jaren negentig vooral van theoretisch en niet zozeer van praktisch belang. In die tijd deed de aardse radar de opmerkelijke ontdekking van flarden van sterk radarreflecterende materialen aan de polen. Messenger stelde later vast dat de vlekken van waterijs waren gemaakt. Ondanks Mercurius’ nabijheid tot de zon kon het waterijs overleven doordat het bedekt was met een isolerende laag donker organisch materiaal in permanent beschaduwde gebieden van diepe, bijna-polaire kraters.
Met dank aan John Harmon, Arecibo Observatory
Het idee dat de planeet die het dichtst bij de zon staat, aanzienlijke afzettingen van waterijs zou kunnen herbergen, leek oorspronkelijk een bizar idee. Toch heeft Mercurius in de loop van zijn geschiedenis water verzameld, waarschijnlijk door inslagen van kometen en asteroïden. Waterijs op Mercurius’ kokende oppervlak zal onmiddellijk in damp veranderen (sublimeren), en de afzonderlijke watermoleculen zullen in willekeurige richtingen rondhuppelen, langs ballistische banen. De kans dat een watermolecuul een ander atoom in de atmosfeer van Mercurius raakt is zeer klein, hoewel er enige kans is dat het door het felle zonlicht wordt losgemaakt. Berekeningen suggereren dat na vele hops misschien 1 op de 10 watermoleculen uiteindelijk in een diepe pooldepressie terechtkomt. Omdat de rotatie-as van Mercurius in wezen loodrecht staat op het vlak van zijn baan, is het zonlicht aan de polen altijd bijna horizontaal. Onder deze omstandigheden blijven de bodems van diepe depressies permanent in de schaduw en vormen koude vallen waarin watermoleculen miljoenen of miljarden jaren worden vastgehouden. Geleidelijk aan bouwt zich een polaire ijslaag op. De gevoeligheid van het ijs om langzaam weg te sublimeren – bijvoorbeeld door de lichte warmte van zonlicht dat door verre bergen of kraterranden wordt weerkaatst – wordt verminderd doordat het wordt omhuld door een isolerende puinlaag, of regolith, van ongeveer 10-20 cm dik, gemaakt van organische verbindingen die ook op Mercurius zijn terechtgekomen door inslagen van kometen en asteroïden.