水星

中國古代稱水星為“辰星”。它與太陽最大角距不超過28°，由於古代稱30°為一辰，故而得名。 ^[1] 

1976年，國際天文學聯合會開始為水星上的環形山命名。在已命名的310多個環形山的名稱中，其中有21個環形山是以中國歷史人物的名字命名的。比如，伯牙：傳説是春秋時代的音樂家；蔡琰：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；姜夔：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：清初畫家；曹雪芹：清代文學家；魯迅：中國近代文學家。 ^[5]  齊白石：現代畫家；仇英：明代畫家；韓幹：唐代畫家；杜甫：唐代詩人；文天祥：宋代詩人；蕭照：宋代畫家；銀蛇（光斑） ^[13] 

水星是所有的行星中軌道離心率最大的，為0.20563，它與太陽的距離在4600萬至7000萬千米的範圍之間變動。它以87.969地球日的週期完整地公轉太陽一圈。右邊的水星軌道圖疊加上有着相同半長軸的圓形軌道，以顯示出軌道離心率造成的影響。以5天為間隔的標示顯示出在近日點時有着較大的距離，清楚的顯示出比較高的軌道速度。球的大小，與它們和太陽的距離成反比，用來闡釋日心距離的變化。到太陽距離的變化，結合行星繞着自轉軸的自轉軌道共振，造成表面温度複雜的變化。這種共振使得一個水星日的長度是水星的兩年，或是大約176個地球日。水星的軌道平面對地球的軌道平面（黃道）有着7度的傾斜，顯示在右圖中。水星在前方穿越太陽的凌日，只有在水星穿越黃道平面之際，也位於地球和太陽之間時才會發生。平均下來，大約7年才會發生一次。水星的轉軸傾角幾乎是零，測量值小於0.027度。這明顯的遠小於木星，它是轉軸傾角第二小的行星，數值為3.1度。這意味着位於水星極點的觀測者，太陽中心點的高度永遠不會高於地平線上2.1角分。

在水星表面上的某些點，觀測者可以看見太陽上升到半途時，會反轉回去日落，然後再度日出；在所有的點上，這些都發生在同一個水星日。這是因為在近日點前大約4個地球日時，水星軌道的角速度，幾乎與它的自轉速度相同，所以太陽的視運動會停滯；在近日點時，水星公轉的角速度超過水星自轉的角速度。因此，對假設在水星上的觀測者，會明顯的看到太陽逆行。通過近日點4天之後，在這些點上觀測到的太陽視運動又恢復正常了。

水星與地球內合（最靠近地球）的週期平均是116地球日，但是由於水星軌道的離心率，這個間隔從105日至129日不等。水星與地球的距離可以近到7730萬千米，但在公元28622年之前不會接近至8000萬千米以內，公元2679年為8210萬千米，公元4487年為8200萬千米。從地球可以看見它逆行的時間大約是在內合前後的8-15天，所以會有如此大範圍差距變化，完全是因為它有着較大的離心率。

1889年意大利天文學家喬凡尼·斯基亞帕雷利經過多年觀測認為水星自轉時間和公轉時間都是88天。許多年以來，水星被認為是與太陽同步的潮汐鎖定，在每一次的軌道公轉中都以同一面朝向太陽，就像月球始終以同一面朝向地球。在1965年的雷達觀測，美國天文學家才測量出水星自轉的精確週期是58.646天，證明水星以3:2的自轉軌道共振，每公轉太陽二次時也自轉三次；而水星軌道的高離心率使得此共振穩定 － 在近日點，太陽的潮汐力最強，太陽也平靜（穩定）的出現於最靠近水星的天空。

起初，天文學家認為它被同步鎖定的原因是，當水星在適合觀測的位置上時，它幾乎總是在3:2共振的相同位置上，因此呈現相同的面貌。這也是因為水星公轉週期與地球會合週期一半的巧合，由於水星3:2的自旋軌道共振，一太陽日（太陽兩次過中天的時間間隔）約176地球日。一恆星日（自轉週期）則約59地球日。

模擬的研究顯示水星軌道的離心率是混沌的，在數百萬年的時間內會因為其它行星的攝動從接近0（圓形）至超過0.45之間變動。這被認為可以解釋水星的3:2自旋軌道共振（而非更常見的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。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。

1859年，法國數學家和天文學家奧本·勒維耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）報告水星環繞太陽的軌道有着牛頓力學和現有已知的行星攝動不能完滿解釋的緩慢進動。他建議用“另一顆行星（或一系列更微小天體）位於比水星更靠近太陽的軌道上”來處理這些攝動（其它的解釋包括太陽略微的扁平）。基於天王星的軌道受到擾動而發現了海王星的成功，使天文學家對這個解釋充滿了信心，並且這個假設的行星被命名為祝融星，但是始終未能發現這顆行星。

水星相對於地球的近日點進動是每世紀5600弧秒（1.5556度），或是相對於慣性ICFR每世紀574.10±0.65角秒；但牛頓力學考慮了來自其它行星所有的影響，預測的進動只有每世紀5557角秒（1.5436度）。在20世紀初期，愛因斯坦的廣義相對論對觀測到的進動提供瞭解釋。這個效應非常小：水星近日點的相對論進動是每世紀42.98角秒，剛剛好是之前不足的值；然而，在經歷1200萬次的公轉之後，它仍有一點點的過剩。其它行星也有非常類似的情形，但是影響小了很多：金星是每世紀8.62角秒，地球是3.84角秒，火星是1.35角秒，伊卡洛斯（1566 Icarus）是10.05角秒。

水星的視星等介於−2.6等（比最亮的恆星天狼星更亮）和+5.7等（接近理論上裸眼可見的極限值）之間。這兩個極端值都出現於水星在天空中的視位置接近太陽的時候。由於它很接近太陽，因此觀測上很麻煩，大部分的時間都會迷失在陽光中，只有在日出前或日落後短暫的暮曙光內可以看見。説起五大行星的水星，自古以來用肉眼觀測是最難的。據傳説，大天文學家哥白尼臨終前曾嘆他一生沒有見過水星。水星，像其它一些行星和明亮的恆星一樣，可以在日全食的時間被看見。

像月球和金星一樣，從地球上可以觀察到水星的相位。它的“新月”出現於內合，“滿月”出現於在外合。由於它相對的過度貼近太陽，因此從地球上是看不見水星呈現這兩種相位。觀察水星的最佳時候是在日出之前約50分鐘，或日落後50分鐘。

若用望遠鏡看水星，則可以選擇水星在其軌道上處於太陽一側或另一側離太陽最遠（大距）時並在日出前或日落後搜尋到它。天文曆書會告訴你，這個所謂的“大距”究竟是在太陽的西邊（右邊）還是東邊（左邊）。若是在西邊，則可以在清晨觀測；若是在東邊，則可以在黃昏觀測。知道了日期，又知道了在太陽的哪一側搜尋，還應該儘可能挑一個地平線沒有東西阻隔的地點。搜尋水星要在離太陽昇起或落下處大約一柞寬的位置。你將會看到一個小小的發出淡紅色光的星星。

在其被太陽光淹沒之前，你大概可以觀測它2個星期。6個星期之後，它又會在相對的距角處重新出現。

在中國的大部分地區，一年通常只有2到3次最佳的水星觀測機會。水星是昏星時，每年3月底到6月初，尤其是在5月中下旬，有機會達到比較大的高度，可以在傍晚西方天空中尋找。水星是晨星時，9月初到12月初，尤其是10月中下旬，有機會達到比較大的高度，可以在黎明時向東方尋找。值得注意的是，並不是説這兩個時間段的水星一定會比較高，只有在此期間發生水星大距時，高度才會比較大，否則就只能靜待下一年了。例如，2021年有兩次大距都非常接近最佳觀測日期。分別是5月17日的昏星和10月25日的晨星。 ^[9] 

其實水星用肉眼觀測並不是想象中那麼難。要想觀測水星，選擇其大距時固然重要，而對於南北緯30，甚至20度以上的觀測者，水星相對於太陽的赤緯極為重要。據傳説，大天文學家哥白尼臨終前曾嘆他一生沒有見過水星。

哥白尼為什麼沒見過水星，最重要的客觀原因有兩個：第一，近前後5000年，北半球相對於南半球，不適合觀測水星，因為每當水星大距處於其遠日點時，北半球觀測者會發現水星的赤緯總是低於太陽赤緯，即使水星離太陽距角接近最大的28度，但水星幾乎還是和太陽同升同落。反之水星到了近日點時，北半球觀測者看到的水星卻比太陽赤緯高。但近日點畢竟才18度的距角，所以水星還是難以觀測。這種情況需要再過幾千年水星近日點進動90度後才能改觀。第二，地理緯度越高，內行星越難見。緯度高的地區，太陽的晨昏朦影時間很長，即日出前或者日落後很久，天空依然明亮，所以不利於觀測水星，即使北半球來説水星每逢高於太陽赤緯的大距，亮度至少比織女星亮，但明亮的天空背景還是使水星不易觀測。

在北半球如中國，想要觀測水星，只要選對日期，天氣良好的情況下還是很容易做到的。一年中觀測水星的最佳月份是3月、4月、9月、10月，即春秋分前後。春秋分時黃道赤緯微分值最大，（黃道赤緯變化最大），太陽和水星在黃道上相同距角時，距離的赤緯也比其他黃道區域大。當水星赤緯大於太陽赤緯較多時，偏北的水星可以在太陽在地平線下很久而被觀測到。經驗是：春分時節在西方的雙魚、白羊座找，秋分時節在獅子、處女座找水星。水星相當的明亮，在淡藍色的黎明和黃昏低空中發出不閃爍的黃色光芒。

通常通過雙筒望遠鏡甚至直接用肉眼便可觀察到水星，但它總是十分靠近太陽，在曙暮光中難以看到。Mike Harvey的行星尋找圖表指出此時水星在天空中的位置（及其他行星的位置），再由“星光燦爛”這個天象程序作更多更細緻的定製。

為了全面瞭解水星，截至2022年10月，人類已經向水星發射了三個探測器，分別是水手10號探測器、信使號水星探測器和貝比科隆博號（BepiColombo）水星探測器。 ^[16-17] 

第一艘探測水星的太空船是NASA的水手10號（Mariner 10，1974-1975年）。這艘太空船使用金星的引力調整它的軌道速度，使它能夠接近水星，並使它成為第一艘使用重力助推效應，和NASA第一次拜訪多顆行星的太空任務。水手10號提供了第一批的水星表面特寫影像，其中立刻顯示出水星有大量環型山的性質，並透漏許多其他類型的地質特徵，像是巨型的陡坡，後來歸因於水星的鐵核冷卻時稍為收縮造成的。不幸的是，由於水星軌道公轉週期的長度，使得水手10號每次接近時觀察的都是水星的同一側。這使得水手10號不可能觀察到完全的水星表面，結果是完成的水星表面地圖少於45%。

在1974年3月27日，首次飛越水星的兩天前，水手10號的儀器意外的發現水星附近有大量的紫外線輻射，這導致初步認定水星有衞星。不久之後，過量的紫外線被確認是巨爵座31號星的，而水星的衞星就成為天文歷史書上的一個註腳。這艘太空船三度飛臨水星，最接近時與表面的距離只有327千米。在第一次接近時，儀器偵測到水星有磁場，這使得行星地質學家大為驚訝 － 因為水星的自轉極為緩慢，不致於產生髮電機效應。第二次的接近主要是要拍攝影像，但在第三次接近時，獲得了廣泛的磁性資料。這些資料顯示水星的磁場非常類似於地球，使得水星周圍的太陽風產生偏離。水星磁場的起源依然有幾個主要的理論在相互競爭。在1975年3月24日，就在最後一次接近水星之後8天，水手10號耗盡了燃料。由於不再能精確的控制他的軌道，於是任務控制者關閉了探測器的儀器。水手10號被認為仍然環繞着太陽，每隔幾個月仍會接近水星一次。

信使號（Messager）是NASA前往水星的第二艘太空船，於2004年8月3日使用波音戴爾他2型火箭從卡納維拉爾角空軍基地發射。它在2005年8月飛越地球，並在2006年10月和2007年6月掠過金星，將它調整至正確的軌道，以達到能環繞水星的軌道。在2008年1月14日，信使號首度飛越水星，2008年10月6日再度飛越，並於2009年9月29日第三度飛越。在這幾次的飛越中，將水手10號未曾拍攝的半球都拍攝了。探測器在2011年3月18日成功進入繞行水星的橢圓軌道。信使號是在一個大橢圓軌道上以12小時為週期繞水星轉動，距離水星表面最近時距離為200千米，最遠則可達15193千米。它軌道的最低點位於水星北緯60度的上空，之所以這樣選擇部分是為了能詳細地研究巨大的卡洛里盆地。這個盆地直徑1550千米，是水星最大的表面特徵。並在2011年3月29日獲得了第一張在軌道上的水星影像。探測器已經完成一年的製圖任務，正在進行預定在2013年完成的另一年延伸探測任務。除了繼續觀測水星和繪製地圖之外，信使號也將觀察2012年的太陽極大期。

這項任務要釐清六個關鍵的問題：水星的高密度、地質歷史、磁場的本質、核的結構、兩極水冰。以及稀薄的大氣是如何形成的。為了達到這些目的，信使號探測器攜帶了比水手10號的儀器分辨率更高許多的影像成像設備，各式光譜儀測量地殼中元素的丰度，和磁強計等設備來測量帶電粒子的速度。詳細測量探測器在軌道速度上的微小變化，用來推斷水星內部構造的詳細信息。美國東部時間2015年4月30日下午3點26分（北京時間5月1日凌晨3點26分），“信使號”以撞擊水星的方式，結束其探測使命，在水星北極附近留下一個相當於NBA籃球場大小的撞擊坑（直徑約15米）。

歐洲空間局計劃和日本合作，以兩艘太空船環繞水星：一艘描繪水星地圖，另一艘研究它的磁氣層，稱為貝皮可倫坡號（BepiColombo）的探測計劃。在2018年10月20日發射太空船，預期2025年前抵達水星。載具將釋放一個磁強計進入環繞水星的橢圓軌道，然後化學火箭將點燃，讓繪製地圖的探測器進入圓軌道。這兩個探測器都將運作一個地球年。繪圖探測器將攜帶類似於信使號的光譜儀，和在許多不同的波長上研究這顆行星，包括紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線。

2023年，法國國家科學研究中心等機構的科學家發現了太陽系中可能普遍存在的極光機制。這一發現來自於水星探測器“貝皮科倫布號”首次飛越水星的數據。研究揭示了水星南部磁層的極光與地球和火星的極光相似，形成極光的過程也與地球、木星、土星和天王星上觀察到的類似。 ^[15] 

在水星南北極的環形山是一個很有可能適合成為地球外人類殖民地的地方，因為那裏的温度常年恆定（大約-200℃）。這是因為水星微弱的軸傾斜以及因為基本沒有大氣，所以從有日光照射的部分的熱量很難攜帶至此，即使水星兩極較為淺的環形山底部也總是黑暗的。適當的人類活動將能加熱殖民地以達到一個舒適的温度，周圍一個相比大部分地球區域來説較低的環境温度將能使散失的熱量更易處理。 ^[10] 

2023年11月，美國行星科學研究所（PSI）科研團隊深入研究水星，認為在水星北極周圍的拉迪特拉迪隕石坑和埃米內斯庫隕石坑中，發現了鹽冰川的痕跡，推測在水星炎熱表面下，可能存在生命。 ^[14] 

由於缺乏大氣的包圍，水星表面的赤道和兩極之間有着陡峭的温度差，温度範圍從100K至700K。日下點的温度在近日點時高達700K，而在遠日點時只有550K；在行星夜晚的那一側，平均温度是110K。陽光的強度範圍是太陽常數（1,370W·m⁻²）的4.59和10.61倍。

雖然水星表面的温度在白天是非常的高，但觀測的結果仍然強烈的支持冰（凍結的水）存在於水星。在極區深坑的底部從未被陽光直接照射過，温度依然維持在102K以下，遠低於全球的平均温度。水冰強烈的反射了雷達，金石70米的望遠鏡和VLA在1990年代早期的觀測，透漏了在接近極區有非常高的雷達反射斑點。雖然冰不是造成這些反射區域的可能原因，但天文學家相信冰是最有可能的。 ^[6] 

相信冰的區域擁有大約10¹⁴–10¹⁵千克的冰，並且可能覆蓋着一層表岩屑，抑制了昇華。相較之下，地球南極的冰層大約有4×10¹⁸千克的冰，火星南極的冰帽大約有10¹⁶千克的冰。水星上冰的來源還不清楚，但有兩種最可能的來源：從行星內部排放出來的，或是彗星撞擊造成的沉積。2012年11月29日，水星探測衞星信使號團隊發言人表示，科學家在水星北極區域永遠曬不到太陽的陰暗坑洞內發現大量凍冰（重量可能多達10¹²噸）。

水星不僅太小，而且太熱，因此它的引力不足以長期留住大氣層；但它確實有一個稀薄的、侷限在表面的外逸層，包含着氫、氦、氧、硫、鈣、鉀和其它元素。這個外逸層並不穩定，原子會不斷的失去和由其它不同的來源獲得補充。氫和氦可能來自太陽風，並在逃逸回太空之前先擴散至水星的磁層。元素的放射性衰變是水星地殼內氦、鈉和鉀的另一個來源。信使號發現鈣、氦、氫氧化物、鎂、氧、鉀、硅和鈉的比例偏高。也有水蒸氣的存在，組合的過程發表如下：彗星撞擊其表面，濺射創造出的水，其中的氫來自太陽風，氧來自岩石，和在極區坑洞內永久陰影下儲存的冰昇華。檢測到許多由水釋出的離子，如O⁺、OH^-、和H₃O⁺則是一個驚喜。由於這些為數可觀的離子是在水星的太空環境中發現的，因此科學家推測是被太陽風從水星表面或外逸層摧毀的分子。 ^[7]  在1980-1990年代，在大氣層中發現鈉、鉀、鈣，相信主要是表面的岩石被微隕石撞擊汽化導致的。在2008年，信使號探測器發現了鎂。研究指出，鈉的排放是區域性的點，對應於這顆行星的磁極。這將顯示出在磁層和行星表面之間的交互作用。

在太陽的強烈輻射轟擊下，水星大氣被向後壓縮延伸開去，在背陽處形成一個“尾巴”，就像一顆巨大的彗星。然而更詭異的一點是，水星事實上還在不斷的損失其大氣氣體成分。組成水星大氣的原子不斷的被遺失到太空之中，由於鉀或鈉原子在一個水星日（一個水星日——在其近日點一日時間的一半）上大約有3小時的平均“壽命”。

因此，正如所羅門博士指出的那樣“你需要不斷的進行補充方能維持大氣層的存在。”科學家們認為水星的補充方式是捕獲太陽輻射的粒子，以及被微型隕石撞擊後濺起的塵埃顆粒。散失的大氣不斷地被一些機制所替換，如被行星引力場俘獲的火山蒸汽以及兩極的冰冠的除氣作用。 ^[8] 

水星的表面與月球很相似，呈現出像海的廣大平原和大量的撞擊坑，顯示它數十億年來都處於非地質活動狀態。水星地質的早期認識建立在1975年飛越水星的水手10號和地面觀測，當信使號飛越水星的資料被處理過後，這方面的知識有所增進。例如，科學家們已經發現一個不尋常的火山口輻射槽，稱之為“蜘蛛”。稍後，被重新命名為阿波羅多羅斯。在水星表面特徵的命名有着不同的來源，取自已經過世的人名。坑穴使用藝術家、音樂家、書畫家和作家，他們都在各自的領域中有着傑出或基礎的貢獻。山脊或皺脊，以對水星的研究有貢獻的科學家命名；窪地或地溝以建築師來命名。山脈以各種不同語言中熱門的單詞來命名；平原或平原低地以各種不同語言的水星之神名稱來命名。懸崖或峭壁以科學探險船命名；山谷或谷地則使用電波望遠鏡命名。 ^[2] 

反照率特徵指使用不同領域的望遠鏡觀測，明顯的有不同反照率的地點。水星擁有山脊（有時也稱為皺脊），像月球的高地、山脈（mountains）、平原（Planitiae）、懸崖（rupes）和谷地（valleys）。水星在46億年前形成時，曾經經歷過彗星和小行星短暫的輪番轟擊，在38億年前結束，可能是獨立發生的後期重轟炸期。在這些劇烈形成隕石坑的期間，由於缺乏大氣層來減緩撞擊，行星表面整個都被隕石坑覆蓋着。在這個期間，行星有着火山的活動，像是卡洛里盆地等盆地都被來自行星內部的岩漿覆蓋着，形成如同在月球上發現的海一樣的平原。

信使號於2008年10月28日飛越水星，讓研究人員獲得更多鑑別水星表面渾沌地形的資料。水星的表面比火星和月球更為複雜，它包含了大量在兩者上都值得注意的類似地質，像是海和平原等。

水星有兩種地質顯著不同的平原。在坑穴之間，起伏平緩、多丘陵的平原，是水星表面可見最古老的地區，早於猛烈的火山口地形。這些埋藏着隕石坑的平原似乎已湮滅許多較早的隕石坑，並且缺乏直徑在30千米以下，以及更小的隕石坑。還不清楚它們是起源於火山還是撞擊，這些埋藏着隕石坑的平原大致是均勻的分佈在整個行星的表面。

平坦的平原是廣泛的平坦區域，佈滿了各種大大小小的凹陷，和月球的海非常的相似。值得注意的是，它們廣泛的環繞在卡洛里盆地的周圍。不同於月海，水星平坦的平原和埋藏着隕石坑的古老平原有着相同的反照率。儘管缺乏明確的火山特徵，在地化的平台和圓角、分裂的形狀都強烈的支持這些平原起源於火山。值得注意的是所有水星平坦平原的形成都比卡洛里盆地晚，比較在卡洛里噴發覆蓋物上可察覺的小隕石坑密度可見一斑卡洛里盆地的地板填滿了獨特的平原地質，破碎的山脊和粗略的多邊形碎裂。不清楚是撞擊誘導火山熔岩，還是撞擊造成大片的融化。

行星表面一個不尋常的特徵是眾多的壓縮皺褶或峭壁，在平原表面交錯着。隨着行星內部的冷卻，它可能會略為收縮，並且表面開始變型，造成了這些特徵。凹陷也在其它地形，像是坑穴和平滑的平原，頂部看見，顯示這些皺褶是在如今才形成的。水星的表面也會被太陽扭曲——太陽對水星的潮汐力比月球對地球的強17倍。信使號在水星北極地區發現了水星上最大的火山平原開闊區之一，覆蓋面積約400萬平方千米，深度幾千米。它幫助確認了火山活動在水星曆史的大多數時間裏對於塑造其地殼起到了關鍵作用。 ^[3-4] 

水星的表面很像月球，滿布着環形山、大平原、盆地、輻射紋和斷崖。於是，水星上的環形山和月球上的環形山一樣，也進行了命名。水星表面上環形山的名字都是以文學藝術家的名字來命名的，沒有科學家，這是因為月面環形山大都用科學家的名字命名了。水星表面被命名的環形山直徑都在20千米以上，而且都位於水星的西半球這些名人的大名將永遠與日月爭輝，紀念他們為人類作出的貢獻。

水星是太陽系內與地球相似的4顆類地行星之一，有着與地球一樣的岩石個體。它在赤道的半徑為2439.7千米，是太陽系中最小的行星，水星甚至比一些巨大的天然衞星，比如木衞三和土衞六還要小，雖然質量更大一些。水星由大約70%的金屬和30%的硅酸鹽材料組成，水星的密度為5.427g/cm³，在太陽系中是第二高的，僅次於地球的5.515g/cm³。如果不考慮重力壓縮對物質密度的影響，水星物質的密度將是最高的。未經重力壓縮的水星物質密度是5.3g/cm³，相較之下地球物質只有4.4g/cm³。

從水星的密度可以推測其內部結構細節。地球的高密度，特別是核心的高密度，是由重力壓縮所導致的。水星的質量與重力較小，內部沒有重力擠壓效應，其核心含鐵量較大而具有較高的密度。地質學家估計水星的核心佔有體積的42%；地球的核心只佔體積的17%。水星富鐵的核心佔據了其總質量的至少60%，它的半徑更是達到了水星半徑的四分之三。最近的研究強烈支持水星有一個熔融的核心，包圍着核心的是500–700km厚的硅酸鹽地幔。太陽系類地行星中，只有水星和地球擁有全球性的磁場。天文學家認為這些磁場是由它們核心外層中的電流所產生。根據水手10號任務和從地球觀察的資料，水星的地殼被認為只有100-300km的厚度。水星表面的一大特徵是有無數的窄脊，可以延伸到數百km長，相信都是在水星的地殼凝固後，核心和地幔因冷卻而收縮造成的。

水星核心含有的鐵高出太陽系內其他主要行星，已經有幾種理論被提出來解釋。得到最廣泛支持的理論是水星原本有着類于于常見的球粒隕石金屬-硅酸鹽比率的核心，被認為是太陽系內典型的岩石物質，質量大約是當前質量的2.25倍。在太陽系早期的歷史中，水星可能遭受到一顆直徑數百千米，質量約為其1/6的微行星撞擊。這次撞擊剝離了大量原始的地殼和地幔，留下的核心就相對的成為組成中較大的部分。這一假説得到了信使號分光儀對水星表面元素丰度觀測的支持。一個類似的假説，稱為巨大撞擊假説，被用來解釋地球的衞星，月球的形成。另一假説為，水星在太陽輸出的能量穩定下來之前就已經在太陽星雲中形成。這顆行星原本的質量是當前的兩倍，但在原行星的收縮過程中。當時水星的温度可能在2500-3500K，並且可能高達10000K，水星表面許多的岩石成分在如此的高温下可能都汽化，成為大氣層中的“岩石蒸汽”，然後被太陽風吹走了。第三種假説認為，太陽星雲造成水星吸積的物質被拖曳，這意味着水星表面較輕的物質會從吸積的材料中丟失。每種假説預測的水星表面有不同的成分，信使號和即將執行的貝皮可倫坡號任務都試圖經由觀測來測試上述的學説。信使號已經發現表面的鉀和硫的含量在預測水準之上，巨大撞擊假説的地殼和地幔的汽化未曾發生，因為鉀和硫都會在這些事件的高温下被驅離。此一發現似乎傾向於較輕的行星材料受到拖曳而離開，造成較重的金屬材料被濃縮。信使號的分光儀已經測量水星的組成，科學家發現水星的岩石所含的鎂比起地球或月球表面要多得多，而鋁則少得多。

從水星的密度可以推測其內部結構的詳細資料。地球的高密度，特別是核心的高密度是由引力壓縮所導致的。水星是如此的小，因此它的內部不會被強力的擠壓。所以它要有如此高的密度，它的核心必然很大。

水星坑穴的範圍，在直徑上從小型的碗型腔到跨越數百千米的多環撞擊坑。從相對新鮮亮麗到高度退化火山口的殘餘物，展示了所有退化階段的現象。水星的撞擊坑與月球的有着微妙的差異，它們的噴發物覆蓋的區域小得多，這顯示水星有較強的表面重力。已知最大的隕石坑之一是卡洛里斯盆地，直徑為1550km。撞擊並創造卡洛里斯盆地的影響是如此的強大，它造成的火山熔岩噴發，留下高度在2千米以上的同心圓環圍繞着隕石坑。在卡洛里盆地的對蹠點是不尋常的、被稱為“怪異地形”的大片丘陵地形區域。這種地形起源的一種假説是：撞擊出卡洛里斯盆地的激震波環繞着行星，匯聚在盆地的對蹠點（相距180度），結果造成了高應力的裂縫表面；另一種説法則認為是噴出物直接匯聚在卡洛里斯盆地對蹠點的結果。

整體而言，在已有的水星影像中大約已經發現15個撞擊盆地。一個顯著的盆地是400千米寬、有着多重環的托爾斯泰盆地，它的噴發物覆蓋造成的平原，從山脊和地板延伸達500千米。直徑625千米的貝多芬盆地有着相似規模的噴發覆蓋物。和月球一樣，水星的表面也有遭受太空風化過程的影響，包括太陽風和微隕石撞擊的影響。

儘管水星很小和以59天的長週期自轉，水星仍有值得注意的全球性磁場。根據水手10號的測量，他的強度僅有地球的1.1%。在水星赤道的磁場強度大約是300nT。像地球一樣，水星的磁場是雙極的。不同於地球的是，水星的磁極和水星的自轉軸幾乎是一致的。來自水手10號和信使號兩艘太空船的測量，都指出水星磁場的強度和形狀都是穩定的。這個磁場可能是經由發電機效應形成的，有些類似於地球的磁場。這種發電機效應起因於行星富含鐵的液體核心的循環，特別是行星軌道的高離心率帶來強烈的潮汐作用，使核心保持液態更是發電機效應所必須的。

水星磁場的強度足以偏轉圍繞着該行星的太陽風，創造出磁層。水星的磁層雖然很小，但已足以將地球包含在內，也強到可以將太陽風的等離子拘束在內，對行星表面的太空風化產生貢獻。水手10號太空船的觀測在水星夜半側的磁層內部偵測到低能量的等離子，在磁尾也偵測到高能量的微粒爆炸，這些都顯示了水星磁層的動力學性質。

在2008年10月6日的第二次飛掠水星，信使號發現水星的磁場有甚高頻的“滲漏”。太空船遭遇到磁性的“龍捲風”，纏繞扭曲的磁場與行星磁場聯結並深入行星際空間，寬度達到800千米，或是行星半徑的1/3。這個龍捲風形成時夾帶着太陽風的磁場聯結到水星的磁場。隨着太陽風颳過水星的磁場，這些聯結的磁場會被攜走和扭曲成類似漩渦狀的結構。這些扭曲的磁通量管，技術上稱為通量傳輸事件，形成行星磁盾中開放的窗口，太陽風可以長驅直入並直接撞擊到水星的表面。

這種聯結行星際和行星磁場的過程稱為磁重聯，在宇宙中是很普遍的。它也發生在地球的磁場，通常也會產生磁場的龍捲風。信使號的觀測顯示重聯結的速率在水星高出了10倍。但依水星和太陽的距離，信使號觀測到的重聯結僅有1/3。

水星是表面晝夜温差最大的行星，水星表面的赤道和兩極之間有着陡峭的温度差，温度範圍從100K至700K。日下點的温度在近日點時高達700K，而在遠日點時只有550K；在行星夜晚的那一側，平均温度是110K。陽光的強度範圍是太陽常數（1,370W·m⁻²）的4.59和10.61倍；同時水星大氣層極為稀薄無法有效保存熱量，白天時赤道地區温度可達432°C，夜間可降至-172°C。在從未被陽光直接照射過的南北極環形山深坑底部，温度常年維持在102K以下，遠低於水星的平均温度。雖然水星表面的温度在白天是非常的高，但信使號探測器的雷達觀測結果強烈支持水星北極區域存在大量水冰（10000億噸）。

水星凌日當水星走到太陽和地球之間時，在太陽圓面上會看到一個小黑點穿過，這種現象稱為水星凌日。其道理和日食類似，不同的是水星比月亮離地球遠，視直徑僅為太陽的190萬分之一。水星擋住太陽的面積太小了，不足以使太陽亮度減弱，所以，用肉眼是看不到水星凌日的，只能通過望遠鏡進行投影觀測。水星凌日每100年平均發生13次。在20世紀末有一次凌日是在1999年11月16日5時42分。在人類歷史上，第一次預告水星凌日是“行星運動三大定律”的發現者，德國天文學家開普勒（1571至1630年）。他在1629年預言：1631年11月7日將發生稀奇天象——水星凌日。當日，法國天文學家加桑迪在巴黎親眼目睹到有個小黑點（水星）在日面上由東向西徐徐移動。從1631年至2003年，共出現50次水星凌日。其中，發生在11月的有35次，發生在5月的僅有15次。每100年，平均發生水星凌日13.4次。

水星凌日的發生原理與日食極為相似，水星軌道與黃道面之間是存在傾角的，這個傾角大約為7度。這就造成了水星軌道與地球黃道面會有兩個交點。即為升交點和降交點。水星過升交點即為從地球黃道面下方向黃道面上方運動，降交點反之。只有水星和地球兩者的軌道處於同一個平面上，而日水地三者又恰好排成一條直線時，才會發生水星凌日。如果水星在過升降交點附近的兩天恰好也發生了水星下合相位時，就有可能發生水星凌日天象。在十幾個世紀內，水星凌日只可能發生在五月或十一月。發生在五月的為降交點水星凌日，發生在十一月的為升交點水星凌日。而發生在五月的水星凌日更為稀罕，水星距離地球也更近。水星凌日發生的週期同樣遵循如日月食那樣的沙羅週期。在同一組沙羅週期內的水星凌日的發生週期為46年零1天又6.5小時左右。但是這個46年的週期中如果有12個閏年。週期即為46年零6.5小時左右。這裏所説的時間差值是同一沙羅週期相鄰兩次水星凌日中凌甚的時間差值。因為同一沙羅週期相鄰兩次水星凌日發生的時長是不同的。

2022年水星共有7次大距，其中，西大距有3次，東大距有4次。2022年1月7日，水星東大距；10月9日，水星西大距；12月21日，水星將迎東大距，這是水星在2022年的最後一次大距。 ^[11] 

水星軌道的近日點距離太陽4600萬千米，而遠日點則達到6981萬千米（行星偏心率最大吉尼斯世界紀錄）。 ^[12]