水星（图1）没有天然卫星，表面遍布撞击环形山，地质活动已经停止，有极其稀薄的大气外逸层和微弱的全球磁场和磁层。

图1 信使号于2008年拍摄的水星图像

水星公转轨道的半长径为0.387天文单位（AU），偏心率为0.206，对黄道面的倾角为7度，是太阳系内倾角最大的行星，公转周期为87.969日。水星近日距为0.308AU，远日距为0.467AU。水星轨道在太阳轨道之内，只有在黎明或黄昏时才出现在天空中，离开太阳不会超过28度。因为离太阳太近，从地面不易观测，但日全食时可以清楚看到（图2）。

箭头标出了水星和金星，水星距离太阳较近（李广宇摄于新疆伊吾，2008年8月1日）图2 全日食时的水星与金星

1859年，法国天文学家U.-J.-J.勒威耶发现了水星轨道围绕太阳的进动，并且不能用已知行星的摄动按牛顿力学圆满解释。他怀疑在水星轨道之内可能还有行星存在，从而对水星运动施加影响，就像海王星影响天王星一样。天文学家还把这颗待发现的行星称为祝融星（Vulcan），但始终没有找到。

水星近日点进动的速率相对于国际天球参考架为574.1角秒/世纪，相对于地球参考架为5600角秒/世纪，其中5034角秒/世纪是地球的岁差。牛顿力学只能解释其中的531角秒，还有43角秒原因不明。

1916年爱因斯坦发表广义相对论，对牛顿力学做出修正，对水星近日点进动的修正量正好是42.98角秒/世纪。

当水星位于轨道升交点或降交点附近，恰巧又运行到太阳与地球之间，三者接近连成一条直线的时候，地面观测者会看到水星凌日的天象：水星呈黑点状自东向西地经过太阳圆面（见金星）。水星凌日每46年发生7次，间隔分别为：3.5年，13年，7年，9.5年，3.5年，9.5年。

水星的自转周期（恒星日）为58.646日（地球日，下同），轴倾角只有0.034度，是行星中最小的。水星自转有以下特点：

①由于太阳强大引力的潮汐锁定，自转与公转速率接近3:2整数比，即大约每自转3周时公转2周。水星上的太阳日长达176日，换句话说，水星公转两周时，太阳只升落一次。

②水星的公转角速度接近自转角速度，由于轨道偏心率较大，公转的角速度变化也较大。在一水星年的大部分时间，自转都比公转略快，太阳在天空中自东向西运行。

③接近近日点时，公转加快，在过近日点前4日，公转角速度恰巧增大到与自转角速度相等，太阳停留在天空中不动。然后公转超过自转，太阳在天空中由西向东运行；过近日点后公转变慢，直到4日后重新与自转相等，太阳再次停留不动；而后自转超过公转，太阳恢复由东向西运行。

④水星过近日点时，日下点在赤道上某处。在这里观测时，太阳在将近0.1水星日的时间里在天顶附近徘徊，接连三次通过天顶。加之这时日心距接近最小，太阳的持续照射使这里成为水星上最热的地点。半个水星日后，水星又一次过近日点，这时日下点是经度相差180度的另一点。因此在水星赤道上存在温度高达700K的两个热点。

1970年国际天文学联合会（IAU）大会通过决议，选取上述两个热点之一作为水星参考系的经度零点，该点位于婚卡（Hun Kal）环形山中心向东20度处。这个规定称为经度规范。

水星是一颗类地行星，赤道半径2439.7千米。成分为金属占70%，硅酸盐占30%。密度为5.427克/厘米³，比地球略小。金属核的半径为1800千米，可能是熔融的。硅酸盐幔的厚度为500～700千米。壳的厚度为35千米。

图3 水星内部结构

水星核的铁含量高于其他行星，普遍接受的解释是，水星在太阳系演化的早期遭到一颗质量约为其1/6的大星子的碰撞，把已经形成的幔和核的一大部分剥离了，类似于关于月球形成的大碰撞假设。

与月球类似，水星表面宽阔的平原（海）上散布着大量环形山，还有纹脊、山脉、高原、平原、峭壁和山谷多种地形（图4）。

图4 水星北半球地形（信使号测绘，高差为10千米）

46亿年前水星形成后的12亿年里，遭受过彗星和小行星的猛烈轰击，形成了众多大环形山。此期间，火山活动也很活跃，那些盆地填满了岩浆，形成类似月海的平原。壳凝固后幔和核冷却收缩，造成了许多交叉绵延数百千米的收缩皱褶。

环形山多种多样，有小到碗状的洞穴，也有大到直径数百千米的多环碰撞盆地；有最新的带射线环形山，也有严重退化的环形山遗迹。信使号发现的一个叫作“蜘蛛”、后来命名为阿波罗多罗斯（Apollodorus）的环形山带有辐射槽线。古老的平原分布在环形山之间，上面还有很多早期环形山的残留。与月球环形山不同的是，水星环形山抛射物覆盖的区域较小，这是重力较强所致。水星上已经分辨出来15个碰撞盆地，最大的是直径1500千米的卡洛里斯盆地（Caloris Basin）。盆地四周环山，有许多谷、嵴向外伸展，底部也散布着众多裂纹。形成这个盆地的碰撞非常猛烈，抛射岩浆造成了高达2千米的同心圆环；传到对面的地震波引起壳层的应力断裂，造成了对跖点处的大范围丘陵，山头直径5～10千米，高度100～1800米不等。

水星表面温度变化于100K～700K，最高温度出现在经度零点和对面180度的地方，过近日点时达700K，过远日点时只有550K。两极的温度不超过180K。夜晚平均温度为110K。太阳辐射强度变化范围为4.59～10.61太阳常数（1370W·m⁻²）。与月球类似，水星两极处环形山的底部从来见不到阳光，温度不会高于102K，雷达观测在那里探测到可能来自水冰的较强讯号，信使号也发现了大量水冰存在的证据。

又热又小的水星无法维持大气，其表面只有一个由氢、氦、氧、钠、钙、钾等成分组成的外逸层，气压只有帕。层里的原子不断逃逸又不断补充，达到平衡。氢原子和部分氦原子来自太阳风，其他原子来自壳层物质的放射性蜕变。层中还存在水蒸气，可能的来源是彗星撞击、太阳风中氢离子与岩石中氧原子的反应以及永夜环形山中储藏的水冰。

水星磁场是稳定而全球性的，强度约为地磁场的1.1%，磁轴几乎与自转轴重合。与地球磁场一样，水星磁场也生成于富铁液核流动导致的发电机效应，高轨道偏心率引起的强潮汐效应有助于核保持液态。水星磁场虽弱，已经可以使太阳风偏折围绕行星而形成磁层，并能够捕获太阳风等离子体。探测器在水星磁层中探测到了低能等离子体。

由于离太阳太近，太阳强大的引力和辐射对水星的空间探测造成了很大的困难。美国国家航空航天局先后发射过两个水星探测器，进行了卓有成效的探测。这两次探测的成果构成了我们对水星的大部分认识。水手10号借助金星引力的弹弓效应，于1974年3月29日在绕日轨道上首次对水星进行了飞越探测。此后又两度飞越并探测水星，直到1975年3月24日燃料耗尽而结束任务。37年后，信使号在三次飞越水星后，于2011年3月18日进入环绕水星的轨道，进行了长达一个地球年的仔细探测，取得了丰硕的成果。