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Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont pensé que Mercure faisait face au Soleil avec le même hémisphère, mais en 1965, il a été révélé que la planète tournait lentement, soit trois rotations pour deux orbites. Par conséquent, un « jour » de Mercure est légèrement plus court que son année. Avec une inclinaison axiale d’environ 0° seulement, les changements saisonniers sont régis par l’orbite très excentrique de la planète. Au périhélie (sa plus proche du Soleil), les températures diurnes peuvent monter jusqu'à 465°C (870°F). Lorsque le Soleil disparaît, l’absence d’atmosphère permet à la chaleur de s’échapper et les températures nocturnes chutent jusqu’à –184°C (–363°F). La plage extrême – supérieure à 600 °C – provient de la fine exosphère de Mercure et de son isolation atmosphérique proche de zéro.
La température à la surface de Mercure fluctue plus considérablement que celle de tout autre monde du système solaire. La différence de 649°C (1 168°F) dépasse de loin les extrêmes sur Terre (≈160°C, 288°F) ou sur Mars (≈160°C, 288°F). Vénus, bien que presque aussi chaude que la température maximale de Mercure, maintient une température de surface presque constante en raison de son atmosphère dense de CO₂. Les géantes gazeuses extérieures – Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – affichent des températures de surface comparables aux nuits les plus froides de Mercure, mais leur intérieur devient de plus en plus chaud, entraîné par leurs noyaux massifs.
Le noyau de Jupiter atteint une température étonnante de 24 000 °C (43 232 °F), plus chaude que la surface du Soleil, ce qui donne à la planète le plus grand gradient de température de la surface au noyau parmi toutes les planètes. En revanche, le gradient surface-noyau de la Terre est d’environ 5 000 °C (9 000 °F). Le noyau de Mercure est en grande partie solide mais fondu au centre, produisant un gradient similaire à celui de la Terre plutôt qu'à celui de Jupiter.
En novembre 2012, la sonde spatiale MESSENGER de la NASA a confirmé la présence de glace d’eau dans des cratères ombragés en permanence aux pôles de Mercure. Ces pièges froids restent en dessous de –170°C (–274°F) car il n’y a pas de réchauffement atmosphérique. Les données indiquent que de la glace exposée existe dans les coins les plus froids des deux pôles, bien que la majeure partie de la glace soit dissimulée sous une couche de matériau inhabituellement sombre, ce qui suggère que la glace d'eau est un constituant majeur de la région polaire nord de Mercure.