再访金星

□ 谢 懿 / 编译

1990年美国宇航局的麦哲伦探测器抵达金星，对其进行了为期4年的研究。“麦哲伦”上的雷达探测了金星98%的地表。图片中所显示的是由其数据合成的金星北半球，其北极点位于图片的中心。版权：NASA/JPL。

为了解开金星灼热表面和猛烈风暴的成因之谜，新的空间探测任务正在酝酿之中。

2015年12月，有一个探测器进入了环绕金星的轨道，这是近10年来的第一个。日本的“晓”探测器为此花了5年的时间，而金星则几乎已经习惯了漫长的等待。欧洲空间局的金星快车探测器于2006 年4月抵达了被浓密云层所笼罩的金星，而上一次造访金星则是1990年美国宇航局的麦哲伦探测器。

以罗马爱神维纳斯命名，金星似乎并未受到地球上空间机构的钟爱。人们似乎更青睐地球的另一个邻居——火星，在相同的时期里它引来了约十几个游客。对金星的探测任务滞后于计划，这使得我们对金星的认识相当于20世纪70年代我们对火星的认识水平。

一些行星科学家正在试图改变这一现状。由于在火星上存在着发现生命的诱人可能性，多年来金星一直输给了火星。其实，相比于火星，金星在某些方面和地球更为接近。这个地球内侧的邻居也许能告诉我们许多有关我们过去和未来甚至是太阳系外行星的信息。

当然，金星也并非总是如此的没人爱。从1960年到1984年，有20多个探测器造访了金星，和那时探测火星的探测器几乎一样多。苏联的“金星”和“织女星”计划发射了不下18个轨道器和着陆器（尽管并非所有的任务都成功了），美国则发射了5个探测器。

眼下美国宇航局有2个新的金星任务正在规划阶段，它们的命运可能会在近期见分晓。欧洲空间局和俄罗斯空间局也在筹划各自的探测任务。当然，目前还有“晓”探测器向地球发回的金星探测数据。总而言之，金星探测的形势正在好转。未来的探测任务主要是环绕金星的轨道飞行器，其中也有一些计划了金星着陆器或者金星大气中的浮空器，它们将可以回答有关金星仍然未知的一些基本问题，为目前的理论模型提供确凿的证据。

双生子佯谬

金星常常被称为地球的胞弟，这是因为它们有着几乎完全相同的基本物理性质。如果在一颗类太阳恒星周围发现了一颗围绕其公转的金星，天文学家们一定会欢呼雀跃地宣布他们发现了另一个地球。

那么，金星和地球之间到底有多相似呢？金星的半径为6050千米，而地球的半径为6370千米。金星的质量是地球的82%，它的表面重力加速度是地球的91%。金星和地球的密度也几乎相同。尤其是形成于太阳星云的同一区域，这意味着它们的总成分应该基本相同。它们的演化也应该是类似的。

在许多方面，金星和地球极其相似。前者的半径为6050千米，后者的半径为6370千米。前者的质量是后者的82%，前者的表面重力加速度是后者的91%，两者的密度也几乎完全相同。

但是，正是得益于这些细微的差别，地球和金星才有了如今的天差地别。今天的地球拥有液态水和一个由氮气和氧气为主的大气层。氩的含量近1%，二氧化碳和其他气体则为痕量。今天的金星被浓密的大气层所覆盖，其大气层质量是地球的90倍，其中97%为二氧化碳，其余则为氮气和微量气体。二氧化碳是一种极强的温室气体，使得金星表面的平均温度维持在462℃的水平。于是，金星的访客完全可以给自己倒上一杯锌或者铅。

不同于地球，至少在可见光下，从上方看不到金星的表面，因为它被有着高反射率的硫酸云所覆盖，光线无法穿透。在金星上，太阳就是一个明亮而弥漫的光斑，类似于在地球上的阴天时所看到的。这个明亮的光斑需要117个地球日才能穿过整个天空。金星需要243个地球日才能自转一周，比它225个地球日的公转轨道周期还要长。由于金星是逆向自转的——太阳从西边升起，因此它白天的时长相比于其日长的一半会略缩短。缓慢的自转也意味着金星没有真正意义上的磁场。

当金星上下雨时，雨滴在到达地面之前就会蒸发。在金星的表面上，天气预报除了“阴天偶有硫酸雨”之外，几乎没有太多的内容。金星表面的大气压高达地球的90倍，相当于身处地球海平面之下900米的地方。在这么高的压强下，二氧化碳开始表现为超临界流体——一种液体和气体的奇怪混合状态。

先前的探测任务发现，金星的地貌与地球的一样复杂多变。高原地区包含有在地壳中绵延数千米的山脊和褶皱，形成了类似瓦片的图案。低地似乎是由玄武岩构成的，其中还分布着熔岩通道。在一些山顶会存在金属“霜”，甚至还有类似沙丘的地貌。在金星上的局部地区还有形似薄饼状的结构，直径可达160千米。金星还极其地干燥。金星在形成之初很有可能具有和地球上相当的含水量，但很明显这些水现在已不复存在了。

那么，金星是如何成为不毛焦土，而地球又是如何保持清凉的呢？普遍的观点是，随着太阳在过去几十亿年内的大幅增亮，由此导致的加热作用使得金星上的水都蒸发成了水汽。虽然就金星上是否存在过如地球上这样广大的海洋仍有一些争议，但在其温度较低的早期很可能拥有大量的液态水。但随着温度的不断攀升，任何水分都蒸发了，它们一旦抵达上层大气，阳光中的紫外线就会把水（H2O）迅速地分解成氢气（H2）、氢氧根（OH）和氧气（O2）。大部分的氧气会停留在高处，因为它的密度比二氧化碳小，但有一些会下降，与表面岩石发生反应。由于没有与地球上类似的生物来把空气中的二氧化碳提取出来并转换成氧气，金星上的水和二氧化碳——效力极强的热温室气体——导致了失控的温室效应。

金星的慢自转助长了这一过程。在地球上，相对较快的自转会在其铁质核心产生发电机效应。由此形成的磁场可以保护地球免受太阳风——太阳朝各个方向吹出的高能粒子流——的侵扰。当太阳风扫过不受保护的金星，它会从金星大气中剥离掉氢，使得金星上有望重新结合成水的成分变得越来越少。

然而，来自“金星快车”和“麦哲伦”的数据似乎并没有告诉我们事情的全部，而这正是新探测任务的用武之地。

多个任务

“金星深层大气惰性气体勘测、化学和成像”探测器（DAVINCI）投放金星大气探测器的示意图。在63分钟的下降过程中，它会采集并分析金星大气的成分，确定成分随高度的变化关系。版权：NASA/GSFC。

“金星辐射、无线电科学、干涉合成孔径雷达、地貌和光谱”（VERITAS）任务如果获批，预计将会在21世纪20年代初发射。与先前的“麦哲伦”任务类似，它也会对金星开展环绕探测，但它的雷达分辨率会高得多。版权：NASA/JPL

美国宇航局正在对2个金星探测项目进行评估。“金星深层大气惰性气体勘测、化学和成像”探测器（DAVINCI）将专注于金星的大气化学。它会投放一个大气探测器，类似于一个金星版的惠更斯探测器。在长达约1个小时的下降过程中，它会对不同高度的大气成分进行测量。在落到金星表面上之后，它的任务就算完成了。“先驱者”和“织女星”探测了金星大气，但它们并没有给出太多成分随高度变化的信息，而这恰恰是了解金星大气层中各种反应所必需的。

美国宇航局的另一个方案是“金星辐射、无线电科学、干涉合成孔径雷达、地貌和光谱”（VERITAS）任务。VERITAS的轨道飞行器类似于“麦哲伦”，但最大的区别在于其雷达具有更高的分辨率，能够探测到小到30米的地形特征，而“麦哲伦”的则为100米。它还将测量金星的重力场及其表面的热辐射，这使得它可以“看”到金星内部的一些地质构造，探测金星上的薄饼状结构是否是由岩浆构成的。VERITAS还能测量金星表面岩石的成分差异。这可以提供金星表面矿物变化的信息和化学变化特性，进而知道金星是否像地球一样拥有大洲、活火山和构造特征，了解它岩石圈的温度变化。最终选择哪一个还是两者都选，预期很快会有结论。

欧洲空间局的“想象”（EnVision）金星轨道飞行器也配备了先进的雷达，但它发射的时间应该不会早于2029年。除了比“麦哲伦”更先进的雷达之外，它还可以对小范围的区域进行更加精细的成像。不同于“麦哲伦”100米的分辨率，“想象”的分辨率可以达到6米。这足以观测到金星表面上日常的变化。虽然与VERITAS会有一些重叠，但VERITAS侧重于对金星全球的勘探，而“想象”偏重于对局部地区的精细勘测。

俄罗斯的探测任务被称为“金星D”，它与此前的“织女星”任务相似，包含了一个轨道飞行器和一个着陆器，甚至还有可能包含一个气球探测器。像之前的许多任务一样，“金星D”将专注于金星大气，研究金星大气异常旋转的成因及其化学特性。如果能存活足够长的时间，其着陆器将会对金星土壤进行分析。目前，在金星上存活时间最长的着陆器是苏联的“金星”13号，它工作了接近2个小时。俄罗斯空间局还没有对该任务做出任何的决定，但如果获批这将会是自苏联解体以来俄罗斯的第一个金星探测任务，预计发射的时间不会早于2024年。

现在的金星

当前的金星探测已经落后于时间表。日本“晓”探测器本应该在2010年抵达金星，但它错过了轨道机动。于是，它绕太阳公转了5年，直到工程师可以将其送入另一条环绕金星的轨道，这条轨道比原先计划的要更扁。当然，能够把“晓”任务救活已经是一项了不起的成就了。现在，“晓”在一条周期为13天的椭圆轨道上绕金星转动，最近距离400千米，最远440000千米。它的科学目标实际上会因这条临时决定的轨道而被增强，因为它在远金点时可以有更多的时间来进行观测。

“晓”上搭载的2台近红外相机会用来探测金星的表面、云系的运动以及构成它们的粒子。它的长波红外相机会跟踪位于金星地表65千米之上云顶的温度。它的另外2台设备则是一个紫外成像仪和一台闪电和气辉相机。此前，“金星快车”发现了可能是金星云层中闪电的迹象，“晓”将会对其进行详细的观测。

“晓”还将研究的一个问题是金星大气的“超自转”。金星的上层大气会以每小时数百千米的时速绕金星流动。这并不奇怪，因为在其他行星上也时不时地会出现同样的现象。但无法解释的是为什么金星大气的超自转会比其自转速度快数个量级，而科学家们目前也无法对其建立精确的理论模型。通过获得更好的图像，了解金星上层大气与底层大气的区别以及这两者相互作用的方式，“晓”可以帮助解答这个问题。

火山的确凿证据

“金星快车”和“先驱者”都在金星上发现了硫化合物，其主要成分是二氧化硫。为了维持观测到的浓度，这些二氧化硫必须以某种方式不断地被输送进金星大气层，因为它们很快就会被阳光破坏掉。这为金星上存在活火山提供了非常好的证据。毕竟，在金星大气中存在大量的二氧化硫，这些硫必定有一个源头。金星表面上的火山活动可以做到这一点。然而，“金星快车”却并没有为此提供确凿的证据。“金星快车”确实观测到了许多火山，但却不清楚它们是否仍然在活动。

对于金星上的活火山活动，有3种方式可以提供其强有力的证据。第一种是探测硫随时间的变化方式。“金星快车”第一年的观测发现硫的含量猛增，在随后的5～6年间则下降到了之前的十分之一。这暗示它来自于火山的一次喷发。第二条途径是探测金星表面的红外辐射。颜色较深的表面会以红外辐射的形式散发出更多的热量，而刚形成的玄武岩——新近喷出的火山物质——都是黑色的。“金星快车”上相机也捕捉到了一些可能是由于熔岩流所造成的金星表面温度变化。最后一种则是雷达成像，“麦哲伦”的雷达图像显现出了许多与火山甚至熔岩非常相似的特征。

日本的“晓”探测器于2015年12月进入环金星轨道。此后，它已经开始向地球发回其红外相机所拍摄的图像。2016年4月，其官方认定“晓”具备了完全科学的观测探测能力。版权：JAXA

金星上一处疑似活火山的红外图像。可以看到位于山顶附近的热斑以及沿着其山坡向下流动的可能是由熔岩导致的热流。版权：ESA/NASA/JPL

但这些都不是决定性的证据。现在最需要的是能够在天或者周的时间段上显示地貌连续变化的图像。由此可以证明它们是当前的火山活动，而不是在遥远的过去。

火山活动是金星整个谜团中重要的一环，因为它提供了一种周期性重塑金星表面的途径。之前所拍摄的图像显示，金星上并没有许多环形山。如果假设环形山是随机分布的，那么这意味着较老的环形山消失了，金星的表面会频繁地重塑，也许间隔的时间只有约2亿～8亿年。考虑到环形山的平均相隔为数百千米，无论是什么东西或者机制在重塑金星表面，它们也必定有着相同的分布模式。

如果有活火山活动，那么这一重塑会是一个定期且稳定的过程。但是，如果目前火山不处于活动状态，那么重塑很可能是源于某种机制，它能够在短时间内覆盖金星上的大片区域。VERITAS和“想象”有望可以为此提供一个明确的答案。

水在哪里？

金星的另一个大问题是水。“金星快车”对其大气的分析表明，氘——多包含1个中子的氢原子——与氢之比相当大，另外还存在氢氧化根。普通氢要比氘轻，较高的氘氢比意味着原初氢很可能已经被太阳风剥离掉。氢氧根正是水被紫外线解离的产物。不过，金星还是让科学家们感到惊讶。根据预期，金星会以较快的速度流失水，但其逃逸率却比地球上的还小，这着实出乎意料。通过精确测定水从金星表面流失的速率，进一步的大气和地质研究可以为之提供更多的线索。

说到水，VERITAS可以帮助科学家们更好地了解现在金星上含有多少水。它的地质学测试可以揭示出金星曾经是否类似地球有过板块构造。通过测量较高海拔地区中的岩石组成，可以了解那里是否如地球上的大陆一样是由壳层所组成的。它是回答这个问题的关键。VERITAS测量的是表面温度，它与岩石的成分有关。玄武岩为深色，花岗岩则较浅，在不同的高度上它们有着不同的温度。

花岗岩需要水才能形成。如果没有水，最终形成的岩石会非常接近但却不是花岗岩。因此，寻找到花岗岩将意味着金星上曾经拥有过海洋，或者至少有足够的水来使得花岗岩得以形成。

了解金星在遥远过去时的样子将会为回答为什么地球与金星之间会如此不同提供大量的资料。金星是一个可以用来了解地球的令人难以置信的丰饶之地。这两颗行星是如此相似，为什么生命出现在了这一颗而没有出现在另一颗上呢？

（责任编辑 张长喜）