【基礎天文No.4】太陽系之金星

06-02

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基礎天文No.4——金星

金星（英語、拉丁語：Venus，天文符號：♀），在太陽系的八大行星中，是從太陽向外的第二顆行星，軌道公轉周期為224.7地球日，它沒有天然的衛星。它的名稱源自羅馬神話的愛與美的女神，維納斯，因此金星也稱做維納斯（Venus）。在中國古代稱為太白，另外早晨出現在東方稱啟明，晚上出現在西方稱長庚。古希臘人稱為阿佛洛狄忒，是希臘神話中愛與美的女神。金星的天文符號用維納斯的梳妝鏡來表示。它在夜空中的亮度僅次於月球，是第二亮的天然天體，視星等可以達到 -4.7等，足以照射出影子。由於金星是在地球內側的內行星，它永遠不會遠離太陽運行：它的離日度最大值為47.8°。
金星是一顆類地行星，因為它的大小、質量、體積與到太陽的距離，均與地球相似，所以經常被稱為地球的姊妹星。然而，它在其它方面則明顯的與地球不同。它有著四顆類地行星中最濃厚的大氣層，其中超過96%都是二氧化碳，行星表面的大氣壓力是地球的92倍。表面的平均溫度高達735 K（462 °C；863 °F），是太陽系最熱的行星，比最靠近太陽的水星還要熱。金星沒有將碳吸收進入岩石的碳循環，似乎也沒有任何有機生物來吸收生物量的碳。金星被一層高反射、不透明的硫酸雲覆蓋著，阻擋了來自太空中，可能抵達表面的可見光。它在過去可能擁有海洋，並且跟外觀與地球極為相似，但是隨著失控的溫室效應導致溫度上升而全部蒸發掉了。水最有可能因為缺乏行星磁場而受到光致蛻變分解成氫和氧，而自由氫一直被太陽風掃進星際空間。金星表面是乾燥的荒漠景觀，點綴著定期被火山刷新的岩石。
金星是太陽系的四顆類地行星之一，因為它的大小、質量、體積與到太陽的距離，均與地球相似，所以經常被稱為地球的姊妹或攣生兄弟。它的直徑是12,092千米（只比地球少 650千米），質量是地球的81.5%。但金星表面的狀況從根本上就與地球完全不同，由於其稠密的大氣層都是二氧化碳，金星大氣的質量96.5%是二氧化碳，其餘的3.5%是氮氣。
直到行星科學在20世紀揭示了它的某些秘密之前，金星表面一直是人們猜測的話題。它最後的影像來自麥哲倫號在1990-91年間的探測，顯示錶面有大量且廣泛的火山活動，大氣層中的硫顯示最近可能還有過噴發。
金星表面的80%被光滑的火山平原覆蓋著，70%的平原有著皺褶脊和10%是平滑或有著碎裂的平原。兩個高原構成其餘30%的表面地區，一個在行星的北半球，另一個正好在赤道的南邊。北方大陸的大小和澳洲差不多，依據巴比倫的愛神，伊師塔（Ishtar）命名為伊師塔地。金星上最高的山峰在伊斯塔地，稱為馬克士威山，它的標高是金星平均表面之上11千米。在南半球的大陸是這兩個高原中較大的一個，依據希臘的愛神命名，稱為阿佛洛狄忒陸，大小與非洲大陸相當。這個地區的部分份被斷裂的網狀結構和斷層覆蓋著。
由於缺乏熔岩流的伴隨，隨處可見的破火山口仍然是個謎。這顆行星只有少數的撞擊坑，顯示這顆行星表面是相對的年輕，大約只有3-6億年的歷史[16][17]。除了撞擊坑、山脈、山谷等在岩石行星常見的地形，金星表面有一些獨特的特徵。平頂的火山地形稱為Farra，看起來像薄煎餅，大小的範圍從20至50千米，高度從100至1000米；輻射狀、星形的地形系統，稱為novae；有著類似蜘蛛網的輻射狀和同心斷裂外觀的，稱為蛛網膜地形（arachnoid）；coronae是有著同心圓環的凹地；這些都是火山地形。
金星表面的地形幾乎全都以歷史上和神話中的女性命名。少數的例外的是以詹姆斯·克拉克·馬克士威的名字命名馬克士威山，和阿爾法區、貝塔區和奧瓦達區這三個高原地區。前述三個地區是在國際天文學聯合會的行星命名監督機構，通過現行的命名制度之前命名的。
金星上天然的地形以相對於其本初子午線的經度來表示。原本選擇的子午線是通過阿爾法區南部，在雷達下呈現亮點的橢圓形Eve的中心。在金星任務完成後，重新定義的本初子午線為通過阿喇阿德涅火山口中央峰的經線。

水星、金星、地球和月球、火星和在最右邊的穀神星的大小比較。因為金星的大氣層使得它比實際可見的固表面直徑更大，所以它的比例可能不完全正確。
表面地質
大部分的金星表面似乎都是火山活動形成的，金星的火山數量是地球的好幾倍，它擁有167座直徑超過100千米的大型火山。地球上，只有夏威夷大島的複雜火山的大小可以和金星比較。這不是因為金星的火山比地球活躍，而是因為它的地殼比地球古老。地球的海洋地殼在板塊的邊界不斷的俯衝而下，使得平均年齡小於一億年，而金星表面的年齡估計在3至6億年間。
幾條線索指出金星上的火山仍在活動中。前蘇聯的金星計劃，金星11號和金星12號探測器偵測到絡繹不絕的閃電，金星12號降落之後不久，就記錄到強大的雷聲。歐洲空間局的金星快車記錄到高層大氣中豐富的閃電。雖然地球上的雷暴伴隨著降雨，但是金星表面不會下雨（儘管在大氣層的上層會落下硫酸雨，但在25千米的高處就會蒸發）。產生閃電的一種可能是來自火山灰的噴發。另一種證據來自大氣層中的二氧化硫濃度，在1978年至1986年間的測量，其濃度下降了10倍。這意味著，早些時有大型的火山爆發在進行。金星上有近千個撞擊坑均勻的分布在其表面。在其它天體上的撞擊坑，例如地球和月球，撞擊坑展現出一系列衰退的狀況。在月球，衰退是由於後續的撞擊；在地球，是因為風和雨水的侵蝕。在金星，85%的撞擊坑保持著原始的狀態。撞擊坑的數量，以及其保存在完好的狀態下，顯示這顆行星大約在3億年前經歷了一次全球性的事件，隨後火山活動的即開始衰減。地球的地殼是不斷的運動，而金星被認為無法維持這一過程。沒有板塊構造從地幔散熱，金星反而經歷一個使地幔溫度升高的循環，直到它們達到臨界的水準，削弱了地殼。然後，大約在一億年的期間，發生大規模的地殼俯衝，使地殼完全重生。在 2014年3月第一個火山活動持續的直接證據，出現在格尼奇峽谷的盾狀火山馬特山的帶狀裂口，發現了4個紅外線的閃光。這些閃光的溫度範圍從40℃到320℃以上的環境，相信是氣體或熔岩從火山口釋出的噴發現象。
星星凹面的坑穴大小從3千米至280千米。由於濃稠的大氣影響到進入的天體，所以沒有小於3千米的坑穴。受到大氣層的減速，動能低於某一臨界值的天體，將無法碰撞出撞擊坑。進入的天體直徑若小於50米，將在墜落到表面之前就在大氣層中燒毀。
垂直方向被放大了22.5倍的馬特山。
內部結構
沒有地震或轉動慣量的資料，只有少許的直接資料可用於了解金星內部的結構和地質化學。與地球相似的大小和密度，顯示它和地球有著相似的共同內部構造：核、地幔和地殼。像地球一樣，金星的核心至有一部分是液體，因為這兩顆行星冷卻的速率是相同的。體積略小的金星顯示出內部深處的壓力會比地球的略小一些。這兩顆行星之間主要的區別在於金星缺乏板塊存在的證據，可能是因為它的外殼太堅硬，隱沒帶缺乏水而使它沒有黏度。這樣的結果使行星的熱難以散逸，阻止了它的冷卻，並提供其內部缺乏生成磁場機制的可能解釋。相反的，金星可能以周期性的重鋪地殼來散逸它內部的熱。
大氣層和氣候
金星有著密度極高的大氣層，其中主要包括二氧化碳和極少量的氮。大氣層的質量是地球大氣層的93倍，而表面上的壓力是地球表面壓力的92倍左右，相當於在地球上深達1千米處的海洋下的壓力。在表面的密度是65千克/米3，是水的6.5%。富含CO2的大氣層，與薄薄的一層二氧化硫，創造出太陽系最強大的溫室效應，使表面的溫度至少達到735 K（462 °C）。這使得金星表面的溫度比水星更高，而水星表面的最低溫是55 K（?220 °C），最高溫也只有695 K（420 °C）。然而，金星的距離比水星遠離太陽將近2倍，所能接受的太陽輻照度只是水星的 25%。金星的表面經常被描述如同地獄般的場所。這一溫度遠遠高於實現滅菌所需要的溫度。
研究表明數十億年前的金星大氣層很像現在的地球大氣層，並且表面上可能有許多的液態水，但是經過六億年至數十億年後，受到失控的溫室效應影響，造成原來的水都被蒸發掉，並使得在大氣層中的溫室氣體超過臨界的水準。雖然，在這個事件發生之後，星球的表面條件已不再適合任何像地球生物的生命存在，但在金星雲層的中層和低層是可能有生命存在的。
熱慣量和經由較低層大氣風傳導的熱，意味著儘管這顆行星自轉得很慢，但表面的溫度變化無論是白天或黑夜都不顯著。在表面的風是緩慢的，每小時只移動數千米，但由於表面的大氣密度高，它們施加巨大的壓力對抗障礙物和輸送表面的塵埃和小石塊。即使熱、壓力和缺乏氧氣都不是問題，這依然會使人很難單獨在表面行走移動。

在濃厚的CO2大氣層之上的是包含二氧化硫和硫酸水滴的濃厚雲層。這些雲反射和散射90%照射在其上的陽光回到太空中，並阻止了以可見光對金星表面的觀測。永久覆蓋的雲層意味著星儘管比地球靠近太陽，但表面不如地球明亮。在雲層頂端的風速高達85 m/s（300 km/h），每4至5天就可以繞行金星一圈。金星的風速是自轉速度的60倍，地球上的最高風速只是地球自轉速度的10-20% 。
金星表面實際上是等溫的，不僅是白天和黑夜之間，包括赤道和南北兩極，都保持一個恆定的溫度。這顆行星自轉軸的傾斜很小－少於3°，相較於地球的23°－也減少了季節性的溫度變化。可以察覺到的溫度變化只發在海拔高度的改變，因此金星的最高點，馬克士威山是溫度最低的地點，溫度』大約是655 K（380 °C）和大約4.5 MPa（45 bar）的大氣壓力。在1995年，麥哲倫號在金星最高峰的頂部拍攝到和地面上的雪相似的高反光物質。儘管在溫度較高的地區，這種過程可以說是類似下雪的現象。較容易揮發的物質在表面上聚集，以氣體的形態上升到較高處，因為高海不處的氣溫下降而冷凝，於是在那兒如同下雪般跌落回較低的表面。還不知道這種物質的成分，但是投機者的猜測已經從元素的碲到鉛硫化物（方鉛礦）都有。
金星的雲層也像地球上的雲一樣，可以產生閃電。從前蘇聯的金星探測器首度檢測出疑似閃電的色譜開始，金星是否有閃電的爭議就一直存在。在2006–2007年，金星快車清楚的探測到口哨模式波－閃電的電子簽名模式。它們間歇性的外觀指示初與天氣活動的關聯性。閃電的比率至少有地球的一半。在2007年，金星快車還探測到南極存在著巨大的雙大氣渦旋。
在2011年，金星快車又在金星的大氣層高處發現存在著臭氧層。
在2013年1月29日，歐洲空間局的科學家報告在金星這顆行星的電離層有著類似於彗星離子尾條件的離子尾流。
在1979年，先鋒金星軌道器以紫外線波段揭露了金星大氣層的結構
麥哲倫號從1990年至1994年的全球雷達影像（沒有雲層）
磁場和核心
在1967年，金星4號發現金星有磁場，但是比地球的微弱。這個磁場是由電離層和太陽風相互作用誘導，而不是像地球這樣，由行星內部的發電機產生。金星微弱的磁場對大氣層提供的保護不足以抵抗宇宙射線的輻射，因而可以忽略其功能；而這種輻射可能導致雲層的放電。
金星的大小類似地球，在核心應該有類似的發電機機制，因此缺乏內在的磁場令人驚訝。一架發電機需要三樣東西：導電的液體、旋轉和對流。在地球，因為液體層的底部比頂端熱許多，對流出現在核心外層的液體。在金星，整顆星球的表面重新鋪設的事件，導致通過地殼的熱通量減少，並可能使得板塊活動因而結束。這會導致地幔的溫度增加，從而減少核心向外的熱通量，來自核心的熱被用於加熱地殼。
對於金星缺乏磁場，目前主要幾種說法如下：
理論一：核心被認為是導電的，雖然它的旋轉很慢，但模擬的結果認為它還是足夠成為發電機。這意味著金星的核心缺少對流，所以不能成為發電機。

理論二：金星沒有固體的內核，或它的核心已經冷卻，整個核心的液體部分有著幾乎相同的溫度。
理論三：核心已經完全固化。核心的狀態與目前尚未知的硫濃度有著密切的關連性。
理論四：與理論一相反，2006年金星快車探勘金星後，認為轉速過慢不足以產生磁場，可能遭遇過類似「大碰撞」的撞擊所導致。
環繞金星的微弱磁圈意味著是太陽風和金星大氣層直接交互作用的結果。此處，氫和氧的離子是中性的分子被紫外線輻射解離所創造的。然後，太陽風提供這些離子足夠逃離金星引力場的速度和能量。這種侵蝕的過程使大氣層內的低質量的氫、氦和氧離子不斷流失，而質量較大的分子，像二氧化碳則更有可能被保留。太陽風對大氣的侵蝕，可能導致金星在形成後的前十億年間就丟失了大部分的水分。侵蝕使高質量氘與低質量氫的比率增加，在高層的大氣比低層的高出150倍。
軌道和自轉
金星以平均距離0.72 AU（108,000,000 km；67,000,000 mi）的軌道繞著太陽公轉，完成一圈的時間大約是224.65地球日。雖然所有行星的軌道都是橢圓的，但是金星的軌道最接近圓形，離心率小於0.01。金星它位於地球和太陽的連線之間時，稱為下合（內合）。這時它比任何其他行星更最靠近地球，距離大約是4,100萬千米。它與地球的會合周期平均是584天。歸功於地球的軌道離心率衰減，這個最接近的距離將會以超過10,000年的周期改變。從1至5383年，有526次的距離會小於4,000萬千米；接下來的60,158年都會超過。
從地球的北極方向觀察，太陽系所有的行星都是以逆時針方向在軌道上運行。大多數行星的自轉方向也是逆時針的，但是金星不僅是以243地球日順時針的（稱為退行自轉）自轉，還是所有行星中轉得最慢的。因為它的自轉是如此緩慢，所以它極度的接近球形。金星的恆星日恆星日比金星的一年長（243相對於224.7地球日）。金星赤道的線速度為6.5 km/h（4.0 mph），而地球的則接近1,670 km/h（1,040 mph）。自從麥哲倫號太空船抵達金星之後，它的自轉周期已經延長了16 years。因為是退行的自轉，一個太陽日的長度明顯的短於恆星日，僅為116.75地球日（使得金星的太陽日短於水星太陽日的176個地球日）。一個金星年的長度是金星日（太陽日）的1.92倍。金星上的觀測者會看見太陽從西邊升起，然後從東邊落下；但實際上，由於不透明的雲層，在金星表面是看不見太陽的。
金星可能從太陽星雲中不同轉動周期和轉軸傾角的區域誕生，由於混沌的自旋和其它行星對其濃厚大氣的攝動和潮汐效應，經過數十億年的影響才達到現在的狀況。金星的自轉周期可能代表其潮汐受到太陽引力的鎖定，由太陽熱在濃稠的金星大氣層中創造出金星大氣潮，使旋轉逐漸趨於緩慢。平均584天接近地球一次的會合周期，幾乎正好是金星5個太陽日的長度，但是與地球的自旋軌道共振已經不被採信了。
金星沒有天然的衛星，雖然目前有小行星2002 VE68維持著准衛星軌道的關係。此外，它還曾有過其它的准衛星：兩顆暫時共軌的小行星，2001 CK32和2012 XE133。在17世紀，喬凡尼·卡西尼報告有一顆衛星環繞著金星，還將之命名為Neith，並且在其後的200 years還有斷斷續續的觀測報告，但大多數被確認只是鄰近的背景恆星。加州理工學院的Alex Alemi"s和David Stevenson在2006年研究早期太陽系的模型顯示，在數十億年前的巨大撞擊事件中，至少曾為金星創造一顆衛星。大約1,000萬年後，依據他們的研究，另一個撞擊事件反轉了金星的自轉方向，造成金星的衛星逐漸螺旋向內，直到與金星撞擊而合併。如果稍後的撞擊創造出衛星，也會被以相同的方式吸收掉。缺乏衛星的另一種解釋是太陽強大的潮汐力，會使環繞內側類地行星的大型衛星軌道不穩定。
觀測

金星永遠比任何恆星明亮（除了太陽），當它是最靠近太陽的眉型月時，它的最大視星等亮度可以達到-4.9等，當它在太陽的背後最黯淡時，視星等依然有-3等。當高度足夠時，這顆行星的亮度足以在晴朗的夜空下照射出陰影，而且當太陽在接近地平線的低空時，也很容易看見它。由於它是一顆內側行星，所以它與太陽的距角（離日度）永遠小於47度。
金星在繞行太陽的軌道上每584天超越地球一次。當它超越地球時，它會從日落後可見的昏星（長庚星）變成日出之前可見的晨星（啟明星）。雖然水星也是內側的行星，但它的最大離日度只有28° ，所以通常很難在晨昏濛影中見到，而金星在它最亮時很難不被看見。它的離日度越大，表示在日落後或日出前的黑暗中可以看見的時間越長。當它是天空中最明亮的光點時，通常會被誤報為不明飛行物（UFO）。美國總統吉米·卡特在1969年宣稱看見不明飛行物，事後分析被認為極可能就是金星。許多人曾誤以為金星是更奇特的東西。
透過望遠鏡觀察在軌道上的金星，它會顯示像月球的相位變化。當它在太陽的另一側時，這顆行星呈現小而圓滿的圖像。當它在最大的離日度時，會呈現半圓形的相位，並顯示較大的視直徑，而當它在靠近地球與太陽的這一側，也就是靠近地球且在夜空中最明亮時，會呈現細長的眉月形。當金星最大並且要呈現新月的相位時，在望遠鏡中可以看見光線被金星大氣層折射後在它周圍形成的光暈。金星的相位變化，曾經被伽利略作為證明哥白尼日心說的有力證據。
在海邊的一張夜空照片。一線曙光在地平線上，可以看見許多的星星。金星在中心，比任何星星都要明亮，在海中可以看見它的反射光。這裡是太平洋的上空，金星總是比太陽系外最亮的恆星更明亮。
金星的相位和它的視直徑變化。
金星凌日
金星的軌道相對於地球的軌道略有傾斜，因此當金星行經地球和太陽之間時，通常不會橫越過太陽的表面。只有當下合時剛好也穿越地球的軌道平面時才會發生金星凌日的現象。目前發生金星凌日的循環周期是243 years，會相隔大約105.5 years或121.5 years各出現一對間隔八年的凌日 —這是英國天文學家傑雷米亞·霍羅克斯在1639年首先發現的模式。
最近的一對是2004年6月8日和2012年6月5-6日。在許多地點都以適當的儀器進行現場觀測和線上直播觀賞這兩次的凌日。
前一次的一對凌日發生在1874年12月和1882年12月；下一次的一對是在2117年12月和2125年12月。在歷史上，凌日的觀測是很重要的，因為這可以讓天文學家確定天文單位的大小，霍羅克斯在1639年即藉此測量太陽系的大小。1768年，庫克船長前往大溪地，於1769年在當地觀測金星凌日之後，還航行到澳大利亞東岸。
2004年的金星凌日。
灰光
當這顆行星的相位是月牙形時，在黑暗側出現的微弱光照，稱為灰光，長久以來一直是觀測上的謎團。第一個聲稱看見灰光的觀測報告出現在1643年，但從來沒有可證實的可靠照明存在。觀測人員猜測這可能是金星大氣層中的電氣活動，但也可能是觀察明亮的月牙形區域後生理上產生的虛幻。

文參考綜合維基百科

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