再訪金星

□ 謝 懿 / 編譯

1990年美國宇航局的麥哲倫探測器抵達金星，對其進行了為期4年的研究。「麥哲倫」上的雷達探測了金星98%的地表。圖片中所顯示的是由其數據合成的金星北半球，其北極點位於圖片的中心。版權：NASA/JPL。

為了解開金星灼熱表面和猛烈風暴的成因之謎，新的空間探測任務正在醞釀之中。

2015年12月，有一個探測器進入了環繞金星的軌道，這是近10年來的第一個。日本的「曉」探測器為此花了5年的時間，而金星則幾乎已經習慣了漫長的等待。歐洲空間局的金星快車探測器於2006 年4月抵達了被濃密雲層所籠罩的金星，而上一次造訪金星則是1990年美國宇航局的麥哲倫探測器。

以羅馬愛神維納斯命名，金星似乎並未受到地球上空間機構的鐘愛。人們似乎更青睞地球的另一個鄰居——火星，在相同的時期里它引來了約十幾個遊客。對金星的探測任務滯後於計劃，這使得我們對金星的認識相當於20世紀70年代我們對火星的認識水平。

一些行星科學家正在試圖改變這一現狀。由於在火星上存在著發現生命的誘人可能性，多年來金星一直輸給了火星。其實，相比於火星，金星在某些方面和地球更為接近。這個地球內側的鄰居也許能告訴我們許多有關我們過去和未來甚至是太陽系外行星的信息。

當然，金星也並非總是如此的沒人愛。從1960年到1984年，有20多個探測器造訪了金星，和那時探測火星的探測器幾乎一樣多。蘇聯的「金星」和「織女星」計劃發射了不下18個軌道器和著陸器（儘管並非所有的任務都成功了），美國則發射了5個探測器。

眼下美國宇航局有2個新的金星任務正在規劃階段，它們的命運可能會在近期見分曉。歐洲空間局和俄羅斯空間局也在籌劃各自的探測任務。當然，目前還有「曉」探測器向地球發回的金星探測數據。總而言之，金星探測的形勢正在好轉。未來的探測任務主要是環繞金星的軌道飛行器，其中也有一些計划了金星著陸器或者金星大氣中的浮空器，它們將可以回答有關金星仍然未知的一些基本問題，為目前的理論模型提供確鑿的證據。

金星常常被稱為地球的胞弟，這是因為它們有著幾乎完全相同的基本物理性質。如果在一顆類太陽恆星周圍發現了一顆圍繞其公轉的金星，天文學家們一定會歡呼雀躍地宣布他們發現了另一個地球。

那麼，金星和地球之間到底有多相似呢？金星的半徑為6050千米，而地球的半徑為6370千米。金星的質量是地球的82%，它的表面重力加速度是地球的91%。金星和地球的密度也幾乎相同。尤其是形成於太陽星雲的同一區域，這意味著它們的總成分應該基本相同。它們的演化也應該是類似的。

在許多方面，金星和地球極其相似。前者的半徑為6050千米，後者的半徑為6370千米。前者的質量是後者的82%，前者的表面重力加速度是後者的91%，兩者的密度也幾乎完全相同。

但是，正是得益於這些細微的差別，地球和金星才有了如今的天差地別。今天的地球擁有液態水和一個由氮氣和氧氣為主的大氣層。氬的含量近1%，二氧化碳和其他氣體則為痕量。今天的金星被濃密的大氣層所覆蓋，其大氣層質量是地球的90倍，其中97%為二氧化碳，其餘則為氮氣和微量氣體。二氧化碳是一種極強的溫室氣體，使得金星表面的平均溫度維持在462℃的水平。於是，金星的訪客完全可以給自己倒上一杯鋅或者鉛。

不同於地球，至少在可見光下，從上方看不到金星的表面，因為它被有著高反射率的硫酸雲所覆蓋，光線無法穿透。在金星上，太陽就是一個明亮而瀰漫的光斑，類似於在地球上的陰天時所看到的。這個明亮的光斑需要117個地球日才能穿過整個天空。金星需要243個地球日才能自轉一周，比它225個地球日的公轉軌道周期還要長。由於金星是逆向自轉的——太陽從西邊升起，因此它白天的時長相比於其日長的一半會略縮短。緩慢的自轉也意味著金星沒有真正意義上的磁場。

當金星上下雨時，雨滴在到達地面之前就會蒸發。在金星的表面上，天氣預報除了「陰天偶有硫酸雨」之外，幾乎沒有太多的內容。金星表面的大氣壓高達地球的90倍，相當於身處地球海平面之下900米的地方。在這麼高的壓強下，二氧化碳開始表現為超臨界流體——一種液體和氣體的奇怪混合狀態。

先前的探測任務發現，金星的地貌與地球的一樣複雜多變。高原地區包含有在地殼中綿延數千米的山脊和褶皺，形成了類似瓦片的圖案。低地似乎是由玄武岩構成的，其中還分布著熔岩通道。在一些山頂會存在金屬「霜」，甚至還有類似沙丘的地貌。在金星上的局部地區還有形似薄餅狀的結構，直徑可達160千米。金星還極其地乾燥。金星在形成之初很有可能具有和地球上相當的含水量，但很明顯這些水現在已不復存在了。

那麼，金星是如何成為不毛焦土，而地球又是如何保持清涼的呢？普遍的觀點是，隨著太陽在過去幾十億年內的大幅增亮，由此導致的加熱作用使得金星上的水都蒸發成了水汽。雖然就金星上是否存在過如地球上這樣廣大的海洋仍有一些爭議，但在其溫度較低的早期很可能擁有大量的液態水。但隨著溫度的不斷攀升，任何水分都蒸發了，它們一旦抵達上層大氣，陽光中的紫外線就會把水（H2O）迅速地分解成氫氣（H2）、氫氧根（OH）和氧氣（O2）。大部分的氧氣會停留在高處，因為它的密度比二氧化碳小，但有一些會下降，與表面岩石發生反應。由於沒有與地球上類似的生物來把空氣中的二氧化碳提取出來並轉換成氧氣，金星上的水和二氧化碳——效力極強的熱溫室氣體——導致了失控的溫室效應。

金星的慢自轉助長了這一過程。在地球上，相對較快的自轉會在其鐵質核心產生髮電機效應。由此形成的磁場可以保護地球免受太陽風——太陽朝各個方向吹出的高能粒子流——的侵擾。當太陽風掃過不受保護的金星，它會從金星大氣中剝離掉氫，使得金星上有望重新結合成水的成分變得越來越少。

然而，來自「金星快車」和「麥哲倫」的數據似乎並沒有告訴我們事情的全部，而這正是新探測任務的用武之地。

「金星深層大氣惰性氣體勘測、化學和成像」探測器（DAVINCI）投放金星大氣探測器的示意圖。在63分鐘的下降過程中，它會採集並分析金星大氣的成分，確定成分隨高度的變化關係。版權：NASA/GSFC。

「金星輻射、無線電科學、干涉合成孔徑雷達、地貌和光譜」（VERITAS）任務如果獲批，預計將會在21世紀20年代初發射。與先前的「麥哲倫」任務類似，它也會對金星開展環繞探測，但它的雷達解析度會高得多。版權：NASA/JPL

美國宇航局正在對2個金星探測項目進行評估。「金星深層大氣惰性氣體勘測、化學和成像」探測器（DAVINCI）將專註於金星的大氣化學。它會投放一個大氣探測器，類似於一個金星版的惠更斯探測器。在長達約1個小時的下降過程中，它會對不同高度的大氣成分進行測量。在落到金星表面上之後，它的任務就算完成了。「先驅者」和「織女星」探測了金星大氣，但它們並沒有給出太多成分隨高度變化的信息，而這恰恰是了解金星大氣層中各種反應所必需的。

美國宇航局的另一個方案是「金星輻射、無線電科學、干涉合成孔徑雷達、地貌和光譜」（VERITAS）任務。VERITAS的軌道飛行器類似於「麥哲倫」，但最大的區別在於其雷達具有更高的解析度，能夠探測到小到30米的地形特徵，而「麥哲倫」的則為100米。它還將測量金星的重力場及其表面的熱輻射，這使得它可以「看」到金星內部的一些地質構造，探測金星上的薄餅狀結構是否是由岩漿構成的。VERITAS還能測量金星表面岩石的成分差異。這可以提供金星表面礦物變化的信息和化學變化特性，進而知道金星是否像地球一樣擁有大洲、活火山和構造特徵，了解它岩石圈的溫度變化。最終選擇哪一個還是兩者都選，預期很快會有結論。

歐洲空間局的「想像」（EnVision）金星軌道飛行器也配備了先進的雷達，但它發射的時間應該不會早於2029年。除了比「麥哲倫」更先進的雷達之外，它還可以對小範圍的區域進行更加精細的成像。不同於「麥哲倫」100米的解析度，「想像」的解析度可以達到6米。這足以觀測到金星表面上日常的變化。雖然與VERITAS會有一些重疊，但VERITAS側重於對金星全球的勘探，而「想像」偏重於對局部地區的精細勘測。

俄羅斯的探測任務被稱為「金星D」，它與此前的「織女星」任務相似，包含了一個軌道飛行器和一個著陸器，甚至還有可能包含一個氣球探測器。像之前的許多任務一樣，「金星D」將專註於金星大氣，研究金星大氣異常旋轉的成因及其化學特性。如果能存活足夠長的時間，其著陸器將會對金星土壤進行分析。目前，在金星上存活時間最長的著陸器是蘇聯的「金星」13號，它工作了接近2個小時。俄羅斯空間局還沒有對該任務做出任何的決定，但如果獲批這將會是自蘇聯解體以來俄羅斯的第一個金星探測任務，預計發射的時間不會早於2024年。

當前的金星探測已經落後於時間表。日本「曉」探測器本應該在2010年抵達金星，但它錯過了軌道機動。於是，它繞太陽公轉了5年，直到工程師可以將其送入另一條環繞金星的軌道，這條軌道比原先計劃的要更扁。當然，能夠把「曉」任務救活已經是一項了不起的成就了。現在，「曉」在一條周期為13天的橢圓軌道上繞金星轉動，最近距離400千米，最遠440000千米。它的科學目標實際上會因這條臨時決定的軌道而被增強，因為它在遠金點時可以有更多的時間來進行觀測。

「曉」上搭載的2台近紅外相機會用來探測金星的表面、雲系的運動以及構成它們的粒子。它的長波紅外相機會跟蹤位於金星地表65千米之上雲頂的溫度。它的另外2台設備則是一個紫外成像儀和一台閃電和氣輝相機。此前，「金星快車」發現了可能是金星雲層中閃電的跡象，「曉」將會對其進行詳細的觀測。

「曉」還將研究的一個問題是金星大氣的「超自轉」。金星的上層大氣會以每小時數百千米的時速繞金星流動。這並不奇怪，因為在其他行星上也時不時地會出現同樣的現象。但無法解釋的是為什麼金星大氣的超自轉會比其自轉速度快數個量級，而科學家們目前也無法對其建立精確的理論模型。通過獲得更好的圖像，了解金星上層大氣與底層大氣的區別以及這兩者相互作用的方式，「曉」可以幫助解答這個問題。

「金星快車」和「先驅者」都在金星上發現了硫化合物，其主要成分是二氧化硫。為了維持觀測到的濃度，這些二氧化硫必須以某種方式不斷地被輸送進金星大氣層，因為它們很快就會被陽光破壞掉。這為金星上存在活火山提供了非常好的證據。畢竟，在金星大氣中存在大量的二氧化硫，這些硫必定有一個源頭。金星表面上的火山活動可以做到這一點。然而，「金星快車」卻並沒有為此提供確鑿的證據。「金星快車」確實觀測到了許多火山，但卻不清楚它們是否仍然在活動。

對於金星上的活火山活動，有3種方式可以提供其強有力的證據。第一種是探測硫隨時間的變化方式。「金星快車」第一年的觀測發現硫的含量猛增，在隨後的5～6年間則下降到了之前的十分之一。這暗示它來自於火山的一次噴發。第二條途徑是探測金星表面的紅外輻射。顏色較深的表面會以紅外輻射的形式散發出更多的熱量，而剛形成的玄武岩——新近噴出的火山物質——都是黑色的。「金星快車」上相機也捕捉到了一些可能是由於熔岩流所造成的金星表面溫度變化。最後一種則是雷達成像，「麥哲倫」的雷達圖像顯現出了許多與火山甚至熔岩非常相似的特徵。

日本的「曉」探測器於2015年12月進入環金星軌道。此後，它已經開始向地球發回其紅外相機所拍攝的圖像。2016年4月，其官方認定「曉」具備了完全科學的觀測探測能力。版權：JAXA

金星上一處疑似活火山的紅外圖像。可以看到位於山頂附近的熱斑以及沿著其山坡向下流動的可能是由熔岩導致的熱流。版權：ESA/NASA/JPL

但這些都不是決定性的證據。現在最需要的是能夠在天或者周的時間段上顯示地貌連續變化的圖像。由此可以證明它們是當前的火山活動，而不是在遙遠的過去。

火山活動是金星整個謎團中重要的一環，因為它提供了一種周期性重塑金星表面的途徑。之前所拍攝的圖像顯示，金星上並沒有許多環形山。如果假設環形山是隨機分布的，那麼這意味著較老的環形山消失了，金星的表面會頻繁地重塑，也許間隔的時間只有約2億～8億年。考慮到環形山的平均相隔為數百千米，無論是什麼東西或者機制在重塑金星表面，它們也必定有著相同的分布模式。

如果有活火山活動，那麼這一重塑會是一個定期且穩定的過程。但是，如果目前火山不處於活動狀態，那麼重塑很可能是源於某種機制，它能夠在短時間內覆蓋金星上的大片區域。VERITAS和「想像」有望可以為此提供一個明確的答案。

金星的另一個大問題是水。「金星快車」對其大氣的分析表明，氘——多包含1個中子的氫原子——與氫之比相當大，另外還存在氫氧化根。普通氫要比氘輕，較高的氘氫比意味著原初氫很可能已經被太陽風剝離掉。氫氧根正是水被紫外線解離的產物。不過，金星還是讓科學家們感到驚訝。根據預期，金星會以較快的速度流失水，但其逃逸率卻比地球上的還小，這著實出乎意料。通過精確測定水從金星表面流失的速率，進一步的大氣和地質研究可以為之提供更多的線索。

說到水，VERITAS可以幫助科學家們更好地了解現在金星上含有多少水。它的地質學測試可以揭示出金星曾經是否類似地球有過板塊構造。通過測量較高海拔地區中的岩石組成，可以了解那裡是否如地球上的大陸一樣是由殼層所組成的。它是回答這個問題的關鍵。VERITAS測量的是表面溫度，它與岩石的成分有關。玄武岩為深色，花崗岩則較淺，在不同的高度上它們有著不同的溫度。

花崗岩需要水才能形成。如果沒有水，最終形成的岩石會非常接近但卻不是花崗岩。因此，尋找到花崗岩將意味著金星上曾經擁有過海洋，或者至少有足夠的水來使得花崗岩得以形成。

了解金星在遙遠過去時的樣子將會為回答為什麼地球與金星之間會如此不同提供大量的資料。金星是一個可以用來了解地球的令人難以置信的豐饒之地。這兩顆行星是如此相似，為什麼生命出現在了這一顆而沒有出現在另一顆上呢？

（責任編輯 張長喜）