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破解金星的“命运密码”

科普中国2016-08-12 23:04我要吐槽

一、金星凌日

在太阳系中,处在“热乡”之中的行星并非只是水星,与水星比邻的金星也是一个炎热之地(图1),它是太阳系中离太阳第二近的行星,人们对这颗星的兴趣比水星更大。

 

  图1 金星

 

金星总是出现在日出之前和日落以后。在我国,人们将黎明前的金星称为“启明”,黄昏后的金星称为“长庚”。《诗经》中说,“东有启明,西有长庚。”指的都是金星。在西方文明中,灿烂的金星被奉为爱与美的女神,古希腊人称它为阿佛洛狄忒,古罗马人称它为维纳斯。

从地球上看,金星偶尔会像一滴墨点一样缓缓地穿过太阳的表面,这就是金星凌日。这种现象不会经常发生,且两次一组地到来,一组中的两次相隔8年,而两组之间则相隔100多年,所以在一个人的一生中,至多有可能看到两次金星凌日,很多人,即使他们活得很长也遇不到一次金星凌日。

我们中的很多人恐怕都属于幸运的那一类,因为2012年的6月6日,一场金星凌日的天文大戏已按时上演,我国各地都能看到,整个过程持续了6个多小时,而更上一次的金星凌日则发生在2004年6月8日(图2),这两次金星凌日相信许多人都亲历过,算是很有眼福了。

 

  图2 2004年金星凌日

 

1761年6月6日也发生了一次金星凌日,那一天,俄国科学家罗蒙诺索夫(图3)将他的望远镜指向金星,他注意到金星在接近太阳时有一圈明亮的环,于是他认定,金星上有大气。

  图3 俄国科学家,俄罗斯自然科学奠基人罗蒙诺索夫

 

二、穿越金星大气

现在我们知道,金星上的确有大气,而且非常浓密。假若你要着陆金星,你便必须首先穿越那片浓密的大气,那里96%是二氧化碳,3%是氮,0.1%是水蒸气。大气的顶部阳光充足,四周平静,但到了距金星地面50至70千米时,你便会遇上“金星云”,它们是黄色的,由浓硫酸和硫磺组成,看起来更像雾。

四周黄雾弥漫,一片迷蒙,而风却在这层云雾中以每秒100米的速度劲吹着。要知道在金星上吹这么强的风是很奇怪的,因为金星的自转速度非常漫,它的一天相当于地球的243天。

云层的下面非常阴暗,只有2.2%的阳光能穿过云层到达金星的表面,但那里的温度却高达475摄氏度,是太阳系行星和卫星中温度最高的地方。在那里,硫磺、铅、锡都会熔化,而且气压也非常高。1967年,当“金星4号”的着陆器下降到距金星表面25千米时,信号突然停止,原来它被金星上的高气压压瘪了。

“金星4号”是苏联发射的系列金星探测器之一。1969年1月5日,“金星5号”出发,这艘探测器更结实一些,它在着陆过程中发回了53分钟的探测数据,但在距地面24至26千米时又被压坏了。1月10日,“金星6号”发射,但依然没有成功。1970年8月17日,“金星7号”再赴金星,这次它软着陆到了金星表面。

1975年,“金星9号”和“金星10号”出发,它们分别成功进入到金星的环绕轨道。“金星9号”的着陆器(图4)也成功地从金星表面传回了科学数据。苏联的金星探测进入到一个新高潮。80年代初,“金星13号”(图5)和“金星14号”出发,更是开创了金星探测的新篇章,它们的着陆器都成功软着陆到了金星表面。

 

  图4 “金星9号”着陆器

  图5 “金星13号”轨道

 

三、发现“盾形火山”

苏联的系列金星探测器首次探测到金星表面大气压和温度的准确数据,它使人们意识到浓云之下的金星是一个炼狱,根本不适合生命存在。接下来,金星表面的更多真相又进一步被苏联的金星探测器揭示了出来。金星神秘的面孔一点点地展现在世人面前,那明亮的天空、橙黄的云层、强劲的气流令人惊叹不已。在人类的行星探测史上,那段时间堪称金星探测的黄金时期。

苏联人在金星探测上的巨大成就刺激了美国人对金星的投入,他们奋起直追,先后发射了“水手号”和“先驱者号”系列探测器前往金星。1989年5月4日,“亚特兰蒂斯号”航天飞机将一艘名为“麦哲伦号”的金星探测器(图6)送上太空。“麦哲伦号”重3365千克,造价4.13亿美元。后来的事实表明,它的表现非常出色。

 

  图6 “麦哲伦号”金星探测器

 

“麦哲伦号”最重要的成就是测绘了金星地貌。这艘探测器发现,金星上有一些巨大的圆顶地形(图7),它们高几千米,方圆达数百平方千米。这种地形由火山涌出物堆积而成,是玄武岩的岩浆,它们在金星上形成了宽阔的顶面和平缓的坡度。由于看上去像隆起的煎饼,又像古罗马人使用的盾牌,人们就称它们为“盾形火山”。

 

  图7 金星上有一些巨大的圆顶地形,由火山涌出物堆积而成

 

除“盾形火山”外,金星上还有一些椎形和泡状的地形,其面积亦可达数百平方千米,它们也是地下热流溢出的结果。

 

四、捕捉金星闪电

“麦哲伦号”还揭示了金星地壳的秘密:它没有板块运动,这和我们的地球很不一样。在地球上,由于板块运动,地壳能冷却来自地下的热量,又通过火山喷发把更多热量散发到大气中。然而金星没有板块运动,这让人们对它的散热方式产生了诸多猜测,也许那些地下的热量是经由盾形火山散发出去的。

“麦哲伦号”和它以前的金星探测器使人类对金星有了前所未有的了解,然而也正是这些探测活动把越来越多的疑惑带了出来。为什么金星大气以极高的速度旋转?温室效应在金星的气候演化中起了什么作用?云雾的形成和变化是怎样的?太阳风如何影响了金星大气?火山喷发对金星环境产生了怎样的影响?金星上现在还有活火山吗?凡此种种的问题注定了人类还得派新的探测器前往金星,这就促成了“金星快车”(图8)对金星的“再访”。

 

  图8 金星探测器“金星快车”

 

“金星快车”由欧洲空间局制造,汇集了欧洲11个国家的合作成果,同时还得到来自俄罗斯、日本和美国的支援。它搭载了7种科学仪器,造价3亿欧元。

2005年11月9日,“金星快车”搭乘俄罗斯的“联盟”运载火箭踏上了前往金星的旅程。次年4月11日,“金星快车”顺利进入金星极地轨道。此后,它每24小时绕金星一圈,开始对金星进行环绕考察。

“金星快车”成功进入金星轨道的当天,科学家们便收到了它发回的金星南极地区照片,它们是“金星快车”在距金星表面20.6万千米的地方拍摄的。在此后的探测中,“金星快车”又捕捉到了金星上的闪电。通常,闪电对一颗行星的意义非同寻常,它会影响这颗行星的大气化学成分,还具有在原始软泥中摧生生命的功能。在这之前,人们已经知道除了地球外,木星和土卫六上也有闪电,但金星上的闪电与它们不同,它是在“硫酸云”中发生的。

金星闪电并非“金星快车”首次捕捉到,苏联的金星探测器“金星12号”也捕捉到了金星闪电。

 

五、揭秘金星身世

“金星快车”还首次让人们仔细观察了金星上的神秘云团。此前的观测已经证实,金星云团的速度非常快,含有大量尘埃和硫酸,但有关云团的更多细节却知之不多。“金星快车”发现,在金星的低纬地区,云团对流的现象非常活跃,硫酸的浓度也比较高,在中纬地区,云团对流的强度就弱一些,但层数更多,密度也更大,它们看上去就像给金星扣上了一顶大帽子。

经过金星探测器一轮接一轮的探测,人类对金星的了解一点点地加深了,它的真实面貌开始慢慢地显露出来。人们发现,金星可能曾经也是一颗宜于居住的星球。像地球一样,不仅含有大量二氧化碳,还拥有大量液态水,然而后来金星上的水神秘地消失了,它变成了一颗滚烫的星球,表面温度高达475摄氏度,气压是地球的100倍,而地球则演化得风和日丽,欣欣向荣。是什么原因使地球和金星这对原本如此接近的“姊妹星”遭遇了截然不同的命运呢?

原来金星的自转速度非常慢,所以没有强大的磁场,这样一来,太阳风和太阳紫外线就直接撞击了金星大气,导致大量水分子被分解后流失到太空里。这就是金星上水的流失,这个过程开始于金星形成不久,已经持续45亿年了。

由于没有水,二氧化碳就全部进入到了大气层中。经过数十亿年的积累,金星上的温室气体越来越浓,它仿佛裹上了一层厚厚的棉被,温度不断升高,最后就变得炎热如火了。

由此看来,早期的金星可能拥有过水,但主要存在于大气中,那时金星还没有形成固体的表面,所以金星可能并没有形成自己的海洋。

不过,假若在金星表面凝固后,很多彗星撞击了金星,它们就会为金星补充额外的水,金星仍有可能在某个时期拥有海洋,甚至拥有生命。

45亿年前,金星和地球同时诞生,它和地球一起像“姊妹”一样围绕在太阳的身边,然而温室效应把金星带离了“幸福”的航道,使它坠入到了炼狱之中(图9)。是飞往金星的太空探测器向我们描述了这个苍凉的故事。

 

  图9 金星(左)和地球原本是“姊妹星”,但后来拥有了不同的“命运”

  

 

在进入太空时代以前,人们有关太阳系的知识都来自于肉眼和望远镜的观测,但太空时代到来后,人们对太阳系的认识便越来越多地依赖太空探测器。探测器不仅能飞到星球附近对其进行近距离的研究,还把人类包括视觉在内的各种感官的感觉能力延伸到了太阳系的边缘。这是继望远镜之后的又一次伟大进步,人类也因此获得了大量有关太阳系的知识,并且在质和量上都形成了一次飞跃。本书将向读者全面生动地介绍这样一次伟大的发现之旅。

本文摘编自张唯诚《出发吧,太空探测器》(科学出版社.2016.7)第一章部分,有删节。

 

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作者:科普中国责任编辑:天极科普君)
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