□ 謝 懿 / 編譯
1990年美國(guó)宇航局的麥哲倫探測(cè)器抵達(dá)金星，對(duì)其進(jìn)行了為期4年的研究。“麥哲倫”上的雷達(dá)探測(cè)了金星98%的地表。圖片中所顯示的是由其數(shù)據(jù)合成的金星北半球，其北極點(diǎn)位于圖片的中心。版權(quán)：NASA/JPL。
為了解開(kāi)金星灼熱表面和猛烈風(fēng)暴的成因之謎，新的空間探測(cè)任務(wù)正在醞釀之中。
2015年12月，有一個(gè)探測(cè)器進(jìn)入了環(huán)繞金星的軌道，這是近10年來(lái)的第一個(gè)。日本的“曉”探測(cè)器為此花了5年的時(shí)間，而金星則幾乎已經(jīng)習(xí)慣了漫長(zhǎng)的等待。歐洲空間局的金星快車(chē)探測(cè)器于2006 年4月抵達(dá)了被濃密云層所籠罩的金星，而上一次造訪(fǎng)金星則是1990年美國(guó)宇航局的麥哲倫探測(cè)器。
以羅馬愛(ài)神維納斯命名，金星似乎并未受到地球上空間機(jī)構(gòu)的鐘愛(ài)。人們似乎更青睞地球的另一個(gè)鄰居——火星，在相同的時(shí)期里它引來(lái)了約十幾個(gè)游客。對(duì)金星的探測(cè)任務(wù)滯后于計(jì)劃，這使得我們對(duì)金星的認(rèn)識(shí)相當(dāng)于20世紀(jì)70年代我們對(duì)火星的認(rèn)識(shí)水平。
一些行星科學(xué)家正在試圖改變這一現(xiàn)狀。由于在火星上存在著發(fā)現(xiàn)生命的誘人可能性，多年來(lái)金星一直輸給了火星。其實(shí)，相比于火星，金星在某些方面和地球更為接近。這個(gè)地球內(nèi)側(cè)的鄰居也許能告訴我們?cè)S多有關(guān)我們過(guò)去和未來(lái)甚至是太陽(yáng)系外行星的信息。
當(dāng)然，金星也并非總是如此的沒(méi)人愛(ài)。從1960年到1984年，有20多個(gè)探測(cè)器造訪(fǎng)了金星，和那時(shí)探測(cè)火星的探測(cè)器幾乎一樣多。蘇聯(lián)的“金星”和“織女星”計(jì)劃發(fā)射了不下18個(gè)軌道器和著陸器（盡管并非所有的任務(wù)都成功了），美國(guó)則發(fā)射了5個(gè)探測(cè)器。
眼下美國(guó)宇航局有2個(gè)新的金星任務(wù)正在規(guī)劃階段，它們的命運(yùn)可能會(huì)在近期見(jiàn)分曉。歐洲空間局和俄羅斯空間局也在籌劃各自的探測(cè)任務(wù)。當(dāng)然，目前還有“曉”探測(cè)器向地球發(fā)回的金星探測(cè)數(shù)據(jù)。總而言之，金星探測(cè)的形勢(shì)正在好轉(zhuǎn)。未來(lái)的探測(cè)任務(wù)主要是環(huán)繞金星的軌道飛行器，其中也有一些計(jì)劃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(guān)金星仍然未知的一些基本問(wèn)題，為目前的理論模型提供確鑿的證據(jù)。
金星常常被稱(chēng)為地球的胞弟，這是因?yàn)樗鼈冇兄鴰缀跬耆嗤幕疚锢硇再|(zhì)。如果在一顆類(lèi)太陽(yáng)恒星周?chē)l(fā)現(xiàn)了一顆圍繞其公轉(zhuǎn)的金星，天文學(xué)家們一定會(huì)歡呼雀躍地宣布他們發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)地球。
那么，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(zhì)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。尤其是形成于太陽(yáng)星云的同一區(qū)域，這意味著它們的總成分應(yīng)該基本相同。它們的演化也應(yīng)該是類(lèi)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，后者的半徑為6370千米。前者的質(zhì)量是后者的82%，前者的表面重力加速度是后者的91%，兩者的密度也幾乎完全相同。
但是，正是得益于這些細(xì)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(tài)水和一個(gè)由氮?dú)夂脱鯕鉃橹鞯拇髿鈱印宓暮拷?%，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(zhì)量是地球的90倍，其中97%為二氧化碳，其余則為氮?dú)夂臀⒘繗怏w。二氧化碳是一種極強(qiáng)的溫室氣體，使得金星表面的平均溫度維持在462℃的水平。于是，金星的訪(fǎng)客完全可以給自己倒上一杯鋅或者鉛。
不同于地球，至少在可見(jiàn)光下，從上方看不到金星的表面，因?yàn)樗挥兄叻瓷渎实牧蛩嵩扑采w，光線(xiàn)無(wú)法穿透。在金星上，太陽(yáng)就是一個(gè)明亮而彌漫的光斑，類(lèi)似于在地球上的陰天時(shí)所看到的。這個(gè)明亮的光斑需要117個(gè)地球日才能穿過(guò)整個(gè)天空。金星需要243個(gè)地球日才能自轉(zhuǎn)一周，比它225個(gè)地球日的公轉(zhuǎn)軌道周期還要長(zhǎng)。由于金星是逆向自轉(zhuǎn)的——太陽(yáng)從西邊升起，因此它白天的時(shí)長(zhǎng)相比于其日長(zhǎng)的一半會(huì)略縮短。緩慢的自轉(zhuǎn)也意味著金星沒(méi)有真正意義上的磁場(chǎng)。
當(dāng)金星上下雨時(shí)，雨滴在到達(dá)地面之前就會(huì)蒸發(fā)。在金星的表面上，天氣預(yù)報(bào)除了“陰天偶有硫酸雨”之外，幾乎沒(méi)有太多的內(nèi)容。金星表面的大氣壓高達(dá)地球的90倍，相當(dāng)于身處地球海平面之下900米的地方。在這么高的壓強(qiáng)下，二氧化碳開(kāi)始表現(xiàn)為超臨界流體——一種液體和氣體的奇怪混合狀態(tài)。
先前的探測(cè)任務(wù)發(fā)現(xiàn)，金星的地貌與地球的一樣復(fù)雜多變。高原地區(qū)包含有在地殼中綿延數(shù)千米的山脊和褶皺，形成了類(lèi)似瓦片的圖案。低地似乎是由玄武巖構(gòu)成的，其中還分布著熔巖通道。在一些山頂會(huì)存在金屬“霜”，甚至還有類(lèi)似沙丘的地貌。在金星上的局部地區(qū)還有形似薄餅狀的結(jié)構(gòu)，直徑可達(dá)160千米。金星還極其地干燥。金星在形成之初很有可能具有和地球上相當(dāng)?shù)暮浚苊黠@這些水現(xiàn)在已不復(fù)存在了。
那么，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(guān)點(diǎn)是，隨著太陽(yáng)在過(guò)去幾十億年內(nèi)的大幅增亮，由此導(dǎo)致的加熱作用使得金星上的水都蒸發(fā)成了水汽。雖然就金星上是否存在過(guò)如地球上這樣廣大的海洋仍有一些爭(zhēng)議，但在其溫度較低的早期很可能擁有大量的液態(tài)水。但隨著溫度的不斷攀升，任何水分都蒸發(fā)了，它們一旦抵達(dá)上層大氣，陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)就會(huì)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(huì)停留在高處，因?yàn)樗拿芏缺榷趸夹。幸恍?huì)下降，與表面巖石發(fā)生反應(yīng)。由于沒(méi)有與地球上類(lèi)似的生物來(lái)把空氣中的二氧化碳提取出來(lái)并轉(zhuǎn)換成氧氣，金星上的水和二氧化碳——效力極強(qiáng)的熱溫室氣體——導(dǎo)致了失控的溫室效應(yīng)。
金星的慢自轉(zhuǎn)助長(zhǎng)了這一過(guò)程。在地球上，相對(duì)較快的自轉(zhuǎn)會(huì)在其鐵質(zhì)核心產(chǎn)生發(fā)電機(jī)效應(yīng)。由此形成的磁場(chǎng)可以保護(hù)地球免受太陽(yáng)風(fēng)——太陽(yáng)朝各個(gè)方向吹出的高能粒子流——的侵?jǐn)_。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)掃過(guò)不受保護(hù)的金星，它會(huì)從金星大氣中剝離掉氫，使得金星上有望重新結(jié)合成水的成分變得越來(lái)越少。
然而，來(lái)自“金星快車(chē)”和“麥哲倫”的數(shù)據(jù)似乎并沒(méi)有告訴我們事情的全部，而這正是新探測(cè)任務(wù)的用武之地。
“金星深層大氣惰性氣體勘測(cè)、化學(xué)和成像”探測(cè)器（DAVINCI）投放金星大氣探測(cè)器的示意圖。在63分鐘的下降過(guò)程中，它會(huì)采集并分析金星大氣的成分，確定成分隨高度的變化關(guān)系。版權(quán)：NASA/GSFC。
“金星輻射、無(wú)線(xiàn)電科學(xué)、干涉合成孔徑雷達(dá)、地貌和光譜”（VERITAS）任務(wù)如果獲批，預(yù)計(jì)將會(huì)在21世紀(jì)20年代初發(fā)射。與先前的“麥哲倫”任務(wù)類(lèi)似，它也會(huì)對(duì)金星開(kāi)展環(huán)繞探測(cè)，但它的雷達(dá)分辨率會(huì)高得多。版權(quán)：NASA/JPL
美國(guó)宇航局正在對(duì)2個(gè)金星探測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估。“金星深層大氣惰性氣體勘測(cè)、化學(xué)和成像”探測(cè)器（DAVINCI）將專(zhuān)注于金星的大氣化學(xué)。它會(huì)投放一個(gè)大氣探測(cè)器，類(lèi)似于一個(gè)金星版的惠更斯探測(cè)器。在長(zhǎng)達(dá)約1個(gè)小時(shí)的下降過(guò)程中，它會(huì)對(duì)不同高度的大氣成分進(jìn)行測(cè)量。在落到金星表面上之后，它的任務(wù)就算完成了。“先驅(qū)者”和“織女星”探測(cè)了金星大氣，但它們并沒(méi)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(yīng)所必需的。
美國(guó)宇航局的另一個(gè)方案是“金星輻射、無(wú)線(xiàn)電科學(xué)、干涉合成孔徑雷達(dá)、地貌和光譜”（VERITAS）任務(wù)。VERITAS的軌道飛行器類(lèi)似于“麥哲倫”，但最大的區(qū)別在于其雷達(dá)具有更高的分辨率，能夠探測(cè)到小到30米的地形特征，而“麥哲倫”的則為100米。它還將測(cè)量金星的重力場(chǎng)及其表面的熱輻射，這使得它可以“看”到金星內(nèi)部的一些地質(zhì)構(gòu)造，探測(cè)金星上的薄餅狀結(jié)構(gòu)是否是由巖漿構(gòu)成的。VERITAS還能測(cè)量金星表面巖石的成分差異。這可以提供金星表面礦物變化的信息和化學(xué)變化特性，進(jìn)而知道金星是否像地球一樣擁有大洲、活火山和構(gòu)造特征，了解它巖石圈的溫度變化。最終選擇哪一個(gè)還是兩者都選，預(yù)期很快會(huì)有結(jié)論。
歐洲空間局的“想象”（EnVision）金星軌道飛行器也配備了先進(jìn)的雷達(dá)，但它發(fā)射的時(shí)間應(yīng)該不會(huì)早于2029年。除了比“麥哲倫”更先進(jìn)的雷達(dá)之外，它還可以對(duì)小范圍的區(qū)域進(jìn)行更加精細(xì)的成像。不同于“麥哲倫”100米的分辨率，“想象”的分辨率可以達(dá)到6米。這足以觀(guān)測(cè)到金星表面上日常的變化。雖然與VERITAS會(huì)有一些重疊，但VERITAS側(cè)重于對(duì)金星全球的勘探，而“想象”偏重于對(duì)局部地區(qū)的精細(xì)勘測(cè)。
俄羅斯的探測(cè)任務(wù)被稱(chēng)為“金星D”，它與此前的“織女星”任務(wù)相似，包含了一個(gè)軌道飛行器和一個(gè)著陸器，甚至還有可能包含一個(gè)氣球探測(cè)器。像之前的許多任務(wù)一樣，“金星D”將專(zhuān)注于金星大氣，研究金星大氣異常旋轉(zhuǎn)的成因及其化學(xué)特性。如果能存活足夠長(zhǎng)的時(shí)間，其著陸器將會(huì)對(duì)金星土壤進(jìn)行分析。目前，在金星上存活時(shí)間最長(zhǎng)的著陸器是蘇聯(lián)的“金星”13號(hào)，它工作了接近2個(gè)小時(shí)。俄羅斯空間局還沒(méi)有對(duì)該任務(wù)做出任何的決定，但如果獲批這將會(huì)是自蘇聯(lián)解體以來(lái)俄羅斯的第一個(gè)金星探測(cè)任務(wù)，預(yù)計(jì)發(fā)射的時(shí)間不會(huì)早于2024年。
當(dāng)前的金星探測(cè)已經(jīng)落后于時(shí)間表。日本“曉”探測(cè)器本應(yīng)該在2010年抵達(dá)金星，但它錯(cuò)過(guò)了軌道機(jī)動(dòng)。于是，它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)了5年，直到工程師可以將其送入另一條環(huán)繞金星的軌道，這條軌道比原先計(jì)劃的要更扁。當(dāng)然，能夠把“曉”任務(wù)救活已經(jīng)是一項(xiàng)了不起的成就了。現(xiàn)在，“曉”在一條周期為13天的橢圓軌道上繞金星轉(zhuǎn)動(dòng)，最近距離400千米，最遠(yuǎn)440000千米。它的科學(xué)目標(biāo)實(shí)際上會(huì)因這條臨時(shí)決定的軌道而被增強(qiáng)，因?yàn)樗谶h(yuǎn)金點(diǎn)時(shí)可以有更多的時(shí)間來(lái)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。
“曉”上搭載的2臺(tái)近紅外相機(jī)會(huì)用來(lái)探測(cè)金星的表面、云系的運(yùn)動(dòng)以及構(gòu)成它們的粒子。它的長(zhǎng)波紅外相機(jī)會(huì)跟蹤位于金星地表65千米之上云頂?shù)臏囟取Ｋ牧硗?臺(tái)設(shè)備則是一個(gè)紫外成像儀和一臺(tái)閃電和氣輝相機(jī)。此前，“金星快車(chē)”發(fā)現(xiàn)了可能是金星云層中閃電的跡象，“曉”將會(huì)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的觀(guān)測(cè)。
“曉”還將研究的一個(gè)問(wèn)題是金星大氣的“超自轉(zhuǎn)”。金星的上層大氣會(huì)以每小時(shí)數(shù)百千米的時(shí)速繞金星流動(dòng)。這并不奇怪，因?yàn)樵谄渌行巧弦矔r(shí)不時(shí)地會(huì)出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。但無(wú)法解釋的是為什么金星大氣的超自轉(zhuǎn)會(huì)比其自轉(zhuǎn)速度快數(shù)個(gè)量級(jí)，而科學(xué)家們目前也無(wú)法對(duì)其建立精確的理論模型。通過(guò)獲得更好的圖像，了解金星上層大氣與底層大氣的區(qū)別以及這兩者相互作用的方式，“曉”可以幫助解答這個(gè)問(wèn)題。
“金星快車(chē)”和“先驅(qū)者”都在金星上發(fā)現(xiàn)了硫化合物，其主要成分是二氧化硫。為了維持觀(guān)測(cè)到的濃度，這些二氧化硫必須以某種方式不斷地被輸送進(jìn)金星大氣層，因?yàn)樗鼈兒芸炀蜁?huì)被陽(yáng)光破壞掉。這為金星上存在活火山提供了非常好的證據(jù)。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(gè)源頭。金星表面上的火山活動(dòng)可以做到這一點(diǎn)。然而，“金星快車(chē)”卻并沒(méi)有為此提供確鑿的證據(jù)。“金星快車(chē)”確實(shí)觀(guān)測(cè)到了許多火山，但卻不清楚它們是否仍然在活動(dòng)。
對(duì)于金星上的活火山活動(dòng)，有3種方式可以提供其強(qiáng)有力的證據(jù)。第一種是探測(cè)硫隨時(shí)間的變化方式。“金星快車(chē)”第一年的觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)硫的含量猛增，在隨后的5～6年間則下降到了之前的十分之一。這暗示它來(lái)自于火山的一次噴發(fā)。第二條途徑是探測(cè)金星表面的紅外輻射。顏色較深的表面會(huì)以紅外輻射的形式散發(fā)出更多的熱量，而剛形成的玄武巖——新近噴出的火山物質(zhì)——都是黑色的。“金星快車(chē)”上相機(jī)也捕捉到了一些可能是由于熔巖流所造成的金星表面溫度變化。最后一種則是雷達(dá)成像，“麥哲倫”的雷達(dá)圖像顯現(xiàn)出了許多與火山甚至熔巖非常相似的特征。
日本的“曉”探測(cè)器于2015年12月進(jìn)入環(huán)金星軌道。此后，它已經(jīng)開(kāi)始向地球發(fā)回其紅外相機(jī)所拍攝的圖像。2016年4月，其官方認(rèn)定“曉”具備了完全科學(xué)的觀(guān)測(cè)探測(cè)能力。版權(quán)：JAXA
金星上一處疑似活火山的紅外圖像。可以看到位于山頂附近的熱斑以及沿著其山坡向下流動(dòng)的可能是由熔巖導(dǎo)致的熱流。版權(quán)：ESA/NASA/JPL
但這些都不是決定性的證據(jù)。現(xiàn)在最需要的是能夠在天或者周的時(shí)間段上顯示地貌連續(xù)變化的圖像。由此可以證明它們是當(dāng)前的火山活動(dòng)，而不是在遙遠(yuǎn)的過(guò)去。
火山活動(dòng)是金星整個(gè)謎團(tuán)中重要的一環(huán)，因?yàn)樗峁┝艘环N周期性重塑金星表面的途徑。之前所拍攝的圖像顯示，金星上并沒(méi)有許多環(huán)形山。如果假設(shè)環(huán)形山是隨機(jī)分布的，那么這意味著較老的環(huán)形山消失了，金星的表面會(huì)頻繁地重塑，也許間隔的時(shí)間只有約2億～8億年。考慮到環(huán)形山的平均相隔為數(shù)百千米，無(wú)論是什么東西或者機(jī)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(dòng)，那么這一重塑會(huì)是一個(gè)定期且穩(wěn)定的過(guò)程。但是，如果目前火山不處于活動(dòng)狀態(tài)，那么重塑很可能是源于某種機(jī)制，它能夠在短時(shí)間內(nèi)覆蓋金星上的大片區(qū)域。VERITAS和“想象”有望可以為此提供一個(gè)明確的答案。
金星的另一個(gè)大問(wèn)題是水。“金星快車(chē)”對(duì)其大氣的分析表明，氘——多包含1個(gè)中子的氫原子——與氫之比相當(dāng)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(jīng)被太陽(yáng)風(fēng)剝離掉。氫氧根正是水被紫外線(xiàn)解離的產(chǎn)物。不過(guò)，金星還是讓科學(xué)家們感到驚訝。根據(jù)預(yù)期，金星會(huì)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(shí)出乎意料。通過(guò)精確測(cè)定水從金星表面流失的速率，進(jìn)一步的大氣和地質(zhì)研究可以為之提供更多的線(xiàn)索。
說(shuō)到水，VERITAS可以幫助科學(xué)家們更好地了解現(xiàn)在金星上含有多少水。它的地質(zhì)學(xué)測(cè)試可以揭示出金星曾經(jīng)是否類(lèi)似地球有過(guò)板塊構(gòu)造。通過(guò)測(cè)量較高海拔地區(qū)中的巖石組成，可以了解那里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(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。VERITAS測(cè)量的是表面溫度，它與巖石的成分有關(guān)。玄武巖為深色，花崗巖則較淺，在不同的高度上它們有著不同的溫度。
花崗巖需要水才能形成。如果沒(méi)有水，最終形成的巖石會(huì)非常接近但卻不是花崗巖。因此，尋找到花崗巖將意味著金星上曾經(jīng)擁有過(guò)海洋，或者至少有足夠的水來(lái)使得花崗巖得以形成。
了解金星在遙遠(yuǎn)過(guò)去時(shí)的樣子將會(huì)為回答為什么地球與金星之間會(huì)如此不同提供大量的資料。金星是一個(gè)可以用來(lái)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，為什么生命出現(xiàn)在了這一顆而沒(méi)有出現(xiàn)在另一顆上呢？
（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）
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