歪星撞地球第一季

　　金星是太阳系内的类地行星，距太阳的平均距离约为0.72AU（1.08亿公里），公转周期为224.71天。金星的自转方向由东向西，是8大行星中最长的自转周期（243天）。在太阳系的8大行星中，金星被称为地球的“双晶星”，由于接近地球的大小和密度，所以推测金星的初期物质组成也接近地球，但是根据仅有的探查数据，还没有得出结论。 　　 　　金星和地球的大小的对比 　　目前，金星的表面环境与地球完全不同：大气气压是地球表面的92倍。地上气温约465°C，世界比较均匀。汽车在金星表面也融化了，非常不适合生命的生存。金星拥有厚的大气层，主要由二氧化碳（96.5%）和氮（3.5%）构成。在约50千米高度的云上存在多个腐蚀性的酸性气体。 　　但是，36亿年前，金星也曾在太阳系的宜居地带，那时的金星是否存在于大海，孕育了生命呢。金星走上了与地球不同的进化之路，为什么会变成现在这样的炼狱呢。金星是地球的过去还是未来。这些问题是金星探测中最重要的科学问题。 　　 　　金星的表面笼罩着浓密的大气，从轨道上很难看到地表的真实面貌。 　　金星探测 　　人类的地外行星的探索从金星开始了。从1961年苏联首次金星探查到2021年底，世界各国共发射了43个金星探查机，其中苏联33次（成功15次）、美国8次（成功6次）、EU 1次（成功）、日本1次（成功）。任务类型主要是金星的掠过、环绕、大气层进入探测任务（33次），着陆任务（8次）和浮游任务（2次）相对较少。任务集中在1960-70年代的美苏宇宙竞争时期，21世纪以来，只有欧洲航空局的金星快车（Venus Express；2006-2014）和日本的拂晓号（Actsuki；2015年顺利步入正轨到现在）两次任务。晓号是目前唯一运行轨道的金星探测器。 　　探测金星的方法主要有地基观测和金星探测器两种。地盘观测是探测器任务的重要补充，可以观测大气成分、大气动力学、金星地质等。金星探测器分为轨道探查、空中定位探查、地面定位探查三种。轨道探查技术相对最成熟，轨道器在现有的金星任务中占绝对主体。空中位置检测由空中平台（例如，浮气球）和下降型检测器/检测器进行。可以将着陆的金星表面定位在地面上，获得金星的地表物质组成、大气和地表的相互作用、地震等信息。但是，金星地表的严峻环境是探测器生存时间的主要制约。根据生存时间，地面定位探测是短寿命工作站（24小时，分为可移动的金星车（>24小时）等。 　　 　　拂晓号金星探测器 　　金星轨道器的优点是可以长时间、大尺度地观测金星的大气和空间环境。21世纪以来，多亏了欧洲航空局的“金星快车”和日本的“拂晓号”的成功，得到了大量珍贵金星的遥感数据，更加深刻地理解了金星的大气和气候。 　　金星快车的探测主要集中在云和中高层的大气上。采用与作为先驱的金星（Pioner-Venus Orbiter）不同的轨道设计，可以进入金星诱导磁性层的不同区域，获得了许多新的观察和发现。金星快车的一些突出成果包括建立全球大气环流模型。绘制了金星的全世界表面温度图、金星大气的热截面和热结构、大气化组成截面（CO、SO2、OCS、D/H比等），发现了新的大气成分（O3和OH）。发现金星低纬度区域的平均风速持续增加。高空大气中存在低温层。地形会引起大气重力波的特征和深层云的特征等。金星快车还发现了疑似活动的火山“热点”。但是，整体上金星快车只限于地表的探测范围和精度。 　　 　　“金星快车”金星探测器 　　日本的“拂晓号”的探测目标集中在金星的大气和空间环境上，从云顶到深层云都进行了精密的探测。晓号描绘了35-50km的深层云的形态。发现金星大气中有大尺度的弓形特征。赤道区域上的中低云有水平急流风。通过无线掩模实验获得了高达40km以上的大气温度分布。发现在上云和中云之间的过渡带附近存在小颗粒的厚层云。通过对云顶热的观测和模拟，发现了大气超旋转保持热的机制。 　　 　　金星大气垂直结构示意图 　　在金星的大气下 　　金星表面被厚空气包围，但几个特定波长的电磁波仍然能穿透大气，观察金星地表。 　　 　　可穿透行星云的电磁波带的概略图 　　迄今为止，覆盖了最高精度金星地形图的是来自美国麦哲伦号轨道器的雷达勘探。 　　金星地表形态的特征 　　金星表面相对平坦，地形可分为三种地质单位：低地、平原和高地。约80%的金星表面覆盖着平滑的火山平原，其中70%的火山平原存在皱纹的山脊，10%的火山平原存在平滑或断裂。两个高地占据金星剩下的20%的表面，一个位于北半球（Ishtar Terra），另一个位于赤道以南（Aphrodite Terra）。金星的最高山脉Maxwell Montes（最高峰是金星的平均半径11km以上）在Ishtar Terra的范围内。 　　 　　金星表面的典型形态特征包括放射状岩壁、盾状火山、熔岩流、蜘蛛网状结构等。 　　金星表面只剩下约940个撞击坑。有趣的是，金星碰撞坑小于30km的碰撞很少，几乎是不足5km的缺失。同时，金星表面也缺少大型撞击坑。根据现存的冲突坑，金星被推定为7.5亿年前后发生了世界地表重建事件。整个过程大约经历了一亿年。重建事件抹消了更早的地质记录。这个世界性的重建事件是灾害式还是缓慢的平衡式，还不知道。 　　 　　金星表面碰撞坑分布图 　　（背景：粉红-沉积物松弛；茶色-沉积或风化岩；绿-火山岩；蓝-低介电常数物质） 　　另外，金星地表存在各种各样的构造特征。活跃的火山活动形成了多尺度的结构变形，最终形成了与火山相关的全球结构网络。其中最特殊的是被称为马赛克块的地质单位。是被平原包围了数十公里的孤立的块，有着镶嵌在地板上的形状。马赛克地块内不同方向的平行脊椎、断裂、地险交叉，伴随着少量的火山活动。马赛克块是保存在当前金星表面的最古老的地体，也可能与水的作用有关。将来，马赛克块将成为金星勘探的重要目标。 　　 　　裂谷像地球洋的山脊。皱纹的脊椎主要分布在低地。马赛克块超越了高变形区域，有可能在成分上与地球大陆的壳相似。 　　与遥感相比，着陆探测很难，数据也很少，非常珍贵。目前，维持金星登陆生存时间记录的是苏联的“金星”系列探测器，最长记录为127分钟。 　　 　　苏联的“金星”着陆机在金星表面着陆的艺术虚拟图（闪电和硫酸雨） 　　所有的着陆机都落在金星的火山平原区。金星的地表没有液体水和植被，只有露出的岩石散乱。着陆机测定地表的物质组成，这些成分测定不仅数量极为有限，误差也很大，甚至有一些重要的元素数据（例如钠）也不足，但这些测定仍然是金星物质成分的主要依据特别是当金星陨石不足或返还样品时。 　　 　　苏联金星9号和13号任务拍摄的金星着陆点的地表影像 　　那里有生命吗。 　　由于地球的潜在相似性，金星地表和大气中是否存在生命物质是国际学术界长期关注的问题。有两个相关假设。一个假设是，初期的金星地表有温和的气候和液体海洋，直到温室效应逐渐失去控制为止，所有的水都蒸发进入大气，然后逃走了。这个假说还没有证据。金星有可能没有液体海洋。一种假设是，现代金星云中存在适合居住的带，这里存在适当的温压条件（~60°C，1气压），微米级的气溶胶对宇宙射线和紫外线有遮蔽作用，是可以保护生命的存在。 　　金星表面宜居环境的假说 　　（左）在温室效应失控之前，金星可能是适宜居住的星星的假说的示意图。 　　（右）金星云烟雾层间生存的好热-超好酸微生物循环假说概略图。 　　2020年9月，某研究小组在“自然-天文”定期刊物上发表论文，发表了利用地面无线望远镜在金星云的某个高度检测出磷氢（PH3）。这是生命存在的间接证据，有可能引起巨大的骚动和争论。焦点集中在观测数据的多解性上，即使信号真的来源于磷氢，也不能排除其他非生命源。但是，不管怎样，这些新的探索和争论都表明，金星成为国际行星和空间生命探索和研究的新热点，是国际科学技术竞争的重要领域。 　　金星探测已经进行了多年，但现在仍处于重要数据积累阶段，填补了很多观测空白。例如，99%的金星大气质量集中在对流层，特别是28km以下，但是距离地表12km高的金星深层大气现在缺乏直接探测数据。雷达探测金星地形在麦哲伦任务后一直处于停滞状态，现有金星雷达的探测分辨率为100米级，精度相当于1970年代的火星任务，无法实现更细致的金星地形识别和分类特别是对金星表面不能进行地质过程的尺度分析和研究。严重制约了金星地表关键地区和金星对地质演化的认识。金星大气定位探查（特别是大气元素同位素测定）和马赛克块的精密遥感探查，甚至定位探查等，对将来的金星探查任务提出了明确而切实的需求。 　　 　　未来金星任务雷达探查能实现的空间分辨率和麦哲伦号的对比 　　到金星去 　　2021年6月，美国航空宇宙局和欧洲航空局分别批准了对金星的新任务——“真实（VERITAS）”任务、“达芬奇+（DAVINCI+）”任务、“展望（Envison）”任务。另外，俄罗斯、印度也提出了各自的金星探查任务，积极推进。国际金星的探查和研究迎来了新的高潮，地球上的双子星神秘的面纱渐渐揭开。 　　“真实”任务和“达芬奇+”是两个高度互补的任务，预计在2030年左右发射。其中“真实”号被称为“金星发射率、无线科学、干涉合成孔径雷达、地貌学、光谱学”的任务。主要的科学目标是生成金星的世界高分辨率地形图和影像，制作包括变形，表面组成，热释放，重力场图的一系列金星全球图鉴。金星是否具有古老的水环境，现在的火山活动是否限于地幔柱区域，或者是否有更广泛的分布。“达芬奇+”任务是全称“金星深层大气惰性气体、化学和成像”任务，通过下降式探测，在下降63分钟的过程中直接测定金星大气的组成，测定稀有气体、痕量气体和同位素组成，测量金星大气的温度、压力和风速。在到达地面之前，探测器将拍摄金星马赛克地块的影像，探究其起源、构造、火山、风化的历史。 　　“展望（Envison）”号预计将于2032年发射，是基于轨道的金星地表高分辨率雷达测量和大气研究的任务。科学目标寻找活跃的地质过程，测定与活跃火山作用有关的地表温度变化，表征区域和局部地质特征，确定地壳支撑机构制约地幔和核心特性，根据轨道金星地表高分辨率雷达测量和大气研究任务可检测到厘米级地表变化，表征火山和结构活动，估计风化和地表蚀刻速度。地下雷达深度计描绘区域二次表层约100m深度内的断层、地层、风化状况，识别结构关系和地质历史。 　　俄罗斯的“金星D”（Venera-D）任务的概念处于准备阶段，表明了俄罗斯回归金星的决心。“金星D”任务的概念已经修改了一些，目前基线任务由轨道飞机和短命（2-3小时）的次元加式着陆机组成。除了基线任务之外，还论证了气球、副卫星、长寿命（24小时）地面站等一系列潜在因素。建议2029-2034年从金星分3次采样回来。 　　除此之外，其他行星间探查任务还可以在金星重力辅助阶段对金星进行探查。这些任务包括美国航空宇宙局的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）、欧洲航空局的太阳周波器（Solar Orbiter）、木星冰月探测器（JUICE）。 　　提问环节/ 　　1.据报道，金星着陆机的生存时间最长为2小时左右。金星表面的温度和压力看起来还不是极端的值。它缩短了着陆机的生存时间，主要原因是温度和压力吗？还有其他理由吗？ 　　答：主要是金星地表温度和压力的原因。金星表面的环境和高压锅相似。电子零件和科学机器必须保证工作中首先降低温度，不过热，但是金星环境很难。探测火星时长时间工作的机器通常选择在晚上工作，不需要降低额外的温度。与此相比，金星持续高温，对电子设备和线路的设计提出了很高的要求。 　　2.金星和地球的大小相差不大。为什么地球上有月亮，却没有金星。 　　答：这是个很好的问题，但目前我们还不知道。虽然月球的确切成因还不清楚，但是相对能够接受的是大冲突的起源。在原始地球形成的初期，撞上了像火星一样大的天体，之后，使现在的地球和月亮再进化。虽然金星可能没有经历过这样的过程，但是这对金星的进化也有很大的影响。与地球相比，金星可能是相反的例子。大的天然卫星是否会走向其他的进化路径。 　　3.金星的表面是什么时候这么热的。为什么金星没有海洋？ 　　这个问题我们也不知道，所以现在还在推测。据推测，金星刚出现的时候（最初的1亿年）可能和地球相似。但是，实际上是否是这样还不知道。从现在金星的地表我们没有看到海的痕迹。但是，7亿年左右世界岩浆被覆盖，早期海洋的痕迹有可能消失。这也是未来金星探查任务想解决的问题。 　　4.我国准备金星探查计划了吗。 　　答：我们现在正在进行一些前期的调查研究。这些调查研究想帮助未来的探查计划。如果中国要勘探金星，应该探测什么，需要做什么准备。主要是科学的构想。但是，具体的金星探查任务还没有进行。 　　5.那个有倾向性吗。是着陆机还是浮动平台。 　　答：根据目前的技术，着陆和浮动平台的难度会更大。可以让着陆机和携带的科学机器生存并运行，对陆地和科学负荷的设计要求非常高。如果是空中平台的话，地板和飞机本身也有很多要求。因此，今后10年，如果中国要勘探金星，也许会考虑以周回器为主，但也可以考虑带着有特色的探查器具，进行在其他国家从未做过的探查和进行过的探查。 　　报告人简介/ 　　赵宇是中国第一个火星探测任务的前期科研小组成员。长期从事行星地质环境的进化研究。近年来，他开始关注金星探查，参与金星探查科学问题的预研和论证等工作。 　　 　　“本文整理了《天芳夜潭》系列讲座的演讲内容，主讲是人均宇宙科学领域的杰出女科学家。这个讲座由国际宇宙科学研究所-北京（ISSI-BJ）主办，欢迎大家的关注。” 　　转载内容只代表作者的观点 　　不代表中科院物理所的立场 　　需要转载的话请联系原来的公众号 　　出典：中国国家天文 　　编辑编辑编辑：justiu