互动科普

由轨道飞行器和探测器两部分组成的“先驱者一金星”用了14时间来仔细考察这颗离地球最近的行星的大气、云层和近太空环境。研究结果阐明了金星和地球极为不同的演化历程。

有时人们会把金星称作地球的“孪生兄弟”，因为它的大小以及距太阳的远近与地球的情况相似。国家航空航天局的“先驱者一金星”考察任务通过l4年的飞行，终于揭示出这两个世界间的关系更加类似于杰克尔博士和海德先生之间的情况(杰克尔和海德是英国作家Robert Louis Stevenson的小说“杰克尔博士和海德先生”中的主人公，今喻差异极大的双重人格——译者注)。金星的表面在一层稠密的二氧化碳大气下炙烤着，在其上的云层中含有有毒的硫酸，该行星上磁场的缺乏使它的上层大气暴露在来自太阳的持续不断的带电粒子雹中。1992年10月，我们考察恶劣金星环境的机会突然结束了当时“先驱者一金星”轨道飞行器Pioneer Vernus Orbiter)在浓密的金星大气中象流星一样烧毁了。这艘宇宙飞船的消亡标志着美国太空计划中一个时代的结束。在目前财政紧缩的情况下，没人能说清楚人类何时才能再有机会好好地观察我们地球的这位行星近邻。

“先驱者—金星”发现的信息弥补了最近由麦哲伦(Magellan)号宇宙飞船发回的广为人知的雷达图像的不足。麦哲伦号致力于金星表面形状和内部结构的研究。相比之下，“先驱者金星”则是收集有关金星大气和行星际环境的成份和动态变化的数据。这些发现说明了一些在物理条件方面看似微小的差异如何使金星和地球走上了完全不同的演化轨道。这类知识将帮助科学家们理智地评估人类活动可能会怎样地改变地球的环境。

    “先驱者—金星”包括轨道飞行器和金星探测器两个飞行器。金星探测器上带有四个探测器(一个大型探测器和三个较小的相同探测器)，它们是用于穿入金星大气层，并将沿途各处有关大气情况的数据资料发回地球。轨道飞行器上载有许多仪器设备，可用来检测金星上层大气和电离层(大气层和外层空间之间的带电层)的化学成分和物理性质。

金星探测器于1978年8月发射，同年12月9日到达金星。在它到达之前的第24天，它放出了那个大型探测器，5天之后，它放出了其余的三个较小探测器以开始它们独立的旅程。这四个探测器是分别从高纬度和低纬度，向阳侧和背阳侧接近金星的。以这种方法释放的探测器在下降过程中发回的信息可使科学家们组成一幅有关金星大气构造的综合画面。

轨道飞行器于1978年5月就已离开地球，但它的运行轨道比探测器的要长得多．所以它于同年12月4日才到达金星，仅比后者早五天。那时，这艘宇宙飞船进入了一个极为偏心的轨道，该轨道离金星表面的最近距离在150到200公里以内，最远的距离则达66900公里。在轨道飞行器与金星最为接近的时候，它上面的仪器蓖对金星上的电离层和上层大气直接进行取样分析。12小时之后．飞行器将退到离金星足够远的地方，因而飞船上的遥感设备能够获得金星全貌的图像，并对其近太空环境进行测量。

太阳的引力使探测器的轨道发生改变。从1986年开始，太阳引力使轨道飞行器前所未有地以接近金星的轨迹运行。当“先驱者—金星”轨遭飞行器的推力器燃料耗尽时，它每一次绕轨运行后都更深地进入金星大气层，直至最后化为灰烬。

在“先驱者—金星”轨道飞行器和探测器到达金星以前，天文学家们就已经知道，金星与其所谓地球“孪生兄弟”形象相去甚远。地球为液态水和生命保持着理想的存在条件．而金星则是行星中的地狱。其表面温度高达摄氏450度．比铅的熔点还高。表面的大气压力是地球上海平面处的大约93倍。

除去高温和高压之外，金星上的空气也是完全不宜人类呼吸的。地球大气中有大约78％的氮和21％的氧。相比之下．金星上的大气要浓密得多，且几乎完全由二氧化碳构成。氮是居第二位的气体，但仅占气体分子的3.5％左右。两个行星上氮的总量相近．但金星大气中所古二氧化碳却是地球大气的30000倍。事实上，地球上的二氧化碳总量是可以与金星大气中的匹敌的。不过在地球上，二氧化碳是被固定在碳酸盐岩石中的，而不是以气态存在于大气中，这一关键性差别造成了两个行星间许多环境上的显著差异。

“先驱者一金星”的大型大气探测器携带了质谱仪和气相色谱仪，以便测量金星大气的确切组分。金星大气令人最为吃惊的一个方面是它的极端干燥。它的水份只有地球大洋中的十万分之一。如果能够以某种方式将金星上所有的水聚集到其表面上，那么这些水只能在这个星球表面形成两厘米深的薄薄一层。

与地球不一样的是，如果金星的低层大气中存在任何氧气分子的话，它的数量也是微乎其微的。地球大气中丰富的氧是植物进行光合作用的副产品。如果不是由于这种生命活动，地球大气中的氧也将是贫乏的。金星大气中的含硫气体，尤其是二氧化琉比地球上的丰富得多。在地球上，雨水将相似的含琉气体从大气中有效地除掉了。

由“先驱者金星”探测出的金星大气中的微量元素为行星的内部发展史提供了线索。例如，由放射性钾40衰变产生的惰性气体氩40凡乎出现在所有岩石中，随着金星内部的循环，深层岩石中的氩40活动到表面并进入大气，在大气中永远地积聚起来。“先驱者_金星”在

金星大气中发现的氬40比地球上存在的要少得多。这种量上的悬殊反映了每一颗行星将物质和热量由内部输送到表面的方式上的巨大差异。最近麦哲伦号”发现了金星上早期广泛存在火山活动的证据，但是没有发现使地球表面在地质上保持活跃和年轻的那种板块构造方面的迹象。

“先驱者-金星”还揭示出金星在其他许多方面也显得比地球原始。从行星出现开始，金星大气中所含的惰性气体(特别是氖和氩的其他同位素)的浓度就要高一些。这一差异表明，金星保留了更多的早期大气。地球上大部分早期大气可能已在我们的世界被火星大小的天体碰撞时消失在太空中了。目前许多行星科学家认为，月球就是由这种巨大的冲击所产生的碎片云形成的。

金星上稠密的、主要成分为二氧化碳的大气直接造成了其表面上荒凉的状况。在月球这类无空气天体上,表面温度只取决于表面吸收的太阳,光与表面散发回太空的热量之间的平衡。大气层的存在使问题复杂化了。大气层会阻挡一些太阳光到达表面并帮助向上输送热量。但更为重要的是，大气中的气体吸收了来自地面的红外(热)辐射，并将其重又辐射回去，因此而造成的地面变暖被称作“温室效应”,因为大气层的作用就好比一个温室:太阳光能透人，但红外线则不能散射出去，从而造成温度的上升。

温室效应的强度取决于大气中的气体截留红外辐射的彻底程度。地球上首要的温室气体二氧化碳和水蒸汽吸收了红外光谱的补充部分。从理论上讲，在空气中多增加一些这类气体,就将增强温室效应，这就是人们担心人类活动释放出的二氧化碳会对气候产生影响的原因。地球上的大气对波长在8到13微米之间的红外线而言是透明的，尽管臭氧、甲烧、氟利昂和其他气体会吸收这一波段中的一小部分。大气温室中这一打开的“窗户”限制了地球能够变暖的程度。“先驱者一金星”证实了温室效应在金星上的作用更加充分。从四个大气探测器上发回的数据使研究人员能够构建一个与各种高度观测到的大气温度密切匹配的数学模型。从这个模型上，我们可以推导出二氧化碳是金星上最为重要的产生温室效应的气体，而它的作用由于水蒸气、云、二氧化硫和一氧化碳的存在还进一步有所增强。金星大气中各种气体和颗粒混合在一起，实际上挡住了所有波长的热辐射，阻止了热量逸入太空，从而产生出灼热的表面温度。这些结果强调表明了更多地了解人类活动造成的温室效应气体将如何影响世界气候是极为重要的。

长期以来，天文学家一直想知道与地球相比，金星何以会变得如此炎热，如此干燥的，尤其是考虑到地球和金星发展伊始可能是由相似成分构成的。根据现在的理论，这两颗行星是与小型天体相撞并将它们吸收积聚而成的。在这一过程中，每一原始行星都有可能把一些小碎片抛射散布到跨越其他原始行星路径的轨道中去。因此，即使在最初的太阳系中水分布极不规则的情况下，地球和金星也能积累起相当多的含水丰富的天体。两颗行星上数量大致相等的二氧化碳和氨就支持了它们曾经拥有相近数量的水这种说法。

年轻的地球和金星迅速演化出稠密的大气层，它们的组分包括内部排出的气体，以及冰覆盖的冲击天体的蒸发物。地球大气中的水凝聚到湖泊和海洋中，这对地球的气候演变十分关键。空气中的大部分二氧化碳被迅速结合到固态碳酸盐中，当岩石在有液态水存在下发生化学风化时，这一过程便出现了。

金星在其青年时代可能也曾有过广阔的海洋。初期的太阳比起其现在的状况来要暗淡30％左右，因此，金星上的温度肯定要远远低于水的沸点。(金星轨道离太阳的距离是地球的0.72倍。)不过，随着太阳的日渐明亮，金星的表面温度终于超过了水的沸点。从那以后，火山散发或是天体碰撞带进金星大气的二氧化碳再也不能通过化学风化作用从大气中被除去。随着二氧化碳在大气中的积累，温室效应愈发增强。最终结果就是今天这种火热的、二氧化碳占统治地位的金星世界。

海洋蒸发后，金星大气中应该充满了水蒸气——这与我们所获的数据形成了鲜明的不同。所有这些水都跑到哪里去了?

先驱者—金星”帮助我们回答了这一问题。这艘宇宙飞船用各种资料证明了甚至目前金星仍在继续丧失水份。在云层顶部徘徊的水分子与太阳辐射和其他分子发生反应。在这一过程中，水分子分解成氧元素和氢元素。轻一些的氢原子通过与上层大气中的高能原子或是与太阳风(从太阳发出的一种带电粒子流)相互作用，逃逸到太空中。剩下的氧原子也许会和表面上的矿物结合，或者也同太阳风相互作用，逸入太空。

几十亿年前，金星上层大气中所含的水份比现在要多得多。这两个因素都大大地加快了金星上的水被分解和逸入太空的速度。计算结果指出，在太阳系45亿年的生命历程中，金星失去的水可能与地球上海洋中存在的水一样多。

地球因其温和适中的地表温度，从未经历过如此严重的水份丧失。地球上的水大都保持在地面或低层大气层中；只有少部分到达上层大气，在那里可能会永远消失。相形之下，一旦金星的海洋沸腾了，金星的大气层会变得更热，从而驱使越来越多的水蒸气进入大气层顶部。

然而仍会有部分水遗留下来。“先驱者—金星”观测到的金星上层大气情况表明，金星目前每秒钟丧失大约5X1025个氢原子和氢离子。以这种速度进行，大气层中所有水份将在太约2亿年间消失殆尽。但金星的寿命却是这个数字的20倍，说明金星上必然有某种机制能够补充这种持续丧失下去的水份。这种水份有可能是来自外部源泉(如与金星碰撞的彗星和冰覆盖的小行星)和内部源泉(通过火山喷发或更为广泛直接的方法将气体输送至表面)两者。不过，对金星上水份丧失的了解迄今仍很肤浅，“先驱者—金星”实际上仍有可能观测到过去曾含水丰富的金星大气中的最后一点水份。

尽管金星上缺水。但它仍覆盖着厚厚的云层，使常规望远镜无法窥视其表面。这些云的性质几个世纪以来天文学家对此一直很感兴趣。到“先驱者—金星”考察任务付诸实旅之时，行星科学家们已收集到有力证据，说明云层主要是由浓缩硫酸溶液和水组成的。不过，他们无法确定生成这些云层微粒的硫是从哪里来的。

“先驱者—金星”最终解决了这个问题。在其轨道飞行器围绕金星运行时。它用紫外线分光仪仔细检查了云层的顶部，分光仪能够识别不同原子和分子的特征吸收和发射图形。大型探测器上的气相色谱仪也测量了主云层之下区域中的大气成分。这些研究的结果表明。云层中的硫酸来源于大气中的二氧化硫。

在离表面大约65到7O公里的云层上部附近，来自太阳的紫外线把二氧化硫分解成分子碎片(称作原子团)。这些原子团与水的原子，因经历了一系列的化学反应，最后产生出硫酸微滴。重力和气流使这些微滴向下降落。随着它们的下降，它们相互猛撞，并从空气中吸收硫酸蒸汽，从而越来越大。在云层底部和底部之下，硫酸微粒重新离解成二氧化硫和水蒸气。

先驱者—金星”探测器上的仪器在蛆到30公里高度之间(刚好在云层底部之下)探测到微小的颗粒(直径不到千分之一毫米)。大气运动把这些颗粒与硫酸蒸气—起带到更高更冷的高度。在那里，硫酸迅速凝结到微粒上，产生出大得多的云的颗粒。聚集到云层底部。这些颗粒的密度在云层下部的不同区域各有区别，大概是因为上升气流与下降气流运动不规则的缘故吧!

“先驱者—金星”的一项观察结果引出了极大的兴趣与矛盾。在探测金星硫化学物质的过程中，轨道飞行器曾发现接近云层顶部处二氧化硫浓度有明显迅速的降低。部分研究人员把这一测量结果看作是“先驱者—金星”抵达金星时刚好有一次巨大的火山喷发将硫喷入大气的证据—一个金星上可能存在活跃的不时喷发的火山的撩人迹像。—旦火山喷发停止，硫的含量就会象观测到的那样开始下降。其他研究人员则提出，这种组分上的变化有可能是大气循环正常变化产生的结果。这一问题至今仍悬而未决。

尽管“先驱者—金星”无法解决这一有关二氧化硫的难题，它还是提供了关于金星大气循环的其他引人入胜的详情。这些信息对想了解大气动力学的科学家们具有很高的价值，因为它表明了在一颗与地球在许多关键方面均存在差异的行星上，天气模式是如何运行的。

金星的自转极其缓慢：地球转完243圈的时间金星才能转完一圈。除此之外，由于金星大气极其稠密，其表面温度从赤道到两极几乎相同。因此，人们可以自然地猜想。金星上的风肯定是非常微弱的。

“先驱者—金星”却证实了这一猜想是错误的。在地球上，低纬度地带的风速比起表面的自转速度来要慢得多，而高纬度地区的风速则会超过地表自转速度，这种情况就是所谓的超自转。金星的大气在从其表面附近到离表面至少90公里处之间在所有纬度和所有高度处均存在着超自转。在云层顶部附近达到巅值风速，在那里风速能达到每秒100米。这个速度大约是其表面自转速度的60倍。

在地球和其他类地行星的大气中，风是由进入和逸出的太阳能在该地区存在的量上的不平衡性所驱动的。一般说来，低纬地带接受了大部分太阳光，造成温度升高，而高纬地带接受的太阳能少，造成温度下降。结果。大气中就产生了大尺度的环流，称为哈得来环流。在这种环流中，热空气在赤道附近上升并向两极流动。在那里它下降并流回赤道。

不过，行星的绕轴自转使由北向南的(径向)风偏向，从而产生东西向(纬向)风。令人吃惊的是。纬向风最终几乎都会变得比其源泉南北风强得多。在地球上，哈得来环流在低纬地区的大气运动中占据着统治地位。接近赤道的纬向风运动速度低于地球的自转速度(因而称
作东风带)：接近两极的风形成超自转西风带。达到极点时形成快速流动的喷流。金星上纬向风的奇特之处在于，在低层大气中它们在几乎所有的纬度上都达到超自转。

即使在目前，行星科学家仍然没能完全理解为什么金星的低层大气全都达到超自转。大部分太阳能都被云顶附近的高层大气所吸收，大概就是这种太阳能形成了高速的风。高空大气的升温可能会建立一个与地球相比受与地面的摩擦作用影响更小的环流系统。因此，金星大气中极易形成能够有效传递动量的涡流。这种涡流能够降低哈得来环流阻止在低纬地区形成超自转的能力。“先驱者—金星”轨道飞行器拍摄的云图提供了风中存在小尺度涡旋状变体的证据。

在金星大气的超自转层之上是电离层。它是由带电原子和分子，亦即离子构成的广大区域。离子是在来自太阳的高能紫外线碰撞电子使之脱离大气层气体的时候产生的。每一颗有大气存在的行星都拥有电离层。但金星的电离层有许多与众不同的特性。

“先驱者—金星”轨道飞行器监测到了通过电离层的无线电波，并在接近金星时直接测量到它的温度、密度和化学成分。正如人们猜想的那样，金星的电离层在赤道附近向阳半球的中心处最为稠密，在那里入射太阳光最接近直射。由于粒子间有大量化学反应发生，金星的电离层主要由氧离子构成，即使是在主要是由二氧化碳气体构成的较低电离层中情况也是如此。

与地球和其它大多数行星不同，金星没有值得注意的磁场，其原因至今未能完全知晓。磁场的缺乏明显地影响了金星电离层的结构。轨道飞行器探测到一延伸至昼夜交界面之外的弱电离层。这一结果令人极感兴趣。因为在无阳光照射情况下。离子和自由电子会迅速地重组为不带电的中性原子。轨道飞行器上的一种仪器发现在金星上，向阳面的离子能够迁移到背阳面去。在地球上，电离层中的地球磁场抑制了这种水平流动。

从轨道飞行器上的紫外线分光仪获得的金星紫外辐射图像中，发现在金星背阳的半球上有一种前所未知的补钉状极光。科学家们把这种极光的生成归因于高能粒子，大概是速运动的电子撞入了背阳面的大气中。当这些粒子碰撞大气中的气体分时。将这些分子激活并发生电离，从而进一步形成背阳侧的电离层。激活分子通过发出辐射而很快回到其正常的低能态。这种辐射的表现形式就是极光。

地球上极光的产生也是同样的道理。导致在金星上形成极光的粒子其能量是来自太阳风。太阳风是太阳延伸得很远的稀薄外层大气。它由等离子体，亦即带电粒子(主要是质子和电子)构成，以高速从太阳向外行进。在金星轨道上，太阳风的密度为每立方厘米l5个质子和电，速度为每秒400公里。在太阳风吹过行星时．它带有一部分太阳磁场。

地球和其他行星周围的内部磁场起阻碍带电的太阳风的作用。太阳风沿着—个表面(磁层顶)绕着这些磁场流动，在这个面上太阳风压力与相反方向的磁场压力相等。太阳风的偏转程度取决于行星的磁场强度。金星完全没有磁场，对太阳风造成阻碍的应该只有行星本身。

然而，轨道飞行器发现，太阳风等离子体明显地绕着金星发生了偏转。这一发现证实了理论上的预言：即行星的电离层即使在不存在真正磁场的情况下也能有效地阻挡太阳风。与磁场一样，电离层在太阳风上施加压力，但在我们讨论的这种情况下，它是抵销太阳风压力的带电气体的热压。平均而言，平衡点位于金星午间赤道附近300公里和昼夜交界处上方800到1，000公里高度处。

太阳风围绕大障碍物(比如行星)流动发生的偏转是在“弓形激波”之后，这种弓形激波是一种与在超音速飞机前面形成的搬波十分相似的强烈变化界面。在“先驱者一金星”轨道飞行器的大部分工作寿命中，它每转一圈都要穿越这个弓形激波两次，从而能够监测围绕金星的磁性环境中的连续变化。该飞行器发现，这道弓形激波的扩展与收缩同周期为11年的太阳活动保持着同步。弓形激波在昼夜交界平面上的半径在太阳活动最强时的14500公里左右，和最弱时的12500公里左右之间变化这种扩大和收缩也许是与太阳不断改变的辐射量有关的金星上层大气变化的结果。

在弓形激波的后面，太阳风变得更稠密，流动速度减慢，方向改变。磁场线凝固在太阳风中，因为它完全被电离了。在太阳风通过激波之后，凝固的行星际磁场才重又积聚拢来。

“先驱者—金星”测绘出了围绕金星的大尺度行星际磁场的几何形状。这些数据给人这样一种印象，磁场线最终还是绕过了金星，并滑入它在太阳风中造成的尾迹。研究人员把这种尾迹结构称作感生磁尾，因为它是来自行星际磁场，而不是像地球自己的，大得多的磁尾一样来自星球本身的磁场。

因为金星缺乏明显的内部磁场，比起地球来，它与太阳风的相互作用更为直接。在太阳系存在的年代里，这种相互作用影响了金星的大气层。氧原子占主要地位的上层大气远远延伸到了太阳风沿金星转的点之上。只要这种气体不带电，它就基本不受太阳风等离子体的影响。如果氢原子受到紫外线的照射，或者与太阳风中的粒子发生碰撞，就能使它发生电离。氧离子与流过的等离子体耦合，后者就能将其带离金星，带到太阳系之外。

“先驱者—金星”轨道飞行器上携带的仪器证实，太阳风的确是清除了金星的外层大气。金星电离层密度的测量数据表明，最上层大气—太阳风障碍推断高度之上的大气层——看来已经消失。显然，产生在障碍高度之上的离子已经以上文所述方式被带走了。轨道飞行器也探测出氧离子在太阳风中仍在向后逃逸。实际上，“先驱者一金星”已拍下了金星发展成一个完全不同于地球的世界的过程之一的一幅快照。

“先驱者—金星”所带来的广博数据档案，是科学家们研究金星大气和近太空环境的绝佳资源。考虑到接下去再也没有任何国家有到金星考察的计划，这些数据的确是非常宝贵的。目前，在所有发达国家里，重大基础科学研究项目都面临资金紧张的困境。不过，“先驱者一金星”提出的多个使人感兴趣的问题已经激发起人们重新研究地球这位云遮雾盖的邻居的兴趣。

即使是花费相对较少的金星考察飞行，也能得出很多宝贵的结果。例如，一个简单的化学成分探测器，也能阐明金星不同高度大气层的化学性质。在金星周围同时布署一系列小型飞行器能够得出更加清晰的金星全球天气型式图。一个专门的轨道飞行器能够携带搜寻闪电暴雨以及更为详尽地测量逃离金星的离子和原子的仪器。这些科学目标可能会在国家航空航天局领导下的一系列即将实麓的短时问低成本“发现者号辍”行星探测计划中达到。对金星上全球坏境更为透彻的了解本身就可以看作是—个值得努力的目标。它也能在有关地球环境特征和为使地球继续适宜人类居住而使各种物理过程如何保持微妙平衡方面为人们提供正确观察事物的远见。诸如“先驱者一金星”之类的行星考察任务清楚说明地球是太阳系中独一无二的一个地方。为了这个理由，为了满足人类探索的基本愿望，我们希望这类任务能继续在美国和其他国家得到各方面的支持。

 [郭敏译 张昭祥校]