當(dāng)前熱訊：它曾是地球的“孿生星”，卻走向了完全不同的命運(yùn)

金星是太陽系內(nèi)的一顆類地行星，距太陽的平均距離約為 0.72 AU（1.08 億千米），公轉(zhuǎn)周期為 224.71 天。金星自轉(zhuǎn)方向?yàn)樽詵|向西，具有八大行星中最長的自轉(zhuǎn)周期（243 天）。在太陽系的八大行星中，金星被稱為地球的“孿生星” ，由于與地球的大小和密度接近，人們推測金星的初始物質(zhì)組成也與地球相近，但是基于僅有的探測數(shù)據(jù)，目前還無法下結(jié)論。

(相關(guān)資料圖)

金星與地球的大小對比

而現(xiàn)在，金星的表面環(huán)境與地球截然不同：大氣氣壓是地球表面的92倍；地面氣溫約為465°C，且全球較均一；汽車在金星表面也會融化，非常不適宜生命存活。金星擁有厚重的大氣層，主要由二氧化碳（96.5%）和氮?dú)猓?.5%）組成。約50千米高的云層中存在多種腐蝕性的酸性氣體。

然而，在36億年前，金星也曾經(jīng)于太陽系的宜居帶中，那時(shí)候的金星是否曾經(jīng)存在過海洋，孕育過生命？又是什么原因使得金星踏上與地球截然不同的演化路徑，變成了現(xiàn)在這般的煉獄？金星是地球的過去還是未來？這些問題是金星探測中最關(guān)鍵的科學(xué)問題。

金星表面被濃密的大氣所包裹，從軌道上難見地表真容

Part.1

探測金星

人類對地外行星的探訪是從金星開始的。自1961年蘇聯(lián)首次金星探測開始至 2021 年底，世界各國共發(fā)射了43顆金星探測器，其中蘇聯(lián)33次（成功 15次），美國 8 次（成功 6次），歐盟 1次（成功），日本 1次（成功）。任務(wù)類型以金星飛掠、環(huán)繞和大氣層進(jìn)入探測任務(wù)為主（33次），著陸任務(wù)（8次）和漂浮任務(wù)（2次）相對較少。任務(wù)集中在二十世紀(jì) 60-70 年代的美蘇太空競賽時(shí)期，21世紀(jì)以來，僅有歐空局的金星快車（Venus Express；2006-2014）和日本的拂曉號（Akatsuki；2015年順利入軌至今）兩次任務(wù)。拂曉號是目前唯一在軌運(yùn)行的金星探測器。

對金星開展探測的方式主要有地基觀測和金星探測器兩大類。地基觀測是探測器任務(wù)的重要補(bǔ)充，可觀測大氣組分、大氣動力學(xué)和金星地質(zhì)等。金星探測器又分為軌道探測、空中就位探測和地面就位探測任務(wù)三種。軌道探測相對而言技術(shù)最為成熟，軌道器在已有的金星任務(wù)中占絕對主體?？罩芯臀惶綔y是通過空中平臺（例如浮空氣球）和下降式探測器/探空器開展。地面就位探測著陸金星表面，可獲取金星地表物質(zhì)組成，大氣與地表的相互作用和地震等信息。但金星地表的嚴(yán)苛環(huán)境是探測器存活時(shí)間的主要制約?；诖婊顣r(shí)間，地面就位探測器還分為短壽命工作站（ 24小時(shí)）、可移動金星車（> 24小時(shí)）等類型。

拂曉號金星探測器

金星軌道器的優(yōu)勢是可以長時(shí)間、大尺度的觀測金星大氣與空間環(huán)境。21世紀(jì)以來，得益于歐空局的“金星快車”和日本的“拂曉號”的成功，人們獲得了大量珍貴的金星遙感探測數(shù)據(jù)，對金星大氣和氣候有了更加深入的了解。

金星快車的探測主要集中在云層及中高層大氣。它采用了與先驅(qū)－金星（Pioneer-Venus Orbiter）不同的軌道設(shè)計(jì)，得以進(jìn)入金星誘發(fā)磁層的不同區(qū)域，獲得了許多新的觀測和發(fā)現(xiàn)。金星快車的一些亮點(diǎn)成果包括：構(gòu)建了金星全球大氣環(huán)流模型；繪制了金星全球表面溫度圖、金星大氣的熱剖面和熱結(jié)構(gòu)、大氣化學(xué)組成剖面（CO、SO2、OCS、D/H比等），發(fā)現(xiàn)了新的大氣組分（O3和OH）；發(fā)現(xiàn)了金星低緯區(qū)域平均風(fēng)速持續(xù)增加；高空大氣中存在低溫層；地形引起大氣重力波特征以及深層云的特征等等。金星快車還發(fā)現(xiàn)了一些疑似正在活動的火山“熱點(diǎn)”。但整體而言，金星快車對地表的探測范圍和精度有限。

“金星快車”金星探測器

日本“拂曉號”的探測目標(biāo)集中在金星大氣和空間環(huán)境，對云頂至深層云進(jìn)行了精細(xì)探測。拂曉號刻畫了35-50 km深層云的形態(tài)；發(fā)現(xiàn)金星大氣中存在大尺度的弓形特征；赤道區(qū)域上方中低云層存在水平向的急流風(fēng)；無線電掩星實(shí)驗(yàn)獲得了40 km高度以上大氣溫度分布；發(fā)現(xiàn)上云層和中云層之間過渡帶附近存在小顆粒的厚層云；對云頂熱潮的觀測和模擬發(fā)現(xiàn)了熱潮對大氣超級旋轉(zhuǎn)的維持機(jī)制。

金星大氣垂直結(jié)構(gòu)示意圖

Part.2

在金星大氣下

雖然金星表面被厚厚的大氣包裹，但一些特定波長的電磁波仍然可以穿透大氣，對金星地表進(jìn)行觀測。

可穿透行星云層的電磁波波段示意圖

迄今為止，覆蓋最全精度最高的金星地形圖，源于美國麥哲倫號軌道器的雷達(dá)探測。

金星地表形貌特征

金星表面相對平坦，地貌可劃分為三類地質(zhì)單元：低地、平原和高地。大約80%的金星表面被光滑的火山平原覆蓋，其中70%的火山平原存在褶皺山脊，10%的火山平原或平滑或存在斷裂。兩塊高地占據(jù)了金星剩余的20%表面，一塊位于北半球（Ishtar Terra），另一塊位于赤道以南（Aphrodite Terra）。金星上最高山脈Maxwell Montes（最高峰高于金星平均半徑11 km以上）位于Ishtar Terra范圍內(nèi)。

金星表面典型形貌特征，包括放射狀巖墻、盾狀火山、熔巖流、蜘網(wǎng)狀構(gòu)造等

金星表面僅保留了約940個(gè)撞擊坑。有趣的是，金星撞擊坑小于30 km的撞很少，小于5 km的近乎缺失。同時(shí)，金星表面也缺乏大型撞擊坑?；诂F(xiàn)存的撞擊坑可以推斷金星在7.5億年左右發(fā)生了全球地表重塑事件。整個(gè)過程經(jīng)歷了約1億年。重塑事件抹去了更早的地質(zhì)記錄。這一全球重塑事件是災(zāi)變式還是緩慢平衡式的，目前尚不清楚。

此外，金星地表存在多樣的構(gòu)造特征?；钴S的火山活動形成了多尺度的構(gòu)造變形，最終形成與火山關(guān)聯(lián)的全球構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)。其中最特殊的是一種被稱為鑲嵌地塊（tessera）的地質(zhì)單元。它們是平原環(huán)抱的一些幾十千米的孤立塊，形如鑲嵌地板。在鑲嵌地塊內(nèi)不同方向的平行脊、斷裂、地塹交叉，伴隨少量的火山活動。鑲嵌地塊是當(dāng)前金星表面可能保存的最古老的地體，還可能與水的作用有關(guān)。未來，鑲嵌地塊將是金星探測的重要目標(biāo)。

裂谷類似于地球洋中脊；皺脊主要分布在低地；鑲嵌地塊跨越高變形區(qū)域，成份上可能類似地球大陸殼

與遙感探測相比，著陸探測更為艱難，數(shù)據(jù)也更少更珍貴。目前保持金星登陸存活時(shí)長記錄的仍然是蘇聯(lián)的“金星”（Venera）系列探測器，最長記錄為127分鐘。

蘇聯(lián)“金星”著陸器降落在金星表面的藝術(shù)假想圖（閃電與硫酸雨）

所有的著陸器都落在金星的火山平原區(qū)。從傳回的照片上可見金星地表沒有液態(tài)水也沒有植被，只有散落出露的巖石。著陸器測量了地表的物質(zhì)組成，這些成分測量不但數(shù)量極為有限且誤差較大，甚至缺乏某些關(guān)鍵元素?cái)?shù)據(jù)（比如鈉），但這些測量依然是金星物質(zhì)成分的主要依據(jù)，特別在缺乏金星隕石或返回樣品的情況下。

蘇聯(lián)金星9號和13號任務(wù)拍攝的金星著陸點(diǎn)地表影像

Part.3

那里有“生命”嗎？

由于與地球潛在的相似性，金星地表或大氣中是否存在生命物質(zhì)是國際學(xué)界的長期關(guān)切。相關(guān)的假說有兩個(gè)。一個(gè)假說是早期金星地表具有溫和氣候和液態(tài)海洋，直至溫室效應(yīng)逐漸失控，所有的水蒸發(fā)進(jìn)入大氣并逃逸。這一假說尚無證據(jù)支持；有模型指出金星可能從未存在過液態(tài)海洋。一個(gè)假說是指，現(xiàn)代金星云層中存在宜居帶，這里存在有適宜的溫壓條件（~60°C，1個(gè)大氣壓），微米級的氣溶膠對宇宙射線或紫外線有屏蔽作用可以保護(hù)生命的存在。

金星表面宜居環(huán)境的假說

（左）溫室效應(yīng)失控前，金星可能是一個(gè)宜居星球的假說示意圖。

（右）存活于金星云霾層間的嗜熱-超嗜酸微生物循環(huán)假說示意圖。

2020年9月，有研究團(tuán)隊(duì)在《自然-天文》期刊發(fā)表論文，宣布利用地基射電望遠(yuǎn)鏡在金星云層的某個(gè)高度檢測到磷化氫（PH3），有可能是生命存在的間接證據(jù)，引起巨大的轟動和爭議。焦點(diǎn)集中在觀測數(shù)據(jù)的多解性，并且即使信號真的源于磷化氫，也無法排除其它非生命的來源。但無論如何，這些新的探測與爭議，都標(biāo)志著金星成為國際行星和空間生命探測與研究的新熱點(diǎn)，成為國際科技競爭的重要領(lǐng)域。

金星探測雖然歷經(jīng)多年，目前仍處于關(guān)鍵數(shù)據(jù)的積累階段，有著諸多的觀測空白亟待填補(bǔ)。例如，金星大氣99%的質(zhì)量聚集在對流層，特別是28 km以下，但是從地表至12 km高度的金星深層大氣目前缺乏直接探測數(shù)據(jù)?；诶走_(dá)對金星地形的探測在麥哲倫任務(wù)之后一直處于停滯狀態(tài)，而已有的金星雷達(dá)探測分辨率為百米量級，精度僅相當(dāng)于20世紀(jì)70年代的火星任務(wù)，無法實(shí)現(xiàn)更加細(xì)微的金星地貌識別與分類，特別是無法對金星表面進(jìn)行地質(zhì)過程尺度的分析和研究，嚴(yán)重制約了對金星地表關(guān)鍵區(qū)域和金星地質(zhì)演化的認(rèn)識。金星大氣的就位探測（特別是大氣元素同位素測量）以及對鑲嵌地塊的精細(xì)遙感探測甚至就位探測等，都給未來金星探測任務(wù)提出了明確又迫切的需求。

未來金星任務(wù)的雷達(dá)探測可實(shí)現(xiàn)的空間分辨率與麥哲倫號對比

Part.4

走，去金星

2021年6月，美國航天局和歐空局分別批準(zhǔn)了前往金星的新任務(wù)——“真相（VERITAS）”任務(wù)、“達(dá)芬奇+（DAVINCI+）”任務(wù)和“展望（EnVison）”任務(wù)。此外，俄羅斯、印度也已提出并積極推進(jìn)各自的金星探測任務(wù)。國際金星探測與研究即將迎來新一輪熱潮，地球?qū)\生星的神秘面紗將被逐漸揭開。

“真相”任務(wù)和“達(dá)芬奇＋”是兩個(gè)高度互補(bǔ)的任務(wù)，計(jì)劃2030年左右發(fā)射。其中“真相”號全稱是“金星發(fā)射率、無線電科學(xué)、干涉合成孔徑雷達(dá)、地形學(xué)和光譜學(xué)”任務(wù)。主要科學(xué)目標(biāo)是生成金星全球高分辨率地形圖和影像，制成一系列金星全球圖鑒，包括變形、表面組成、熱發(fā)射和重力場圖。試圖探測金星是否擁有古老的水環(huán)境，及當(dāng)前的火山活動是否僅限于地幔柱區(qū)域或是有更廣泛的分布?！斑_(dá)芬奇+”任務(wù)全稱是“金星深層大氣稀有氣體、化學(xué)和成像”任務(wù)，通過下降式探測器，在下降的63分鐘過程直接測量金星大氣的組成，測量稀有氣體、痕量氣體及其同位素組成，測量金星大氣的溫度、壓力、風(fēng)速。在到達(dá)地面之前，探測器還將拍攝金星鑲嵌地塊影像，以探究其起源及構(gòu)造、火山和風(fēng)化歷史。

“展望（EnVison）”號計(jì)劃 2032 年發(fā)射，是一個(gè)基于軌道的金星地表高分辨率雷達(dá)測繪和大氣研究任務(wù)?？茖W(xué)目標(biāo)是尋找活躍的地質(zhì)過程，測量與活躍火山作用有關(guān)的地表溫度變化，表征區(qū)域和局部地質(zhì)特征，確定地殼支撐機(jī)制并制約地幔和核心特性，基于軌道的金星地表高分辨率雷達(dá)測繪和大氣研究任務(wù)，能檢測厘米級的地表變化，表征火山和構(gòu)造活動，估算風(fēng)化和地表蝕變的速率。地下雷達(dá)測深儀將繪制區(qū)域次表層約 100 m 深之內(nèi)的斷層、 地層和風(fēng)化情況，識別結(jié)構(gòu)關(guān)系和地質(zhì)歷史。

俄羅斯“金星D”（Venera-D）任務(wù)概念處于籌備階段，標(biāo)志著俄羅斯重返金星的決心。“金星D”任務(wù)概念幾經(jīng)修改，目前基線任務(wù)由一個(gè)軌道飛行器和一個(gè)短壽命（2-3小時(shí)）維加式著陸器組成。除基線任務(wù)外，還有一系列潛在要素處于論證中，例如氣球、子衛(wèi)星、長壽命（24小時(shí)）地面站等。還提出將于2029-2034年分三次從金星采樣返回。

除此之外，其他行星際探測任務(wù)在金星重力輔助階段也可對金星開展探測。這些任務(wù)包括美國航天局派克太陽探測器（Parker Solar Probe），歐空局的太陽環(huán)繞器(Solar Orbiter)和木星冰月探測器(JUICE)。

問答環(huán)節(jié)/

1. 報(bào)告里提到金星著陸器存活的時(shí)間最長只有兩小時(shí)左右。金星表面的溫度和壓力看起來還不是非常極端的值。那使得著陸器存活時(shí)間很短的主要原因就是溫度和壓力嗎？還有沒有其他原因？

答：主要就是金星地表溫度和壓力的原因。金星表面的環(huán)境有點(diǎn)像高壓鍋。而電子器件和科學(xué)儀器在工作的時(shí)候首先要降溫，保證不過熱，但在金星環(huán)境下難度很大。在探測火星時(shí)一些長時(shí)間工作的儀器通常選擇在夜晚工作，不需要額外的降溫方法。相比之下，金星持續(xù)高溫，對電子器件和線路的設(shè)計(jì)都提出了更高的要求。

2. 金星與地球大小差不多，為什么地球有月球但金星沒有？

答：這是一個(gè)很好的問題，但目前我們還不知道。月球的確切成因至今還不清楚，但大家認(rèn)為比較能夠接受的是大碰撞起源——在原始地球形成的初期，被一個(gè)像火星那么大的天體撞擊，之后重新演化形成了現(xiàn)在的地球和月球。金星可能沒有經(jīng)歷這樣的過程，這對金星的演化可能也有很大的影響。與地球?qū)Ρ?，金星可能是一個(gè)反面的例子，就是沒有大的天然衛(wèi)星是不是會走向另一個(gè)演化路徑。

3. 金星表面是什么時(shí)候變得這么炎熱的？為什么金星在開始沒有海洋？

答：這個(gè)問題也是我們不知道的，目前都還是猜測。我們推測金星剛剛形成的時(shí)候（最初的一億年）可能跟地球是很像的。但實(shí)際上是不是這樣，還不清楚。從現(xiàn)在的金星地表我們沒有看到海洋的痕跡。但也有可能是因?yàn)?億年左右全球巖漿覆蓋，把早期有海洋的一些痕跡抹去了。這也是未來金星探測任務(wù)想要去解決的問題。

4. 我國有沒有在準(zhǔn)備金星探測計(jì)劃呢？

答：我們現(xiàn)在正在做一些前期的調(diào)研，這些調(diào)研就是希望幫助未來的探測計(jì)劃，如果中國要去金星探測，應(yīng)該去探測什么，要做哪些準(zhǔn)備。主要是科學(xué)方面的設(shè)想。但具體的金星探測任務(wù)暫時(shí)還沒有。

5. 那有沒有傾向性，就是著陸器還是浮空平臺這一類？

答：以現(xiàn)在的技術(shù)來說，著陸和浮空平臺難度會更大一些。保持著陸器和所攜帶的科學(xué)儀器能存活和工作，對著陸器和科學(xué)載荷的設(shè)計(jì)要求非常高。如果是空中平臺，也同樣對浮空器或飛行器本身有許多要求。所以未來十年，如果中國要探測金星的話，可能還是考慮以環(huán)繞器為主，但可以考慮攜帶一些有特色的探測儀器，去做別的國家沒有做過或做到的探測。

報(bào)告人簡介

趙宇鴳博士，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)中心，中國科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心，副研究員；中國首次火星探測任務(wù)預(yù)先科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成員。長期從事行星地質(zhì)環(huán)境演化研究。近年來關(guān)注金星探測，參與金星探測科學(xué)問題的預(yù)研和論證等工作。

標(biāo)簽： 金星表面 金星大氣