它曾是地球的“孪生星”，却走向了完全不同的命运
来源： 中国国家天文 发布时间：2022-06-17
金星是太阳系内的一颗类地行星，距太阳的平均距离约为 0.72 au（1.08 亿千米），公转周期为 224.71 天。金星自转方向为自东向西，具有八大行星中最长的自转周期（243 天）。在太阳系的八大行星中，金星被称为地球的“孪生星” ，由于与地球的大小和密度接近，人们推测金星的初始物质组成也与地球相近，但是基于仅有的探测数据，目前还无法下结论。
金星与地球的大小对比
而现在，金星的表面环境与地球截然不同：大气气压是地球表面的92倍；地面气温约为465°c，且全球较均一；汽车在金星表面也会融化，非常不适宜生命存活。金星拥有厚重的大气层，主要由二氧化碳（96.5%）和氮气（3.5%）组成。约50千米高的云层中存在多种腐蚀性的酸性气体。
然而，在36亿年前，金星也曾经于太阳系的宜居带中，那时候的金星是否曾经存在过海洋，孕育过生命？又是什么原因使得金星踏上与地球截然不同的演化路径，变成了现在这般的炼狱？金星是地球的过去还是未来？这些问题是金星探测中最关键的科学问题。
金星表面被浓密的大气所包裹，从轨道上难见地表真容
part.1
探测金星
人类对地外行星的探访是从金星开始的。自1961年苏联首次金星探测开始至 2021 年底，世界各国共发射了43颗金星探测器，其中苏联33次（成功 15次），美国 8 次（成功 6次），欧盟 1次（成功），日本 1次（成功）。任务类型以金星飞掠、环绕和大气层进入探测任务为主（33次），着陆任务（8次）和漂浮任务（2次）相对较少。任务集中在二十世纪 60-70 年代的美苏太空竞赛时期，21世纪以来，仅有欧空局的金星快车（venus express；2006-2014）和日本的拂晓号（akatsuki；2015年顺利入轨至今）两次任务。拂晓号是目前唯一在轨运行的金星探测器。
对金星开展探测的方式主要有地基观测和金星探测器两大类。地基观测是探测器任务的重要补充，可观测大气组分、大气动力学和金星地质等。金星探测器又分为轨道探测、空中就位探测和地面就位探测任务三种。轨道探测相对而言技术最为成熟，轨道器在已有的金星任务中占绝对主体。空中就位探测是通过空中平台（例如浮空气球）和下降式探测器/探空器开展。地面就位探测着陆金星表面，可获取金星地表物质组成，大气与地表的相互作用和地震等信息。但金星地表的严苛环境是探测器存活时间的主要制约。基于存活时间，地面就位探测器还分为短寿命工作站（ 24小时）、可移动金星车（> 24小时）等类型。
拂晓号金星探测器
金星轨道器的优势是可以长时间、大尺度的观测金星大气与空间环境。21世纪以来，得益于欧空局的“金星快车”和日本的“拂晓号”的成功，人们获得了大量珍贵的金星遥感探测数据，对金星大气和气候有了更加深入的了解。
金星快车的探测主要集中在云层及中高层大气。它采用了与先驱－金星（pioneer-venus orbiter）不同的轨道设计，得以进入金星诱发磁层的不同区域，获得了许多新的观测和发现。金星快车的一些亮点成果包括：构建了金星全球大气环流模型；绘制了金星全球表面温度图、金星大气的热剖面和热结构、大气化学组成剖面（co、so2、ocs、d/h比等），发现了新的大气组分（o3和oh）；发现了金星低纬区域平均风速持续增加；高空大气中存在低温层；地形引起大气重力波特征以及深层云的特征等等。金星快车还发现了一些疑似正在活动的火山“热点”。但整体而言，金星快车对地表的探测范围和精度有限。
“金星快车”金星探测器
日本“拂晓号”的探测目标集中在金星大气和空间环境，对云顶至深层云进行了精细探测。拂晓号刻画了35-50 km深层云的形态；发现金星大气中存在大尺度的弓形特征；赤道区域上方中低云层存在水平向的急流风；无线电掩星实验获得了40 km高度以上大气温度分布；发现上云层和中云层之间过渡带附近存在小颗粒的厚层云；对云顶热潮的观测和模拟发现了热潮对大气超级旋转的维持机制。
金星大气垂直结构示意图
part.2
在金星大气下
虽然金星表面被厚厚的大气包裹，但一些特定波长的电磁波仍然可以穿透大气，对金星地表进行观测。
可穿透行星云层的电磁波波段示意图
迄今为止，覆盖最全精度最高的金星地形图，源于美国麦哲伦号轨道器的雷达探测。
金星地表形貌特征
金星表面相对平坦，地貌可划分为三类地质单元：低地、平原和高地。大约80%的金星表面被光滑的火山平原覆盖，其中70%的火山平原存在褶皱山脊，10%的火山平原或平滑或存在断裂。两块高地占据了金星剩余的20%表面，一块位于北半球（ishtar terra），另一块位于赤道以南（aphrodite terra）。金星上最高山脉maxwell montes（最高峰高于金星平均半径11 km以上）位于ishtar terra范围内。
金星表面典型形貌特征，包括放射状岩墙、盾状火山、熔岩流、蜘网状构造等
金星表面仅保留了约940个撞击坑。有趣的是，金星撞击坑小于30 km的撞很少，小于5 km的近乎缺失。同时，金星表面也缺乏大型撞击坑。基于现存的撞击坑可以推断金星在7.5亿年左右发生了全球地表重塑事件。整个过程经历了约1亿年。重塑事件抹去了更早的地质记录。这一全球重塑事件是灾变式还是缓慢平衡式的，目前尚不清楚。
此外，金星地表存在多样的构造特征。活跃的火山活动形成了多尺度的构造变形，最终形成与火山关联的全球构造网络。其中最特殊的是一种被称为镶嵌地块（tessera）的地质单元。它们是平原环抱的一些几十千米的孤立块，形如镶嵌地板。在镶嵌地块内不同方向的平行脊、断裂、地堑交叉，伴随少量的火山活动。镶嵌地块是当前金星表面可能保存的最古老的地体，还可能与水的作用有关。未来，镶嵌地块将是金星探测的重要目标。
裂谷类似于地球洋中脊；皱脊主要分布在低地；镶嵌地块跨越高变形区域，成份上可能类似地球大陆壳
与遥感探测相比，着陆探测更为艰难，数据也更少更珍贵。目前保持金星登陆存活时长记录的仍然是苏联的“金星”（venera）系列探测器，最长记录为127分钟。
苏联“金星”着陆器降落在金星表面的艺术假想图（闪电与硫酸雨）
所有的着陆器都落在金星的火山平原区。从传回的照片上可见金星地表没有液态水也没有植被，只有散落出露的岩石。着陆器测量了地表的物质组成，这些成分测量不但数量极为有限且误差较大，甚至缺乏某些关键元素数据（比如钠），但这些测量依然是金星物质成分的主要依据，特别在缺乏金星陨石或返回样品的情况下。
苏联金星9号和13号任务拍摄的金星着陆点地表影像
part.3
那里有“生命”吗？
由于与地球潜在的相似性，金星地表或大气中是否存在生命物质是国际学界的长期关切。相关的假说有两个。一个假说是早期金星地表具有温和气候和液态海洋，直至温室效应逐渐失控，所有的水蒸发进入大气并逃逸。这一假说尚无证据支持；有模型指出金星可能从未存在过液态海洋。一个假说是指，现代金星云层中存在宜居带，这里存在有适宜的温压条件（~60°c，1个大气压），微米级的气溶胶对宇宙射线或紫外线有屏蔽作用可以保护生命的存在。
金星表面宜居环境的假说
（左）温室效应失控前，金星可能是一个宜居星球的假说示意图。
（右）存活于金星云霾层间的嗜热-超嗜酸微生物循环假说示意图。
2020年9月，有研究团队在《自然-天文》期刊发表论文，宣布利用地基射电望远镜在金星云层的某个高度检测到磷化氢（ph3），有可能是生命存在的间接证据，引起巨大的轰动和争议。焦点集中在观测数据的多解性，并且即使信号真的源于磷化氢，也无法排除其它非生命的来源。但无论如何，这些新的探测与争议，都标志着金星成为国际行星和空间生命探测与研究的新热点，成为国际科技竞争的重要领域。
金星探测虽然历经多年，目前仍处于关键数据的积累阶段，有着诸多的观测空白亟待填补。例如，金星大气99%的质量聚集在对流层，特别是28 km以下，但是从地表至12 km高度的金星深层大气目前缺乏直接探测数据。基于雷达对金星地形的探测在麦哲伦任务之后一直处于停滞状态，而已有的金星雷达探测分辨率为百米量级，精度仅相当于20世纪70年代的火星任务，无法实现更加细微的金星地貌识别与分类，特别是无法对金星表面进行地质过程尺度的分析和研究，严重制约了对金星地表关键区域和金星地质演化的认识。金星大气的就位探测（特别是大气元素同位素测量）以及对镶嵌地块的精细遥感探测甚至就位探测等，都给未来金星探测任务提出了明确又迫切的需求。
未来金星任务的雷达探测可实现的空间分辨率与麦哲伦号对比
part.4
走，去金星
2021年6月，美国航天局和欧空局分别批准了前往金星的新任务——“真相（veritas）”任务、“达芬奇 （davinci ）”任务和“展望（envison）”任务。此外，俄罗斯、印度也已提出并积极推进各自的金星探测任务。国际金星探测与研究即将迎来新一轮热潮，地球孪生星的神秘面纱将被逐渐揭开。
“真相”任务和“达芬奇＋”是两个高度互补的任务，计划2030年左右发射。其中“真相”号全称是“金星发射率、无线电科学、干涉合成孔径雷达、地形学和光谱学”任务。主要科学目标是生成金星全球高分辨率地形图和影像，制成一系列金星全球图鉴，包括变形、表面组成、热发射和重力场图。试图探测金星是否拥有古老的水环境，及当前的火山活动是否仅限于地幔柱区域或是有更广泛的分布。“达芬奇 ”任务全称是“金星深层大气稀有气体、化学和成像”任务，通过下降式探测器，在下降的63分钟过程直接测量金星大气的组成，测量稀有气体、痕量气体及其同位素组成，测量金星大气的温度、压力、风速。在到达地面之前，探测器还将拍摄金星镶嵌地块影像，以探究其起源及构造、火山和风化历史。
“展望（envison）”号计划 2032 年发射，是一个基于轨道的金星地表高分辨率雷达测绘和大气研究任务。科学目标是寻找活跃的地质过程，测量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，确定地壳支撑机制并制约地幔和核心特性，基于轨道的金星地表高分辨率雷达测绘和大气研究任务，能检测厘米级的地表变化，表征火山和构造活动，估算风化和地表蚀变的速率。地下雷达测深仪将绘制区域次表层约 100 m 深之内的断层、 地层和风化情况，识别结构关系和地质历史。
俄罗斯“金星d”（venera-d）任务概念处于筹备阶段，标志着俄罗斯重返金星的决心。“金星d”任务概念几经修改，目前基线任务由一个轨道飞行器和一个短寿命（2-3小时）维加式着陆器组成。除基线任务外，还有一系列潜在要素处于论证中，例如气球、子卫星、长寿命（24小时）地面站等。还提出将于2029-2034年分三次从金星采样返回。
除此之外，其他行星际探测任务在金星重力辅助阶段也可对金星开展探测。这些任务包括美国航天局派克太阳探测器（parker solar probe），欧空局的太阳环绕器(solar orbiter)和木星冰月探测器(juice)。
问答环节/
1. 报告里提到金星着陆器存活的时间最长只有两小时左右。金星表面的温度和压力看起来还不是非常极端的值。那使得着陆器存活时间很短的主要原因就是温度和压力吗？还有没有其他原因？
答：主要就是金星地表温度和压力的原因。金星表面的环境有点像高压锅。而电子器件和科学仪器在工作的时候首先要降温，保证不过热，但在金星环境下难度很大。在探测火星时一些长时间工作的仪器通常选择在夜晚工作，不需要额外的降温方法。相比之下，金星持续高温，对电子器件和线路的设计都提出了更高的要求。
2. 金星与地球大小差不多，为什么地球有月球但金星没有？
答：这是一个很好的问题，但目前我们还不知道。月球的确切成因至今还不清楚，但大家认为比较能够接受的是大碰撞起源——在原始地球形成的初期，被一个像火星那么大的天体撞击，之后重新演化形成了现在的地球和月球。金星可能没有经历这样的过程，这对金星的演化可能也有很大的影响。与地球对比，金星可能是一个反面的例子，就是没有大的天然卫星是不是会走向另一个演化路径。
3. 金星表面是什么时候变得这么炎热的？为什么金星在开始没有海洋？
答：这个问题也是我们不知道的，目前都还是猜测。我们推测金星刚刚形成的时候（最初的一亿年）可能跟地球是很像的。但实际上是不是这样，还不清楚。从现在的金星地表我们没有看到海洋的痕迹。但也有可能是因为7亿年左右全球岩浆覆盖，把早期有海洋的一些痕迹抹去了。这也是未来金星探测任务想要去解决的问题。
4. 我国有没有在准备金星探测计划呢？
答：我们现在正在做一些前期的调研，这些调研就是希望帮助未来的探测计划，如果中国要去金星探测，应该去探测什么，要做哪些准备。主要是科学方面的设想。但具体的金星探测任务暂时还没有。
5. 那有没有倾向性，就是着陆器还是浮空平台这一类？
答：以现在的技术来说，着陆和浮空平台难度会更大一些。保持着陆器和所携带的科学仪器能存活和工作，对着陆器和科学载荷的设计要求非常高。如果是空中平台，也同样对浮空器或飞行器本身有许多要求。所以未来十年，如果中国要探测金星的话，可能还是考虑以环绕器为主，但可以考虑携带一些有特色的探测仪器，去做别的国家没有做过或做到的探测。
报告人简介
赵宇鴳博士，中国科学院地球化学研究所月球与行星科学中心，中国科学院比较行星学卓越创新中心，副研究员；中国首次火星探测任务预先科学研究团队成员。长期从事行星地质环境演化研究。近年来关注金星探测，参与金星探测科学问题的预研和论证等工作。
来源：中国国家天文
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