金星：宜居行星的最終形態(tài)?

金星和地球的起點基本相同，但在某一時刻，它們開始朝不同的方向演化。地球隨后有了海洋和大氣。與此同時，金星的表面變成了熾熱的地獄，完全不適合生命居住。金星代表了所有宜居行星的最終狀態(tài)，還是它只是同類行星的眾多可能結(jié)局之一？這個問題的答案，將幫我們了解太陽系外行星是否存在生命。

達比·戴爾

（M. Darby Dyar）

蘇珊娜·E·斯姆雷卡爾

（Suzanne E. Smrekar）

斯蒂芬·R·凱恩

（Stephen R. Kane）

1982年，麻省理工學院行星科學系的所有人都在談?wù)撘患拢篘ASA的最新旗艦項目金星軌道成像雷達（VOIR）被取消了。本文作者戴爾在那個時候還是個研究生（另外兩人還在讀大學和小學)。研究生們在走廊里放聲大哭，資深教師們搖頭嘆氣。新當選的里根政府要全面削減太空探索預算，VOIR就是犧牲品之一。

但不久之后，科學家提出一個利用庫存硬件制造廉價（6.8億美元）航天器的方案，奇跡般地拯救了這個任務(wù)。1989年，擔負金星勘察任務(wù)的“麥哲倫”號軌道飛行器發(fā)射升空，并于1990年進入金星軌道。在接下來的5年里，這個探測器不斷將金星的各種數(shù)據(jù)傳回地球，包括幾乎覆蓋整顆金星的雷達圖像、重力數(shù)據(jù)和地形圖等。在“麥哲倫”號之前，蘇聯(lián)和美國曾有過一連串的金星探測任務(wù)，而隨著“麥哲倫”號在1994年墜向金星表面，NASA對金星探測器的支持也停止了。從那時起，科學家提出了超過25個重返金星的探測計劃，盡管有一些計劃得到評審委員會的高度認可，但沒有一個得到批準?！胞溦軅悺碧栐趲资昵笆占臄?shù)據(jù)至今仍是金星地球科學的基礎(chǔ)。

但行星科學家從未放棄，而且即便條件不利，我們也成功揭開了這個行星的許多秘密。自“麥哲倫”號以來，歐洲和日本的航天機構(gòu)都曾成功執(zhí)行金星探測任務(wù)，讓我們對金星大氣有了突破性的認識。與此同時，科學家通過重新分析“麥哲倫”號的數(shù)據(jù)，一直在改寫關(guān)于金星的教科書內(nèi)容。我們現(xiàn)在知道，金星上火山活動頻繁，甚至還發(fā)現(xiàn)了板塊構(gòu)造活動開始出現(xiàn)的跡象，科學家認為這對行星的宜居性至關(guān)重要。新的理論模型也表明，一直到金星演化歷史的晚期，其表面都可能存在液態(tài)水，這意味著金星適合生命生存的時間可能遠比我們曾經(jīng)認為的長。

在此期間，天文學領(lǐng)域還有另一個驚人的進展：我們發(fā)現(xiàn)了成千上萬個其他太陽系中的行星，其中有許多都與金星差不多——無論是大小還是到恒星的距離。因此，對這位鄰居的了解可以幫助我們更好地認識那些遙遠的、不可接近的世界。特別是，如果我們能查明金星是否也曾具備承載生命的條件，又是在何時具備這樣的條件，我們就能更準確地判斷那些類似金星的行星存在生命的可能性有多大。

地球與金星不同的結(jié)局

到目前為止，大部分系外行星都是天文學家通過凌星法發(fā)現(xiàn)的，也就是觀察行星從恒星前面穿過時恒星亮度的波動。使用這種技術(shù)，我們可以測量一個遙遠行星的大小，但是大小能告訴我們的信息很有限。如果一個外星觀測者使用凌星法觀測我們的太陽系，金星和地球看起來幾乎完全一樣。然而，現(xiàn)在的金星不可能存在生命，而地球在過去的40億年中一直都是生命的樂園。

對于大小相似的行星，我們可以測量它們與恒星之間的距離，來進一步對它們分類。“宜居帶”指的是恒星周圍的一片區(qū)域，那里的巖質(zhì)行星表面可能存在液態(tài)水。顯然，地球就在這個區(qū)域內(nèi)。我們認為，金星也曾長時間處于這個區(qū)域內(nèi)。然而，由于太陽亮度隨年齡增長而增強，宜居帶的邊界也隨時間向外移動。金星現(xiàn)在已經(jīng)處在這個范圍之外，位于我們稱之為“金星帶”的地方。這個區(qū)域里的行星表面非常熱，可能已經(jīng)陷入了失控的大氣溫室效應，導致海洋完全蒸發(fā)掉了。

金星和地球是在非常相似的條件下形成的，包括那些讓地球產(chǎn)生了海洋的條件。彗星撞擊可能給這兩個行星都帶來了冰。太陽風（從太陽噴涌而出的帶電粒子）很可能在它們表面播下了一層薄薄的氫離子。當金星和地球還是兩顆原行星，在環(huán)繞太陽的原始塵埃盤中成長時，它們都收集了氫和其他揮發(fā)物（很容易蒸發(fā)的化學物質(zhì)）。對早期金星的模擬表明，金星表面很早就有了液態(tài)水，可能比地球還早，而且這些水可能直到大約10億年前都一直存在。

然而，金星現(xiàn)在卻完全不適宜生命存在。到底發(fā)生了什么？金星代表了所有宜居行星的最終狀態(tài)，還是它只是同類行星的眾多可能結(jié)局之一？我們想重返金星，為這些重要問題尋找答案。

透過窗口觀察金星

我們對金星的了解在一定程度上受限于濃密的有毒大氣，要穿透這層大氣觀察金星是極為困難的。在高空，硫酸云籠罩著金星全球。在地面上，氣壓與地球海洋900米深處的水壓差不多。由于金星大氣的密度太大，其主要成分二氧化碳處于超臨界流體狀態(tài)，具有介于氣體和液體之間的性質(zhì)。

科學家認為，金星大氣曾經(jīng)與地球很相似。但與我們的行星不同，金星現(xiàn)在缺少一個排斥太陽風的磁場。在漫長的時間里，太陽風不斷將水分解為氫離子和氧離子，并把它們帶往太空，從而讓金星失去了水。從金星內(nèi)部不斷逸出的二氧化碳和其他氣體沒辦法溶解到水里，就會聚集在大氣中。由于大氣的溫室效應，金星的地表溫度比地球高約400℃以上，熱到足以讓巖石發(fā)光。

我們從金星表面得到的所有數(shù)據(jù)都來自蘇聯(lián)的4個金星登陸探測器，它們是在20世紀70年代和80年代登上金星的。這些探測器在環(huán)境嚴酷的金星表面只存活了幾分鐘，但在那短暫的時間內(nèi)，它們收集并發(fā)回了金星表面化學成分的粗略測量結(jié)果。除了這些資料，我們要獲取有關(guān)金星表面礦物的知識就只有兩個途徑，一個是“麥哲倫”號的雷達測量，而對測量結(jié)果的解釋目前仍存在爭議；另一個是分析金星條件下巖石和大氣氣體之間的可能化學反應，現(xiàn)有的知識也相當有限。

不過，研究人員最近發(fā)現(xiàn)，在金星軌道上，通過幾個電磁波“窗口”去觀察金星，就有可能繪制出這顆行星的礦物分布圖。波長在“窗口”范圍內(nèi)的電磁波不會被大氣中的二氧化碳吸收，而且幸運的是，要識別橄欖石和輝石這兩種典型的行星礦物，要用到的特征波段恰好也在“窗口”范圍內(nèi)。這為我們確定金星的基本成分帶來了希望。2006年-2014年，歐洲的“金星快車”飛船繞金星運行，通過一個電磁波“窗口”，科學家繪制出了第一張金星表面熱輻射圖，覆蓋了金星南半球的絕大部分地區(qū)。通過分析這張圖上的光譜特征，我們可以鑒別金星地面上的礦物。

熱輻射圖還標識出了許多熱點，這些區(qū)域散發(fā)出如此多的熱量，最有可能的解釋就是近期有過火山活動。這是一個令人興奮的發(fā)現(xiàn)，因為這說明，不同于寂靜已久的月球和只有孤立火山活動的火星，金星現(xiàn)在仍很活躍——而且這一發(fā)現(xiàn)與行星是否適合生命存在密切相關(guān)。

金星上的板塊活動

在地球上，火山活動通常與板塊構(gòu)造聯(lián)系在一起。板塊構(gòu)造運動是大塊地殼的移動和滑動，這一地質(zhì)活動創(chuàng)造出了地球的大部分地質(zhì)特征，也導致了周期大約為1億年的長期氣候循環(huán)，讓地球上的生命得以誕生。最初的板塊構(gòu)造運動在地球的洋中脊形成新的地殼，還會讓地殼沉入地幔，這兩個過程使我們的星球失去內(nèi)部的熱量，冷卻到生命可以產(chǎn)生的程度。構(gòu)造運動也會把困在地球深處的水、二氧化碳和二氧化硫等揮發(fā)性化學物質(zhì)釋放到大氣中，而當一個板塊滑到其他板塊下面時，又將這些揮發(fā)物帶回到地幔中。

如果沒有火山活動，就沒有多少地表水，也就失去了孕育生命的搖籃。揮發(fā)性物質(zhì)的循環(huán)有助于維持地球的大氣層，這對生命的出現(xiàn)同樣至關(guān)重要。大陸提供了一個高出海平面的穩(wěn)定平臺，讓海洋生物可以進化為陸地生物，而陸地本身也是板塊構(gòu)造運動的產(chǎn)物?？偠灾?，了解金星是否有板塊構(gòu)造是非常關(guān)鍵的——如果有，為什么會出現(xiàn)板塊運動？如果沒有，又出于什么原因沒有出現(xiàn)？

在地球上，有限的數(shù)據(jù)表明，板塊構(gòu)造運動早在40億年前就開始了，此外幾乎沒有留下什么記錄。我們其實并不知道行星是如何從一個玄武巖覆蓋（可能已經(jīng)有了海洋）的世界，轉(zhuǎn)變?yōu)橛啥鄠€運動板塊構(gòu)成的復雜系統(tǒng)。一個主流假說認為，來自地球內(nèi)部深處的大團物質(zhì)噴發(fā)到地表，導致了俯沖作用——一個板塊滑到另一個板塊之下。地質(zhì)學家稱這些熾熱的物質(zhì)為地幔柱，它軟化了巖石圈（包括地殼和上地幔）并向上推擠，致使地球表面裂開。來自熱柱頭的壓力會導致劇烈的火山活動，就像我們在地球和金星上觀察到的那樣?；鹕絿姲l(fā)出的物質(zhì)讓破裂的巖石圈承受了更多重量，使其下沉，促成了俯沖，讓一層巖石圈滑動到另一層巖石圈之下。如果這種過程頻繁發(fā)生，俯沖板塊連接起來，板塊構(gòu)造運動就開始了。

這一系列過程可能正發(fā)生在今天的金星上。金星的巖石圈現(xiàn)在又熱又薄，就像板塊構(gòu)造運動開始時的地球一樣。而且有一些數(shù)據(jù)顯示，金星上的某些地質(zhì)特征與地球上的俯沖帶有驚人的相似之處。阿爾忒彌斯冕狀物（Artemis Corona）就是一個例子，它是金星赤道附近的一個圓形構(gòu)造，規(guī)模和形狀都與阿拉斯加海岸附近的阿留申海溝非常類似?？茖W家推斷這些金星地質(zhì)特征代表了熱點，來自地幔的熱柱在這里上升到金星表面，把地殼撕裂。

此外，最近的實驗室實驗和計算機模擬都表明，這些地幔柱正在它們撕破了頂層地殼的地方促使俯沖出現(xiàn)。實驗還解釋了為什么俯沖只發(fā)生在圓形構(gòu)造的部分區(qū)域：當脆弱的巖石圈在中間裂開時，它會分裂成幾個碎片，就像用鉛筆戳紙時，紙張撕裂成幾塊不同的楔形一樣。隨著巖石圈的下沉，它會繼續(xù)撕裂并形成更多碎片。因此，地幔柱之上的巖石圈不會整塊下沉，只會分裂下沉和俯沖。如果這些碎片連接起來，我們就會看到金星啟動了自己的板塊構(gòu)造運動。

由于拍到了這些地質(zhì)特征的金星照片分辨率太低，我們還不能確定自己看到了什么。但至少目前看來，金星上的板塊構(gòu)造正處于早期發(fā)展階段?！胞溦軅悺碧柕挠^測沒有發(fā)現(xiàn)連起來的板塊，我們只看到了一些俯沖開始的孤立地點，都出現(xiàn)在地幔柱頂上的圓形區(qū)域周圍。這就引出了兩個問題：為什么板塊構(gòu)造沒有更快地出現(xiàn)？現(xiàn)在會怎樣發(fā)展下去？當金星隨時間進一步冷卻，現(xiàn)在裂開的斷層可能會保持下去，讓金星像地球一樣向板塊構(gòu)造轉(zhuǎn)變。如果我們能看到金星出現(xiàn)了板塊構(gòu)造活動，那么這種過程及其帶來的大氣穩(wěn)定效果，就可能在太陽系外行星中普遍存在，使行星表面的環(huán)境變得宜居。

重返金星

我們現(xiàn)在有非常充分的理由啟動一個新項目，去探索一直被忽略的金星。有了高分辨率的全球成像和光譜觀測，我們就能回答有關(guān)金星火山活動和可能存在的板塊構(gòu)造的誘人問題。這樣的過程現(xiàn)在是否真的出現(xiàn)了？金星地表活動與內(nèi)部活動之間有什么聯(lián)系？金星的環(huán)境條件，例如溫度，對構(gòu)造活動有怎樣的影響？還有一些我們看到的地表特征，例如科學家稱之為鑲嵌地塊（Tesserae）的褶皺，是液態(tài)水留下的痕跡嗎？

2019年，NASA將為“發(fā)現(xiàn)項目”（Discovery mission）征集下一組方案，這個項目資助的是最小一級的空間探測器。本文作者斯姆雷卡爾和戴爾領(lǐng)導的團隊提出了一個名為VERITAS（金星發(fā)射率、射電科學、干涉合成孔徑雷達、地形與光譜學）的計劃，該計劃將以前所未有的精度測繪金星表面。如果實施這個計劃，探測器將攜帶包括照相機和光譜儀在內(nèi)的多種儀器，把金星地形測量的分辨率提高幾個數(shù)量級，并繪制前所未有的礦物成分地圖。其他研究者也正在籌劃金星探測方案，我們應該可以在2021年看到最終的結(jié)果。

從“麥哲倫”號抵達金星到現(xiàn)在已經(jīng)過去了近30年，發(fā)射“麥哲倫”號的那一代科學家已經(jīng)老去、退休。一個新的金星任務(wù)能讓研究者將火炬?zhèn)鬟f給新一代，后者能夠帶我們更進一步地了解為什么我們的姐妹行星會變得與地球如此不同。也許，我們甚至能夠發(fā)現(xiàn)哪些條件才是生命誕生必不可少的。

（Scientific American中文版《環(huán)球科學》授權(quán)南方周末發(fā)表，楊安翻譯，黃金水審校）