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金星是太陽係內(nei) 的一顆類地行星，距太陽的平均距離約為(wei) 0.72 AU（1.08 億(yi) 千米），公轉周期為(wei) 224.71 天。金星自轉方向為(wei) 自東(dong) 向西，具有八大行星中最長的自轉周期（243 天）。在太陽係的八大行星中，金星被稱為(wei) 地球的“孿生星” ，由於(yu) 與(yu) 地球的大小和密度接近，人們(men) 推測金星的初始物質組成也與(yu) 地球相近，但是基於(yu) 僅(jin) 有的探測數據，目前還無法下結論。

金星與(yu) 地球的大小對比

而現在，金星的表麵環境與(yu) 地球截然不同：大氣氣壓是地球表麵的92倍；地麵氣溫約為(wei) 465°C，且全球較均一；汽車在金星表麵也會(hui) 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%）和氮氣（3.5%）組成。約50千米高的雲(yun) 層中存在多種腐蝕性的酸性氣體(ti) 。

然而，在36億(yi) 年前，金星也曾經於(yu) 太陽係的宜居帶中，那時候的金星是否曾經存在過海洋，孕育過生命？又是什麽(me) 原因使得金星踏上與(yu) 地球截然不同的演化路徑，變成了現在這般的煉獄？金星是地球的過去還是未來？這些問題是金星探測中最關(guan) 鍵的科學問題。

金星表麵被濃密的大氣所包裹，從(cong) 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(cong) 金星開始的。自1961年蘇聯首次金星探測開始至 2021 年底，世界各國共發射了43顆金星探測器，其中蘇聯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）。任務類型以金星飛掠、環繞和大氣層進入探測任務為(wei) 主（33次），著陸任務（8次）和漂浮任務（2次）相對較少。任務集中在二十世紀 60-70 年代的美蘇太空競賽時期，21世紀以來，僅(jin) 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(liang) 次任務。拂曉號是目前唯一在軌運行的金星探測器。

對金星開展探測的方式主要有地基觀測和金星探測器兩(liang) 大類。地基觀測是探測器任務的重要補充，可觀測大氣組分、大氣動力學和金星地質等。金星探測器又分為(wei) 軌道探測、空中就位探測和地麵就位探測任務三種。軌道探測相對而言技術最為(wei) 成熟，軌道器在已有的金星任務中占絕對主體(ti) 。空中就位探測是通過空中平台（例如浮空氣球）和下降式探測器/探空器開展。地麵就位探測著陸金星表麵，可獲取金星地表物質組成，大氣與(yu) 地表的相互作用和地震等信息。但金星地表的嚴(yan) 苛環境是探測器存活時間的主要製約。基於(yu) 存活時間，地麵就位探測器還分為(wei) 短壽命工作站（ 24小時）、可移動金星車（> 24小時）等類型。

拂曉號金星探測器

金星軌道器的優(you) 勢是可以長時間、大尺度的觀測金星大氣與(yu) 空間環境。21世紀以來，得益於(yu) 歐空局的“金星快車”和日本的“拂曉號”的成功，人們(men) 獲得了大量珍貴的金星遙感探測數據，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雲(yun) 層及中高層大氣。它采用了與(yu) 先驅－金星（Pioneer-Venus Orbiter）不同的軌道設計，得以進入金星誘發磁層的不同區域，獲得了許多新的觀測和發現。金星快車的一些亮點成果包括：構建了金星全球大氣環流模型；繪製了金星全球表麵溫度圖、金星大氣的熱剖麵和熱結構、大氣化學組成剖麵（CO、SO2、OCS、D/H比等），發現了新的大氣組分（O3和OH）；發現了金星低緯區域平均風速持續增加；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雲(yun) 的特征等等。金星快車還發現了一些疑似正在活動的火山“熱點”。但整體(ti) 而言，金星快車對地表的探測範圍和精度有限。

“金星快車”金星探測器

日本“拂曉號”的探測目標集中在金星大氣和空間環境，對雲(yun) 頂至深層雲(yun) 進行了精細探測。拂曉號刻畫了35-50 km深層雲(yun) 的形態；發現金星大氣中存在大尺度的弓形特征；赤道區域上方中低雲(yun) 層存在水平向的急流風；無線電掩星實驗獲得了40 km高度以上大氣溫度分布；發現上雲(yun) 層和中雲(yun) 層之間過渡帶附近存在小顆粒的厚層雲(yun) ；對雲(yun) 頂熱潮的觀測和模擬發現了熱潮對大氣超級旋轉的維持機製。

金星大氣垂直結構示意圖

Part.2

在金星大氣下

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

可穿透行星雲(yun) 層的電磁波波段示意圖

迄今為(wei) 止，覆蓋最全精度最高的金星地形圖，源於(yu) 美國麥哲倫(lun) 號軌道器的雷達探測。

金星地表形貌特征

金星表麵相對平坦，地貌可劃分為(wei) 三類地質單元：低地、平原和高地。大約80%的金星表麵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(liang) 塊高地占據了金星剩餘(yu) 的20%表麵，一塊位於(yu) 北半球（Ishtar Terra），另一塊位於(yu) 赤道以南（Aphrodite Terra）。金星上最高山脈Maxwell Montes（最高峰高於(yu) 金星平均半徑11 km以上）位於(yu) Ishtar Terra範圍內(nei) 。

金星表麵典型形貌特征，包括放射狀岩牆、盾狀火山、熔岩流、蜘網狀構造等

金星表麵僅(jin) 保留了約940個(ge) 撞擊坑。有趣的是，金星撞擊坑小於(yu) 30 km的撞很少，小於(yu) 5 km的近乎缺失。同時，金星表麵也缺乏大型撞擊坑。基於(yu) 現存的撞擊坑可以推斷金星在7.5億(yi) 年左右發生了全球地表重塑事件。整個(ge) 過程經曆了約1億(yi) 年。重塑事件抹去了更早的地質記錄。這一全球重塑事件是災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造特征。活躍的火山活動形成了多尺度的構造變形，最終形成與(yu) 火山關(guan) 聯的全球構造網絡。其中最特殊的是一種被稱為(wei) 鑲嵌地塊（tessera）的地質單元。它們(men) 是平原環抱的一些幾十千米的孤立塊，形如鑲嵌地板。在鑲嵌地塊內(nei) 不同方向的平行脊、斷裂、地塹交叉，伴隨少量的火山活動。鑲嵌地塊是當前金星表麵可能保存的最古老的地體(ti) ，還可能與(yu) 水的作用有關(guan) 。未來，鑲嵌地塊將是金星探測的重要目標。

裂穀類似於(yu) 地球洋中脊；皺脊主要分布在低地；鑲嵌地塊跨越高變形區域，成份上可能類似地球大陸殼

與(yu) 遙感探測相比，著陸探測更為(wei) 艱難，數據也更少更珍貴。目前保持金星登陸存活時長記錄的仍然是蘇聯的“金星”（Venera）係列探測器，最長記錄為(wei) 127分鍾。

蘇聯“金星”著陸器降落在金星表麵的藝術假想圖（閃電與(yu) 硫酸雨）

所有的著陸器都落在金星的火山平原區。從(cong) 傳(chuan) 回的照片上可見金星地表沒有液態水也沒有植被，隻有散落出露的岩石。著陸器測量了地表的物質組成，這些成分測量不但數量極為(wei) 有限且誤差較大，甚至缺乏某些關(guan) 鍵元素數據（比如鈉），但這些測量依然是金星物質成分的主要依據，特別在缺乏金星隕石或返回樣品的情況下。

蘇聯金星9號和13號任務拍攝的金星著陸點地表影像

Part.3

那裏有“生命”嗎？

由於(yu) 與(yu) 地球潛在的相似性，金星地表或大氣中是否存在生命物質是國際學界的長期關(guan) 切。相關(guan) 的假說有兩(liang) 個(ge) 。一個(ge) 假說是早期金星地表具有溫和氣候和液態海洋，直至溫室效應逐漸失控，所有的水蒸發進入大氣並逃逸。這一假說尚無證據支持；有模型指出金星可能從(cong) 未存在過液態海洋。一個(ge) 假說是指，現代金星雲(yun) 層中存在宜居帶，這裏存在有適宜的溫壓條件（~60°C，1個(ge) 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生命的存在。

金星表麵宜居環境的假說

（左）溫室效應失控前，金星可能是一個(ge) 宜居星球的假說示意圖。

（右）存活於(yu) 金星雲(yun) 霾層間的嗜熱-超嗜酸微生物循環假說示意圖。

2020年9月，有研究團隊在《自然-天文》期刊發表論文，宣布利用地基射電望遠鏡在金星雲(yun) 層的某個(ge) 高度檢測到磷化氫（PH3），有可能是生命存在的間接證據，引起巨大的轟動和爭(zheng) 議。焦點集中在觀測數據的多解性，並且即使信號真的源於(yu) 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(yu) 爭(zheng) 議，都標誌著金星成為(wei) 國際行星和空間生命探測與(yu) 研究的新熱點，成為(wei) 國際科技競爭(zheng) 的重要領域。

金星探測雖然曆經多年，目前仍處於(yu) 關(guan) 鍵數據的積累階段，有著諸多的觀測空白亟待填補。例如，金星大氣99%的質量聚集在對流層，特別是28 km以下，但是從(cong) 地表至12 km高度的金星深層大氣目前缺乏直接探測數據。基於(yu) 雷達對金星地形的探測在麥哲倫(lun) 任務之後一直處於(yu) 停滯狀態，而已有的金星雷達探測分辨率為(wei) 百米量級，精度僅(jin) 相當於(yu) 20世紀70年代的火星任務，無法實現更加細微的金星地貌識別與(yu) 分類，特別是無法對金星表麵進行地質過程尺度的分析和研究，嚴(yan) 重製約了對金星地表關(guan) 鍵區域和金星地質演化的認識。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遙感探測甚至就位探測等，都給未來金星探測任務提出了明確又迫切的需求。

未來金星任務的雷達探測可實現的空間分辨率與(yu) 麥哲倫(lun) 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了前往金星的新任務——“真相（VERITAS）”任務、“達芬奇+（DAVINCI+）”任務和“展望（EnVison）”任務。此外，俄羅斯、印度也已提出並積極推進各自的金星探測任務。國際金星探測與(yu) 研究即將迎來新一輪熱潮，地球孿生星的神秘麵紗將被逐漸揭開。

“真相”任務和“達芬奇＋”是兩(liang) 個(ge) 高度互補的任務，計劃2030年左右發射。其中“真相”號全稱是“金星發射率、無線電科學、幹涉合成孔徑雷達、地形學和光譜學”任務。主要科學目標是生成金星全球高分辨率地形圖和影像，製成一係列金星全球圖鑒，包括變形、表麵組成、熱發射和重力場圖。試圖探測金星是否擁有古老的水環境，及當前的火山活動是否僅(jin) 限於(yu) 地幔柱區域或是有更廣泛的分布。“達芬奇+”任務全稱是“金星深層大氣稀有氣體(ti) 、化學和成像”任務，通過下降式探測器，在下降的63分鍾過程直接測量金星大氣的組成，測量稀有氣體(ti) 、痕量氣體(ti) 及其同位素組成，測量金星大氣的溫度、壓力、風速。在到達地麵之前，探測器還將拍攝金星鑲嵌地塊影像，以探究其起源及構造、火山和風化曆史。

“展望（EnVison）”號計劃 2032 年發射，是一個(ge) 基於(yu) 軌道的金星地表高分辨率雷達測繪和大氣研究任務。科學目標是尋找活躍的地質過程，測量與(yu) 活躍火山作用有關(guan) 的地表溫度變化，表征區域和局部地質特征，確定地殼支撐機製並製約地幔和核心特性，基於(yu) 軌道的金星地表高分辨率雷達測繪和大氣研究任務，能檢測厘米級的地表變化，表征火山和構造活動，估算風化和地表蝕變的速率。地下雷達測深儀(yi) 將繪製區域次表層約 100 m 深之內(nei) 的斷層、 地層和風化情況，識別結構關(guan) 係和地質曆史。

俄羅斯“金星D”（Venera-D）任務概念處於(yu) 籌備階段，標誌著俄羅斯重返金星的決(jue) 心。“金星D”任務概念幾經修改，目前基線任務由一個(ge) 軌道飛行器和一個(ge) 短壽命（2-3小時）維加式著陸器組成。除基線任務外，還有一係列潛在要素處於(yu) 論證中，例如氣球、子衛星、長壽命（24小時）地麵站等。還提出將於(yu) 2029-2034年分三次從(cong) 金星采樣返回。

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

問答環節/

1. 報告裏提到金星著陸器存活的時間最長隻有兩(liang) 小時左右。金星表麵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。金星表麵的環境有點像高壓鍋。而電子器件和科學儀(yi) 器在工作的時候首先要降溫，保證不過熱，但在金星環境下難度很大。在探測火星時一些長時間工作的儀(yi) 器通常選擇在夜晚工作，不需要額外的降溫方法。相比之下，金星持續高溫，對電子器件和線路的設計都提出了更高的要求。

2. 金星與(yu) 地球大小差不多，為(wei) 什麽(me) 地球有月球但金星沒有？

答：這是一個(ge) 很好的問題，但目前我們(men) 還不知道。月球的確切成因至今還不清楚，但大家認為(wei) 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(ge) 像火星那麽(me) 大的天體(ti) 撞擊，之後重新演化形成了現在的地球和月球。金星可能沒有經曆這樣的過程，這對金星的演化可能也有很大的影響。與(yu) 地球對比，金星可能是一個(ge) 反麵的例子，就是沒有大的天然衛星是不是會(hui) 走向另一個(ge) 演化路徑。

3. 金星表麵是什麽(me) 時候變得這麽(me) 炎熱的？為(wei) 什麽(me) 金星在開始沒有海洋？

答：這個(ge) 問題也是我們(men) 不知道的，目前都還是猜測。我們(men) 推測金星剛剛形成的時候（最初的一億(yi) 年）可能跟地球是很像的。但實際上是不是這樣，還不清楚。從(cong) 現在的金星地表我們(men) 沒有看到海洋的痕跡。但也有可能是因為(wei) 7億(yi) 年左右全球岩漿覆蓋，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想要去解決(jue) 的問題。

4. 我國有沒有在準備金星探測計劃呢？

答：我們(men) 現在正在做一些前期的調研，這些調研就是希望幫助未來的探測計劃，如果中國要去金星探測，應該去探測什麽(me) ，要做哪些準備。主要是科學方麵的設想。但具體(ti) 的金星探測任務暫時還沒有。

5. 那有沒有傾(qing) 向性，就是著陸器還是浮空平台這一類？

答：以現在的技術來說，著陸和浮空平台難度會(hui) 更大一些。保持著陸器和所攜帶的科學儀(yi) 器能存活和工作，對著陸器和科學載荷的設計要求非常高。如果是空中平台，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，可能還是考慮以環繞器為(wei) 主，但可以考慮攜帶一些有特色的探測儀(yi) 器，去做別的國家沒有做過或做到的探測。

報告人簡介

趙宇鴳博士，中國科學院地球化學研究所月球與(yu) 行星科學中心，中國科學院比較行星學卓越創新中心，副研究員；中國首次火星探測任務預先科學研究團隊成員。長期從(cong) 事行星地質環境演化研究。近年來關(guan) 注金星探測，參與(yu) 金星探測科學問題的預研和論證等工作。

來源：中國國家天文

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