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金星如何从宜居走向炼狱?

时间: 2020年08月10日 | 作者: Shannon Hall | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
在金星的硫酸云之下,是一个末日般的世界:表面温度足以将金属铅熔化,压力足以碾碎重型机械。但是,这可能并不是金星的原貌。


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由“麦哲伦”号(Magellan)金星探测器的数据生成的玛阿特(Maat Mont)火山图像。


撰文 | 香农·哈尔(Shannon Hall)

翻译 | 董子晨曦



美国航天航空局戈达德空间研究所(NASA Goddard Institute for Sp-ace Studies)的迈克尔·韦(Michael Way)曾和同事在2016做过一项实验,他们首次利用三维气候模型模拟了早期的金星。模型显示,这里曾经的气候可能十分温和,甚至存在液态水构成的广阔海洋。众所周知,液态水是生命形成的关键条件。


如今,韦和同样就职于戈达德空间研究所的安东尼·德尔·杰尼奥(Anthony Del Genio)合作,共同提出了一套金星演化框架。这套框架基于一系列更复杂的模型,整合了多种地形特征,以及不同日照情况的组合。相关论文发表于《地球物理学研究杂志:行星》(Journal of Geophysical Research: Planets)杂志。论文给出了一种新的解释,说明了在演变为今天这种极端的“地狱模式”前,金星如何在近30亿年的历史中保持着宜居的环境。


很多科学家推测,一开始金星就处于极度干燥的状态,从未出现过液态水。在太阳系刚刚形成时(大约45亿年前),金星已经是距离太阳第二近的行星,它所接收的太阳光足以使任何气态水都消散在太空中;此外,严重的宇宙辐射也会阻碍生命的形成,就像早期地球的情况一样。韦解释说,如果没有出现其他因素缓解这些问题,“什么都无法存在”。而他和杰尼奥认为,确实可能存在一个这样的因素,这就是一片巨大的云层。这种云层是在行星演化的早期生成的。


与地球不同,金星不是每24小时自转一周,它绕自轴旋转一周需要243个地球日,极为漫长。另外,它绕太阳公转的时间也和自转时长类似,为225个地球日。因此,金星的一面长期暴露于阳光下,另一面则处于漫长的黑夜中。厚重的大气层能轻松地将热量从日间的一面传到夜晚的一面,以此维持星球的温度。但在韦和杰尼奥的模型中,向阳面出现了一片巨大的云层,它充当了阳光的防护盾,反射了入射的阳光,还将气温冷却到足以生成液态水的程度。


很多研究人员都考虑过金星一度十分宜居的想法。新发布的模型虽然也表明金星曾经十分宜居,但却并没有采用传统的理论。它还进一步展示,金星可能是经过一系列的演变,才沦为今天我们所见的熔炉。“此前关于金星的一切推断和想法,包括在天文学基础课程上教授的内容,以及写进书籍中的内容,都有可能是错的。”戴维·格林斯庞(David Grinspoon,并未参与这项研究)评论道。他是行星科学研究所天体物理学家,也是2016年发表的那篇文章的共同作者。


传统理论认为,随着太阳亮度逐渐增大,金星的表面温度也越来越高,最终无法维持稳定的液态水海洋。换句话说,太阳系中的第二颗行星逐渐被挤出了宜居带。而金星本来就处于宜居带的边缘位置。宜居带是一片允许液态水存在的区域,当然,液态水的存在也创造了有利于生命演化的条件。在韦和杰尼奥的模型中,金星向阳面覆盖的云层能为它提供强力的遮挡作用,从而维持金星表面的液态水。即便放在今天的条件下,这片云也能提供遮挡,维持液态水。这也就意味着,金星之所以变为今天的样子,可能另有原因。


两位作者提出了一种看似非常激进的机制。通过对比远古地球的情况,我们或许能更好地理解这一机制。大约在2.5亿年前,地球上的地壳出现了很深的裂痕,地下的岩浆涌出地表并向大气释放了大量二氧化碳气体。96%的海洋生物以及70%的陆生生物死于这次史上最大规模的灭绝事件。火山事件遗留的痕迹则被称为大火成岩省。在随后100万年的时间里,火山爆发吐出了至少10万立方千米的熔岩。“就单位时间内吐出的熔岩总量而言,这一事件简直像是对造物主的挑衅。”保罗·伯恩(Paul Byrne,并未参与这项研究)说,他是美国北卡罗来纳州立大学的行星地质学家。


尽管这种类型的喷发事件不止出现过一次,也造成了数次大型灭绝事件,但好在并没有多个喷发事件同时发生的情况。韦说:“这对地球上的生命而言,真是万幸。”不过,科学家认为多场巨型火山喷发事件没理由不能同时发生。如果这件事发生在金星上,释放出的二氧化碳将把这颗星球变为炎炎地狱。


这种假设充满了吸引力。“一个和我们如此类似的世界,居然是以如此具有浪漫主义的悲剧色彩毁灭的,”伯恩说,“我非常希望这种假设是真的,如果有一天我们能前往金星,就能搜寻金星上的地层,并在原本属于浅海环境的生态系统中找到化石证据。”然而,目前并没有任何证据支撑这种理论。


论文的两位作者认为,正是如此大规模的火山持续喷发,才使金星表面覆盖了大量火山岩,变成如今的模样。但美国明尼苏达大学德卢斯分校的地质学家薇琪·汉森(Vicki Hansen,并未参与这项研究)认为,“麦哲伦”号取得的观测数据并不支持这种理论,金星面貌的重塑应该不是因为一场天灾。汉森说:“数据和上述理论无法契合。我们可以识别出金星的演化存在3个不同的地质时期,如果发生过毁灭性的地表重塑事件,就不太说得通,因为这会抹掉以前所有的历史记录。”


显然,这个问题充满了争议。事实上,许多科学家认为,金星从来都不适宜生物生存。“直到探索金星的飞船返航前,我们都可以用模型来做研究。但仅仅靠模拟结果并不能论证什么,”汉森说,“我们必须对模型的结果进行验证。”


伯恩认为,应该向金星发送一支舰队,其中包括轨道飞行器、登陆器、气球、高空平台,甚至飞艇。因为金星的大气层有可能告诉我们,金星表面曾经丢失了多少水;探索金星表面则能进一步确定是否存在大量击穿地表的火山喷发事件,如果有,又是在什么时间发生的。当然,未来的任务有助于平息关于金星是否曾经宜居的争论,同时推动天文学家扩展其搜寻银河系内宜居行星的研究。


阿德里安·列那迪奇(Adrian Lenardic,并未参与这项研究)是美国莱斯大学的地球物理学家,他评论说:“如果这种情景是成立的,则说明类似金星的星球实际上存在孕育生命的潜力,我们在搜寻的过程中不能忽略它们。”