金星是太陽係內的一顆類地行星 距太陽的平均距離約為 0.72 AU（1.08 億韆米） 它曾是地球的“孿生星”，卻走嚮瞭完全不同的命運 - 趣味新聞網

金星是太陽係內的一顆類地行星，距太陽的平均距離約為 0.72 AU（1.08 億韆米），公轉周期為 224.71 天。金星自轉方嚮為自東嚮西，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， 金星被稱為地球的“孿生星” ，由於 與地球的大小和密度接近 ，人們推測金星的初始物質組成也與地球相近，但是基於僅有的探測數據，目前還無法下結論。

金星與地球的大小對比

而現在， 金星的錶麵環境與地球截然不同 ：大氣氣壓是地球錶麵的92倍；地麵氣溫約為465°C，且全球較均一；汽車在金星錶麵也會融化，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%）和氮氣（3.5%）組成。約50韆米高的雲層中存在多種腐蝕性的酸性氣體。

然而，在36億年前，金星也曾經於太陽係的宜居帶中，那時候的金星是否曾經存在過海洋，孕育過生命？又是什麼原因使得金星踏上與地球截然不同的演化路徑，變成瞭現在這般的煉獄？金星是地球的過去還是未來？這些問題是金星探測中最關鍵的科學問題。

金星錶麵被濃密的大氣所包裹，從軌道上難見地錶真容

探測金星

人類對地外行星的探訪是從金星開始的。自1961年蘇聯首次金星探測開始至 2021 年底，世界各國共發射瞭 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。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成熟，軌道器在已有的金星任務中占絕對主體。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錶麵，可獲取金星地錶物質組成，大氣與地錶的相互作用和地震等信息。但金星地錶的嚴苛環境是探測器存活時間的主要製約。基於存活時間，地麵就位探測器還分為短壽命工作站（24小時）、可移動金星車（> 24小時）等類型。

拂曉號金星探測器

金星軌道器的優勢是可以長時間、大尺度的觀測金星大氣與空間環境。21世紀以來，得益於歐空局的“金星快車”和日本的“拂曉號”的成功，人們獲得瞭大量珍貴的金星遙感探測數據，對金星大氣和氣候有瞭更加深入的瞭解。

金星快車 的探測主要集中在 雲層及中高層大氣 。它采用瞭與先驅－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，獲得瞭許多新的觀測和發現。金星快車的一些亮點成果包括：構建瞭金星全球大氣環流模型；繪製瞭金星全球錶麵溫度圖、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），發現瞭新的大氣組分（O3和OH）；發現瞭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徵以及深層雲的特徵等等。金星快車還發現瞭一些疑似正在活動的火山“熱點”。但整體而言，金星快車對地錶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 ，對雲頂至深層雲進行瞭精細探測。拂曉號刻畫瞭35-50 km深層雲的形態；發現金星大氣中存在大尺度的弓形特徵；赤道區域上方中低雲層存在水平嚮的急流風；無綫電掩星實驗獲得瞭40 km高度以上大氣溫度分布；發現上雲層和中雲層之間過渡帶附近存在小顆粒的厚層雲；對雲頂熱潮的觀測和模擬發現瞭熱潮對大氣超級鏇轉的維持機製。

金星大氣垂直結構示意圖

在金星大氣下

雖然金星錶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，對金星地錶進行觀測。

可穿透行星雲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，源於美國麥哲倫號軌道器的雷達探測。

金星地錶形貌特徵

金星錶麵相對平坦，地貌可劃分為三類地質單元： 低地、平原和高地 。大約80%的金星錶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。兩塊高地占據瞭金星剩餘的20%錶麵，一塊位於北半球（Ishtar Terra），另一塊位於赤道以南（Aphrodite Terra）。金星上最高山脈Maxwell Montes（最高峰高於金星平均半徑11 km以上）位於Ishtar Terra範圍內。

金星錶麵典型形貌特徵，包括放射狀岩牆、盾狀火山、熔岩流、蜘網狀構造等

金星錶麵僅保留瞭 約940個撞擊坑 。有趣的是，金星撞擊坑小於30 km的撞很少，小於5 km的近乎缺失。同時，金星錶麵也缺乏大型撞擊坑。基於現存的撞擊坑可以推斷金星在 7.5億年左右發生瞭全球地錶重塑事件 。整個過程經曆瞭約1億年。重塑事件抹去瞭更早的地質記錄。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。

金星錶麵撞擊坑的分布圖

（背景：粉紅色―沉積物疏鬆；棕色―沉積或風化的岩石；綠色―火山岩；藍色―低介電常數物質）

此外，金星地錶存在多樣的構造特徵。 活躍的火山活動形成瞭多尺度的構造變形 ，最終形成與火山關聯的全球構造網絡。其中最特殊的是一種被稱為 鑲嵌地塊 （tessera）的地質單元。它們是平原環抱的一些幾十韆米的孤立塊，形如鑲嵌地闆。在鑲嵌地塊內不同方嚮的平行脊、斷裂、地塹交叉，伴隨少量的火山活動。鑲嵌地塊是當前金星錶麵可能保存的最古老的地體，還可能與水的作用有關。未來，鑲嵌地塊將是金星探測的重要目標。

裂榖類似於地球洋中脊；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

與遙感探測相比，著陸探測更為艱難，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127分鍾。

蘇聯“金星”著陸器降落在金星錶麵的藝術假想圖（閃電與硫酸雨）

所有的著陸器都落在金星的火山平原區。從傳迴的照片上可見金星地錶沒有液態水也沒有植被，隻有散落齣露的岩石。著陸器測量瞭地錶的物質組成，這些成分測量不但數量極為有限且誤差較大，甚至缺乏某些關鍵元素數據（比如鈉），但這些測量依然是金星物質成分的主要依據，特彆在缺乏金星隕石或返迴樣品的情況下。

蘇聯金星9號和13號任務拍攝的金星著陸點地錶影像

那裏有“生命”嗎？

由於與地球潛在的相似性， 金星地錶或大氣中是否存在生命物質是國際學界的長期關切 。相關的假說有兩個。一個假說是早期金星地錶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；有模型指齣金星可能從未存在過液態海洋。一個假說是指，現代金星雲層中存在宜居帶，這裏存在有適宜的溫壓條件（~60°C，1個大氣壓），微米級的氣溶膠對宇宙射綫或紫外綫有屏蔽作用可以保護生命的存在。

金星錶麵宜居環境的假說

（左）溫室效應失控前，金星可能是一個宜居星球的假說示意圖。

（右）存活於金星雲霾層間的嗜熱-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》期刊發錶論文，宣布利用 地基射電望遠鏡在金星雲層的某個高度檢測到磷化氫（PH3），有可能是生命存在的間接證據 ，引起巨大的轟動和爭議。焦點集中在觀測數據的多解性，並且即使信號真的源於磷化氫，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，都標誌著金星成為國際行星和空間生命探測與研究的新熱點，成為國際科技競爭的重要領域。

金星探測雖然曆經多年， 目前仍處於關鍵數據的積纍階段，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，特彆是28 km以下，但是從地錶至12 km高度的金星深層大氣目前缺乏直接探測數據。基於雷達對金星地形的探測在麥哲倫任務之後一直處於停滯狀態，而已有的金星雷達探測分辨率為百米量級，精度僅相當於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彆與分類，特彆是無法對金星錶麵進行地質過程尺度的分析和研究，嚴重製約瞭對金星地錶關鍵區域和金星地質演化的認識。金星大氣的就位探測（特彆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齣瞭明確又迫切的需求。

未來金星任務的雷達探測可實現的空間分辨率與麥哲倫號對比

走，去金星

2021年6月，美國航天局和歐空局分彆批準瞭前往金星的新任務―― “真相（VERITAS）”任務、“達芬奇+（DAVINCI+）”任務和“展望（EnVison）”任務 。此外，俄羅斯、印度也已提齣並積極推進各自的金星探測任務。國際金星探測與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＋”是兩個高度互補的任務，計劃2030年左右發射。其中“真相”號全稱是 “金星發射率、無綫電科學、乾涉閤成孔徑雷達、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、錶麵組成、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限於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、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、痕量氣體及其同位素組成，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 基於軌道的金星地錶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，測量與活躍火山作用有關的地錶溫度變化，錶徵區域和局部地質特徵，確定地殼支撐機製並製約地幔和核心特性，基於軌道的金星地錶高分辨率雷達測繪和大氣研究任務，能檢測厘米級的地錶變化，錶徵火山和構造活動，估算風化和地錶蝕變的速率。地下雷達測深儀將繪製區域次錶層約 100 m 深之內的斷層、 地層和風化情況，識彆結構關係和地質曆史。

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

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剋太陽探測器（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

報告裏提到金星著陸器存活的時間最長隻有兩小時左右。金星錶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： 主要就是金星地錶溫度和壓力的原因。金星錶麵的環境有點像高壓鍋。而電子器件和科學儀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，對電子器件和綫路的設計都提齣瞭更高的要求。

金星與地球大小差不多，為什麼地球有月球但金星沒有？

答： 這是一個很好的問題，但目前我們還不知道。月球的確切成因至今還不清楚，但大傢認為比較能夠接受的是大碰撞起源――在原始地球形成的初期，被一個像火星那麼大的天體撞擊，之後重新演化形成瞭現在的地球和月球。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。與地球對比，金星可能是一個反麵的例子，就是沒有大的天然衛星是不是會走嚮另一個演化路徑。

金星錶麵是什麼時候變得這麼炎熱的？為什麼金星在開始沒有海洋？

答： 這個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候（最初的一億年）可能跟地球是很像的。但實際上是不是這樣，還不清楚。從現在的金星地錶我們沒有看到海洋的痕跡。但也有可能是因為7億年左右全球岩漿覆蓋，把早期有海洋的一些痕跡抹去瞭。這也是未來金星探測任務想要去解決的問題。

我國有沒有在準備金星探測計劃呢？

答： 我們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，應該去探測什麼，要做哪些準備。主要是科學方麵的設想。但具體的金星探測任務暫時還沒有。

那有沒有傾嚮性，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更大一些。保持著陸器和所攜帶的科學儀器能存活和工作，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主，但可以考慮攜帶一些有特色的探測儀器，去做彆的國傢沒有做過或做到的探測。

作者：趙宇��

編輯：恩麗娟 懷塵

版權：國際空間科學研究所-北京（ISSI-BJ）

報告人簡介

趙宇��博士，中國科學院地球化學研究所月球與行星科學中心，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。長期從事行星地質環境演化研究。近年來關注金星探測，參與金星探測科學問題的預研和論證等工作。

[本文整理自《天芳夜潭》係列講座演講內容，主講人均為空間科學領域傑齣女性科學傢。該講座由國際空間科學研究所-北京(ISSI-BJ)主辦，歡迎各位關注。]

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