2.07.2010

[國家地理頻道]02/05 科學新發現6:金星真面目


圖片來源:WA+ER

在分享我從電視上整理的資訊前,先從下面一些文章來建立一些基本知識:

 金星 
圖片來源:永恆時空中之一星宿 

今日我們已知:金星擁有高達地球 90 倍厚的大氣,且 95% 以上為二氧化碳 (CO2) 所組成,而濃厚的二氧化碳大氣層造成了強烈的溫室效應,金星表面的溫度高達 470℃ (地球的平均溫度約 15℃)!在如此高的表面溫度之下,海洋自然無法存在,金星表面的液態水早已蒸發進入大氣,被太陽光解離而散逸。同時,因為火山所釋出的硫化物,硫酸和亞硫酸分子在金星高空處形成,這些分子和氣溶膠 (aerosal) 等組成了厚重的雲層,在金星表面雖然不是伸手不見五指,但也可以說是真的“不見天日“! 


可能肇因於厚重大氣層的潮汐作用亦或巨大的撞擊事件,金星自轉方向和公轉方向相反且自轉極慢,造成金星日比金星年還要長 (一金星日約等於 243 個地球日,合 1.08 個金星年);和地球大氣的三胞環流不同,金星顯著的日夜差異造成其大氣的日夜半球對流;但因其濃厚的大氣有效地輸送能量,金星表面溫度幾乎沒有日夜差異。




透過太空船的觀測,科學家們認為金星內部結構應和地球相似,也就是由矽酸鹽質的函、及鐵鎳質的核心。但金星卻不像地球本身會產生磁場,原因仍不明,可能是因為缺乏液態的外核、又或者因缺乏持續的板塊運動使得液態核心無法對流,而緩慢的自轉速度亦極可能是原因之ㄧ。 資料來源:星空走廊



金星仍有眾多謎團待解


“金星特快車”探測器發回的數據提供了有關金星大氣前所未有的細節,對其底部地層也首次有了一些了解。科學家亦希望“金星特快車”能幫助他們解答有關金星大氣構成和動力學方面的基本問題,同時揭開金星的重要謎團:

  • 驅使金星“超級旋轉”的原因是什麼?
  • 高踞雲端不停吸收紫外線的奇怪物質又是什麼?


從今年4月開始,“金星特快車”探測器便一直在金星周圍尋找有價值的信息,探測器上的7台儀器通過各種光譜對金星進行細緻的檢測:從紫外線、可見光到紅外線,甚至是無線電波長。


金星起初就像“太古代地球”!


同火星不同,金星是地球親密的行星近鄰,不過對人類而言還相對神秘。濃厚的大氣層將金星嚴嚴實實地遮蔽起來,使得人類很難對其進行深入探查,但據科學家估計,金星曾經擁有廣闊的海洋,這一點同地球相似,只不過海洋後來不知何故神奇地消失了。向“金星特快車”項目提供支持的科學家弗蘭克·米爾斯說:“金星現在的狀況最像'太古代地球'(Achaean Earth),當時地球上尚無生命,大氣層主要是二氧化碳氣體和大量的硫磺。”


科學家急切想要了解金星的進化趨異,例如:金星上的海洋是如何消失的,等等。米爾斯博士表示,科學家發現的一些線索可能有助於了解金星大氣中二氧化硫的作用和數量。一旦氧化,二氧化硫就會產生硫酸,硫酸是金星雲霧的主要成分,同時是一種可導致溫室效應的氣體。這種氣體還是火山噴發的產物。此前,地面儀器以及“先鋒”號探測器觀測到的金星數據表明,二氧化硫在呈現出一段時間的逐步下降後又開始出現上升趨勢,這表明金星火山並未處於睡眠狀態。


金星南極的雙眼漩渦、雙風眼旋渦結構令人稱奇! 


據斯韋德赫姆博士推測:“這是某種能吸收紫外線的物質,因此不是二氧化碳。”格林斯彭博士也表示:“科學家試圖識別這種物質,但未能成功,它真的非常奇怪。我們稱其為'未知紫外線吸收體'。”倘若金星大氣構成尚不足以引起人們的好奇心,那麼科學家希望金星特快車探測器能幫助他們解釋金星為何比其下面的行星體旋轉速度快。地球的風是向東西方面吹,而在金星上,它們似乎只向東邊吹,速度也超過金星旋轉速度。 可見光及紅外熱能成像光譜儀還將觀測金星南極一個奇特的雙風眼旋渦結構。科學家不清楚什麼引起了這種超級旋轉,甚至不知道該如何描述。 資料來源:化石網



Ok~ 看完以上的資訊,接下來是我在國家地理頻道看到及參考一些資訊的重點整理: 


首先,先認識歐洲太空總署(ESA)太空船「金星特快車號」(Venus Express)(如下圖),接下來的所有新資訊,都是它所帶回來的,以下自簡單的介紹:


 金星特快車 


2005年11月9日發射升空,於本地時間2006年4月11日15:17點燃引擎減速50分鐘後,成功進入環繞金星的軌道。進行科學任務,測量金星大氣的溫度、結構、化學組成和大氣動力等,並嘗試搜尋金星表面可能代表火山運動的熱點。這是人類第一艘環繞金星運行、並以紅外光譜進行金星表面光學測量的人造衛星。金星特快車號上的幾項儀器均各有目的:PFS光譜儀以極高解析度偵測大氣溫度和化學組成的垂直分佈,並監測熱點以搜尋可能的火山運動。紫外與紅外波段的SpicaV/SOIR光譜儀VeRa輻射器利用掩星方式,偵測遙遠恆星所放出的電波訊號受金星側邊大氣遮蔽而逐漸減弱的狀況探測金星大氣的性質;SpicaV/SOIR還可以追蹤偵測金星上可能有的水分子、氧分子和硫化物等化學元素。Virtis光譜儀可以描繪不同高度、不同分層的金星大氣「地圖」,以多波段拍攝雲系以確認大氣的動態。Aspera儀器磁強計負責探究太陽風對於沒有磁場保護的金星會有何影響。VMC廣角多頻相機以4個波段拍攝影像,其中包含一個波段位在紅外光窗(infrared windows)中,可以穿透雲層而拍到金星地表的畫面,所得的金星全球地圖可支援並確認其他儀器偵測結果。 金星跟地球是個姐妹行星,因為金星在太古以前,可能曾經近似地球雙胞胎,擁有海洋的,而且金星是離太陽第二近的行星,體積和存在時間與地球相近(如下圖)。


  (金星)太古代地球 
圖片來源:探索频道 


金星擁有太陽系幾項「極端」記錄的行星--最靠近地球、體積與質量與地球最類似、表面溫度最高、大氣最濃(大氣壓最大)、溫室效應最嚴重、大氣高層的風速最快,還可能有火山運動等;不論哪一點,都讓大家很想瞭解它的秘密。


 另外,金星上有個奇怪的現象,就是“太陽打西邊出來”,也就是說,金星是逆向圍繞太陽旋轉的行星。不僅如此,金星自轉的速度很慢,它的一天相當於地球的243天,導致金星上面的磁場與太陽系的其他行星相比非常弱,這給人類探索金星也帶來了難度。


金星跟地球的差異有哪些?


1. 水的消失 
金星的水會消失除了大家所知道的離太陽較近兒蒸發外,其實還有兩個最主要的原因,畢竟蒸發後水還是可以保留在大氣層裡,但很明顯的大氣層卻殘留很少的水分,各位知道為什麼嗎?

答案是太陽風,它會把水所分解的氫氣與氧氣粒子帶出大氣層並散逸到外太空去;無磁場保護,因為金星自轉速度慢,故沒有能量產生像地球的磁場。(下圖是有磁場保護的,無磁場可以想像成風吹沙那樣,前端無保護被往後吹,我找不到那樣的圖= =)


在太陽風裡的離子遇上日球層頂2 
圖片來源:維基百科




[註]太陽風:太陽風是從恆星上層大氣射出的超音速電漿(帶電粒子)流。在不是太陽的情況下,這種帶電粒子流也常稱爲「恆星風」。在太陽的日冕層的高溫(幾百萬開氏度)下,氫、氦等原子已經被電離成帶正電的質子、氦原子核和帶負電的自由電子等。這些帶電粒子運動速度極快,以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的重力束縛,射向太陽的外圍,形成太陽風。-而當太陽發生強烈的活動時,大量的帶電粒子隨著太陽風吹向地球的兩極,就會在兩極的電離層引發美麗的極光。


在太陽風裡的離子遇上日球層頂 
圖片來源:維基百科 

2. 溫室效應
地球上的主要空氣是氮氣和氧氣,而金星上主要是二氧化碳以及其他的一些溫室氣體。


3. 颶風比地球大4倍
講到這颶風,不可不提金星南極的大氣層形成了一個巨大的「雙眼」渦流結構。由於金星表面向西流動的風速極快,約4天便可環繞金星表面一圈;這個「超級自轉風(super-rotation)」再加上大氣中自然的熱空氣對流,是引起這個雙渦流的原因。可是,為什麼是雙渦流,而不是像金星北極一樣的單渦流?


我們要先知道所謂的超級自轉風,是透過太陽能量累積至雲層,使風加速所形成的。以地球來說,地球上的風跟自轉速度是一樣快的,但金星如剛所提自轉慢,風速大於自轉速。而藉由科氏效應我們知道在北半球是向左,南半球是向右,熱氣從赤道飄流到兩極。再加上,他們發現在渦流結構的周邊環繞著冷空氣,可能是因為冷空氣下沈的大氣循環現象造成的。此外,可見光和紫外線的觀測影像都顯示金星南極有非常有趣的帶狀結構(stripe-like structures)。這些都是型成雙漩渦的原因,而漩渦的絮亂,也是混亂的天象之一。(如下圖)


金星雙眼漩渦 
(想了解動態結構及更多資訊可來此網站:Double vortex at Venus South Pole unveiled!


4. 閃電的形成 
我們要先了解,金星上的物質很難被獲取,因為金星上的雲層很厚,很難獲取到一些地面的東西。在金星上,沒有晴天,它如果有天氣預報的話,那麼每天肯定都是很黑的陰天,烏雲滿天。就像我們在地球上坐飛機往下看,如果下面全是雲的話,是很難看到地球的。金星上有時候有閃電,在閃電的時候,我們才能看到它地表的一些情況。那金星的閃電是如何形成的呢?


閃電正是形成生命的開始,而在地球上閃電的形成是經由水滴的摩擦和分解。正電荷在雲的上端,而負電荷則在下方吸引著地上的正電荷。雲和地之間因空氣作了絕緣體,在短暫時間內阻止了兩極電荷尋找均衡的電流通過。兩極電荷形成的電壓大到可衝破絕緣的空氣時,閃電就發生了。 然而,火星上並沒有水,大氣層那殘留的水氣也不足以產生閃電。會形成是因為硫酸雲 = 火山所釋放的二氧化硫、硫酸霧、數兆噸的二氧化碳 + 水蒸氣透過快速風幫助而產生足以讓電荷分離的power,而形成閃電。


科学家模拟的金星表面闪电现象(天) 

科学家模拟的金星表面闪电现象(地) 
圖片來源皆自:新华网/中国经济网 


金星和地球一樣,也有山,也有平原。以前火山爆發比較頻繁,上面覆蓋著厚厚的冷卻後的熔岩。大約85%的金星表面是由固化的玄武岩熔岩形成,當然也有一些隕石坑。至今仍有火山爆發,這表明金星近來正在經歷表面的重新構築。金星的內部可能與地球是相似的——半徑約3000千米的地核和由熔岩構成的地幔組成了金星的絕大部分(沒有軟性的地函)。 


目前金星的火山仍在活動,有以上資訊可得知,金星沒有所謂的板塊活動,因此火山能量的釋放跟地球型態不同,它的釋放方式是經由累積最大量後由地裂縫滲出(無火山口,就像從蛋糕上方切下去的裂縫貌),而累積成形成各式的地形;相較於地球,地球有板塊間的碰撞,透過火山活動(有火山口)及地震來釋放能量。


金星有無生命? 


我們已經知道金星上有水及閃電,這兩樣條件就是生命的起源,促進演化的開始。 但目前在金星尚未發現任何生物,透過金星特快車的光譜,利用紫外線波線短能分散在上方氣層的性質來進行探索,我們發現有一塊黑色區域,稱為吸收斑。這黑色區域假設除了SO4會吸收紫外線外,必定有其他生物亦在吸收,並進行光合作用,才有這麼大的黑色區塊。 就地球生物而言,有機體能在極端的環境下生存,例:極端為生物。我們可舉黃石國家公園的特殊紅藻為例,那裡的環境類似金星,有高度的二氧化碳,但無論那裏的酸度和溫度如何的,皆能生存,而且本身也有防禦紫外線的照射機制。所以,生物在金星孩是有存活的機會,會有生物的存在性。




有人說金星是地球的過去,火星是地球的未來。為什麼有這樣的說法?


這個有一定的道理,因為地球過去的二氧化碳比較多,儘管還沒有達到像今天金星那樣的程度,但是地球過去也是溫室效應比較大,後來是逐步改造過來,但是我們認為“金星是地球的一面鏡子”,這樣的說法可能更科學。(王思潮,2009) 




王思潮甚至認為在未來,有可能將地獄式的金星改造成第二座人類家園。與其他的行星相比,如果要將其中一顆改造成為未來人類的家園,我認為金星是最有前景的。 


儘管21世紀世界上多數科學家把關注的焦點放在火星上,不過,火星的直徑比金星小,品質更小得多,火星的引力難以留住較厚的大氣,將火星改造成人類第二家園的難度還很大。而金星的直徑、品質、引力與地球相似,一旦人類科技發展到能找出使金星惡劣環境倒轉的方法,金星更有希望在新千年中改造成人類的第二家園。





參考資料
1. 國家地理頻道 - 02/05 21:00pm 科學新發現6:金星真面目 
2. 化石網 
3. 永恆時空中之一星宿 
4. 維基百科 
5. 中新網

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