金星大氣中都有點啥?

2021-01-09 騰訊網

作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

最近，根據新聞報導，一個由麻省理工學院（MIT），曼徹斯特大學（UoM）和卡迪夫大學（Cardiff University）人員組成的研究團隊，藉助位於智利ALMA陣列和夏威夷的麥克斯韋望遠鏡，在金星的大氣層中發現了磷化氫（PH3），許多天體生物學家將磷化氫視為「生物標誌」，也就是說這裡可能存在著生命的跡象。

根據新聞中的介紹，磷化氫本身有一條獨特的「吸收譜線」，可以讓射電望遠鏡在波長約1毫米的情況下分辨出來。這種氣體主要在金星中緯度地區上空大約50-60公裡的高度觀測得到，其濃度很小（每10億個大氣分子中只有10-20個），但其存在意義重大——「磷化氫」主要由三個氫原子和一個磷原子組成，在地球上只有兩種方式形成，一種是在工業生產過程中人為產生，另一種則產生於動物和微生物身上某種生理機制，像是在獾的內臟、企鵝的糞便或其他動物的腸道中，就存在磷化氫。

日本拂曉號金星探測器拍攝到的金星大氣的偽彩色圖像（JAXA/圖，https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/12473852074/1000）

然而，金星上至今沒有觀察到生物，更沒有工廠，怎麼會有「磷化氫」的存在？這也是為什麼報導中稱這一發現表明「可能存在著生命的跡象」。不過科學家們目前仍保持異議的態度，誰也不能保證它們不是來自其他過程。

金星很早就被觀測發現有厚重的大氣，但這顆星球遠在地球數千萬公裡之外，去一趟非常不容易，其中含量很低的成分確實非常難測量。那麼，就我們目前所知，金星大氣主要的成分有哪些呢？

有很多方法可以分析遙遠金星的大氣，比如從地球上分析看到的途徑金星大氣的光的譜線，或者用探測器飛到附近實際測量，等等。金星不發光，所謂的與金星有關的光可能是其背後的太陽/星星發出來的。根據計算，金星的大氣層中96.5%都是二氧化碳，氮只佔大約3.5%，其他的微量氣體微乎其微。地球大氣層可是有78%是氮。不過，金星的大氣層太濃太厚了，計算下來，金星大氣中氮的總含量依然是地球大氣中含量的約4倍。

金星大氣成分比例示意圖（來源：https://bkimg.cdn.bcebos.com/pic/f703738da9773912423aa7a4f8198618377ae2d3?x-bce-process=image/watermark,image_d2F0ZXIvYmFpa2U4MA==,g_7,xp_5,yp_5）

金星的大氣層內包含少量的讓人感興趣的化合物，其中包含一些以氫為主的化合物，例如氯化氫和氟化氫。其他還有一氧化碳、水蒸氣和氧分子等等。氫原子在金星大氣層中的數量相對較少，因此理論上大量的氫被認為消失在太空中，而剩餘的氫絕大多數形成硫酸（H2SO4）和硫化氫（H2S）。

金星大氣層中大量的二氧化碳和水蒸汽、二氧化硫等氣體造成金星表面劇烈的溫室效應，吸收了大量來自太陽的輻射能，使金星表面溫度大約有500℃。

金星表面的藝術圖（來源：https://fineartamerica.com/featured/artwork-of-lava-flows-on-the-surface-of-venus-ludek-pesek.html）

構成金星大氣的固然是這些氣體，但從微觀角度講，我們還應該認識到金星大氣中大量存在的物質狀態——等離子體。

在太陽輻射的作用下，金星大氣層中的分子可以分解成帶電的電子和離子，這些帶電粒子的正負電荷相等，混合在一起，稱為等離子體；這個化中性為帶電的過程稱為電離，相應的等離子體富集區域稱為電離層（與我們地球是相似的）。金星的電離層位於距離金星表面約120到300千米高處。

金星的電離層總共可分為3層：120到130千米高的 v1 層、140到160千米高的 v2 層和200到250千米高的 v3 層。根據研究提出，有可能在接近180千米高處還有另一層。最大電子單位密度是在接近日下點的 v2 層中，達到3×1011m−3。電離層的上部界線（電離層頂）位於距離金星表面的高度約220到375千米處，並且分隔「誘發磁層」內的等離子體和來自行星的等離子體。v1 和 v2 層中的離子主要是O2+，而 v3 層則是O+。

氧原子被光線電離的過程

（來源：https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11447826601/1000）

對於觀測到的電離層，氣體分子強烈電離的狀態只在金星晝間出現，在夜間電子的濃度幾乎是0。這種現象的原因在於太陽輻射作用下大氣可以發生電離，但也無時無刻不在發生離子和電子碰撞後的重新結合（複合），只不過白天電離比複合作用更強，但夜間沒有陽光的電離，只會任由複合作用「消滅」等離子體。這與我們熟悉的地球上的植物存在光合作用和呼吸作用是相似的，白天光合作用強於呼吸作用，植物整體上吸入二氧化碳、釋放氧氣，但夜間只有呼吸作用的消耗，是吸入氧氣、釋放二氧化碳。金星大氣中的等離子體的產生和消失過程也可與之類比。

另外，歐空局（ESA）的「金星快車」號探測器（Venus express）曾發現金星大氣高層內稀薄的臭氧（O3）層，高度約100公裡，密度只有地球臭氧層的百分之一乃至千分之一，含量非常低。金星快車是通過透過大氣邊緣觀測恆星時，測量大氣內氣體對不同波長的光的吸收，來分析其成分的。

金星快車藝術圖（來源：ESA，http://tech.cnr.cn/sytj/201204/W020120419618472433045.jpg）

金星大氣中還能觀測到許多雲。金星的雲含有很多二氧化硫和硫酸，這些硫酸是由二氧化硫、二氧化碳和水蒸汽因為太陽光引發的光化學反應而形成。波長小於169 nm的紫外線可以將二氧化碳光分解為一氧化碳和氧原子。氧原子的活性極高，可以和金星大氣層中的二氧化硫反應而形成三氧化硫，再和水蒸氣結合形成硫酸。

有這些雲，金星當中也會下起酸雨，不過這些酸雨往往在落地前就現在大氣中蒸發殆盡了。相比地球，金星真是可怕的生存環境。

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