写给孩子的天文奥秘(彩色图解版)
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火炉般的金星

1761年俄罗斯科学家在圣彼得堡观测金星凌日时发现了金星大气层。金星大气层比地球大气层更为浓密与厚重,气压为93大气压,主要为二氧化碳所构成。金星的大气层中有硫酸形成的不透明云,在地球或金星环绕探测器上没有可见光观测金星表面,只有依靠雷达成像的方式探测得知金星表面的地形。金星大气层有少许微量气体,主要由二氧化碳和氮组成,其表面温度较高。

超慢速自转和超高速大气环流影响了金星的大气层。金星的恒星日有243日,风速最高可达到100m/s或360km/h,是金星自转速度的60倍。地球最高速的风,速度只有地球自转速度的10%到20%,而金星只需要四个地球日,其大气环流就可以环绕金星一周。另一方面,金星表面风速大约是10km/h,风速随高度下降而降低,金星两极则有属于反气旋的极地涡旋,每个气旋还都有两个风眼,不是一个,并且还有特殊的S型云结构。

金星缺乏磁场和地球不同,金星的大气层和太空以及太阳风分离是其电离层导致的。使金星的磁场环境相当特殊,造成金星的磁层是“诱发磁层”的原因是电离层将太阳磁场隔离了。包含水蒸气等较轻的气体被持续的太阳风经由诱发磁尾吹出金星大气层。

推测40亿年前的地球和金星大气层与表面有液态水大气层相当类似。导致金星温室气体含量上升是失控温室效应(Runaway greenhouse effect)表面的液态水蒸发造成的。

不要看金星表面的状况相当炎热,在金星大气层50到65千米高的地方气压与温度却与地球差不多。这个高度的金星高层大气是太阳系中环境最类似地球的地方,这一点甚至比火星表面更类似。因为压力和温度类似,在金星上还有空气可呼吸(21%的氧和78%的氮)。因此有人提出可在金星的高层大气进行探测和殖民,这样看来,像火炉的金星上只要有一定的高度就能找到和地球类似的区域供人类生存。

金星的大气层主要由少量的氮、二氧化碳和其他的微量气体组成。虽然氮在金星大气层的含量比二氧化碳还少,因为金星的大气层比地球大气层(有78%是氮)更为浓密和厚重,在金星大气层中氮的总含量仍是地球的四倍。

金星的大气层内包含少量氯化氢和氟化氢,还有一氧化碳、水蒸气和氧分子等等让人感兴趣的化合物。理论上大量的氢被认为消失在太空中,因为氢原子在金星大气层中的数量相对较少,剩余的氢绝大多数形成硫化氢(H2S)和硫酸(H2SO4)。

从上面的介绍可以知道金星的大气层依照高度被分为数个部分,金星大气层中65千米高处的对流层密度最高,在对流层顶的温度和压力与地球表面类似,而且云的移动速度达到100m/s。在类似火炉环境的金星表面风速则相当低。

金星表面的大气层总质量是4.8×1020kg,是地球的93倍,表面密度是67kg/m3,是地球表面液态水的6.5%。大气压是地球表面的92倍,相当于地球海面下910米深处的水压。金星表面极高的压力会使超临界二氧化碳不再以气体形式出现,而是超临界流体,超临界二氧化碳会形成覆盖整个金星表面的另一种形式的海洋。这种海洋的传热率极高,让金星昼夜(各56地球日)之间的温度变化极小。

我们看看1761年罗蒙诺索夫(Mikhail Lomonosov)发现金星大气层时的记录:

金星表面的平均温度高于铅(600K,327℃)、锌(693K,420℃)、锡(505K,232℃)的熔点。这是因为金星大气层中大量的二氧化碳、二氧化硫、水蒸汽等气体造成金星表面剧烈的温室效应,吸收了大量来自太阳的辐射能,使金星表面温度高达740K(467℃),这样就高于其他的太阳系行星,甚至超过接受太阳辐射能是金星四倍的水星(最高温700K)。即使金星的逆向自转速度极慢,使金星的太阳日达到116.5个地球日,金星厚重的对流层也让它的白昼与黑夜两个半球之间温度差异很小,金星的夜晚长达58.3个地球日。金星大气层90%的质量聚集在高度28千米以下的范围以内,其对流层质量占金星大气层总质量的99%。在金星大气层高度50千米处的气压大约与地球表面的气压相等,地球大气层90%的质量聚集在高度10千米以内范围,在金星的夜半球部分云的高度可达到80千米。

金星高度52.5到54千米处的温度大约在293K(20℃)和310K(37℃)之间,而高度49.5千米处的气压则与地球海平面大气压相等,根据金星探测器和金星快车的观测资料可以知道上述数据。如果想补偿温度在一定程度上的差异,可以将载人空间探测器送往金星,在高度50到54千米或更高区域的任一处将是最容易进行探测甚至殖民的地方,该区域的温度将是关键性的液态水存在范围,即273K(0℃)至323K(50℃),这样的气压与地球上适合人类居住的区域相同。因为那儿的二氧化碳较人类呼吸的空气重,这个“殖民地”的“空气”(氮和氧)将可让殖民地的建筑结构可以像飞船一样飘浮。

小朋友们绝对没想到像火炉般的金星反而是人类最适宜居住的星球吧!不过,这样飘浮的建筑结构可不好玩,没有安全感呢!但是习惯了也会觉得很享受吧!