互动科普

就像地球的气候那样，金星的气候也随时间变化，这种变化是地质活动与大气变化相互之间最新认识到的作用的结果。地球和金星一起来源于太阳系形成前的星云“大锅”，被赋予了相近的大小和组成。然而它们却发展成了大不相同的世界。地球的这个姐妹行星的表面温度约为摄氏460度——热得足以令岩石将任何以碳为基础的不幸来访者灼烧出明显可见的热光。极度强烈的温室效应盛行，维持此种效应的大气的主要成份是具有良好隔热能力的二氧化碳。不存在液态水，表面空气压力几乎是地球上的100倍，从许多方面看它更象海洋而不象大气。气态硫化合物的混合物同金星上极少的的水蒸气一起为硫酸云全球循环提供化学原料。

上述地狱般的情景是过去多年间对金星进行摄影、扫描及分析以及着陆于金星的一艘飞船提供给我们的。然而，在那个时段的大多数时间内，金星昏暗的云层妨碍了对其表面的全面侦察。科学家对金星的认识依然停留在静态方面：因为他们对金星上可能发生的任何动态过程——诸如火山活动和地质构造作用——知之甚少。麦哲伦号宇宙飞船改变了这方面的状况。1990至1994年它利用雷达透过云层绘制出了金星整个表面的高分辨率图(参见本刊1991年4期R. Stephen Sanders《金星的表面》一文)。它揭示该行星已经历了剧烈的火山爆发，并且几乎可以肯定火山今天仍然活跃。同金星地质史的这类探测一起，详尽的计算机模拟试图重现金星过去10亿年的气候史。研究人员逐渐意识到，频繁的火山作用导致了大规模的气候变化，金星具有复杂的逐渐变化的气候，这一点跟地球一样，但不同于天文学家已知的任何其它行星。

地球的另一个邻居火星也经历了巨大的气候变化(参见本刊1997年3期Jeffrey S. Kargel和Robert G. Strom《火星上的总体气候变化》一文)。不过它今天的大气是其过去地质状况的遗迹。现在的火星内部对火山作用的活动而言是太凉了，并且其表面结了厚厚一层冰。尽管火星的轨道运动和自转运动的变化能诱发气候变化，但火山作用永远也不再参与这种活动了。另一方面，地球和金星的气候却受地质过程和大气过程间动态相互作用的影响。

地球是金星在太阳系中的邻居，因此仔细考虑类似于地球上的力怎样在金星上产生了如此不同的结果，是情理之中的问题。研究金星已拓宽了以地球为单一例子的气候演变研究，并为科学家回答以下紧迫问题提供了新方法：地球气候好独特？好稳定？人类正在进行一项大规模的无法控制的地球气候实验，它是由技术社会不断增多的产物引起的，识别影响其它行星气候演变的因素对理解自然力量和人为力量如何改变地球气候是极其重要的。

举一个例子来说，在臭氧洞成为家常话题以前很久，研究人员试图了解金星上层大气的奇异光化学现象。他们发现氟降低了该行星云层以上的游离氧含量水平，对金星这一过程的阐释最终明确揭示地球也存在类似的情形，人工来源的氟破坏了平流层中的臭氧。

气候与地质

地球气候变动的部分原因是，其大气是各种气体在地壳、地幔海洋、极盖及外层空间之间不断混和的产物：地质过程的最终发动者地热能，也是大气变化的一种推动力量。地热能主要是内部放射性元素衰变的产物，研究固体行星的一个核心问题是了解它们怎样失掉热量主要是两个机制——火山活动和板块构造——造成的。

地球内部主要通过板块构造传输带系统冷却，它引起的气体的不停循环对地球气候产生了一种稳定力量(参见框内短文)。火山将气体释放入大气，而岩石圈板块潜没则将气体弄回内部。大多数火山都伴随着板块构造活动，但是地球上一些最大的火山群(例如夏威夷群岛)已演变成了独立于板块边界的“热点”。历史上，巨大的火山区——可能由底层地幔中漂浮的巨大岩浆柱引起的频繁爆发区——的形成，可能已经喷发出了大量的气体并导致全球变暖时期(参见本刊1994年2期Millard F. Coffin和Olav Eldholm《巨大的火成区》一文)。

金星的情况如何？在麦哲伦号探测器之前，该行星的地质史在很大程度上属于猜测，只能与地球进行比较，并根据二者在组成和地热能产生方面具有相似性的假定进行外推。现在基于金星表面历史的全面情况已经产生。除了可能的有限信息外，其板块构造并非显而易见。至少在相对较近的过去，热量是由巨大的玄武熔岩平原的喷发而转移的，后来则是通过平原上面发展起来的火山而转移的。理解火山效应是任何气候讨论的起点。

麦哲伦号对金星的全面调查的显著特征是缺少撞击陨石坑。尽管金星大气层厚，能够防止较小的撞击者撞击它的表面一一它能够阻止大多数直径小于1千米的流星体，否则这类流星体就会形成大到15千米的陨石坑——但它也缺少较大的陨石坑。观察内太阳系的小行星和彗星数，以及月球上的陨石坑数，就能得出金星上撞击痕迹的形成速率的粗略估计：每百万年1.2个陨石坑。据最新统计麦哲伦号只看到963个陨石坑随机分布在其表面，不知为什么，金星最初37亿年历史中形成的撞击坑已经彻底消失了。

地球上陨石坑稀少也显而易见，它上面的老陨石坑被风雨冲蚀掉了。地球上的撞击处的变化形态多种多样，从亚利桑那近于原始状态的碗状流星坑到最古老大陆地壳中埋藏的前寒武纪撞击处的勉强可辨认的轮廓。然而，金星表面太热了，液态水根本不能存在，表面风也是微和的。在没有冲蚀的情况下，改变和最终消除陨石坑的主要过程应当是火山和板块构造活动。这是个两难问题。大多数火星陨石坑看起来是新的：其中只有6％有熔岩包围着它们的边缘，只有12%受到金星外壳断裂和褶皱的破坏。那么，所有的老陨石坑都去哪儿了呢？它们太多数是否都没有发生变化？如果它们已被熔岩覆盖起来，为什么我们没有看到被部分覆盖的陨石坑呢？它们怎样被移动以使它们的最初随机分布得以保存下来？

在某些研究人员看来，观察到的陨石坑的随机分布和部分变形的陨石坑数目较少意味着一次全金星范围的地质事件突然之间就消除了大约8亿年前的全部老陨石坑。美国地质调查所(USGS)Gerald G. Schaber和亚利桑那大学R0bert G. Strom于1992年提出的这种观点认为，从那以后撞击坑出现在金星新形成的表面上。

但密布整个金星的思想不合许多地质学家的胃口，它在地球上没有任何真正的相似之物。同年华盛顿大学Roger J. Phillips提出了另一种模型，也就是所谓平衡表面重构，它假设稳定的地质过程持续不断地一点一点地消除陨石坑，使陨石坑在金星表面上的总体分布仍保持随机。这种思想的缺陷是，金星上的某些地质特征是巨大的，这表明地质活动并未彻底随机地消除各处的陨石坑。

随着麦哲伦飞船的数据分析变得更加复杂，这两种观点演变成了一场经典科学论战。真理也许就在中间地带的某个地方。两种模型的要素都被融入了对金星过去10亿年历史的流行解释之中：全球范围的火山作用消除了大多数撞击坑并于8亿年前形成了巨大的火山平原，随后的持续不断的火山活动渐渐减弱直至今日。

巧克力糖果般的外壳

虽然对火山作用是金星表面成形的主要力量这一点没有任何疑问，但是对其某些谜一般的地质特征的解释至今仍不能对金星的演化作出统一协调的描述。其中一些特征暗示金星气候可能发生了巨大的变化。

首先，几个显著的线性特征物象水蚀地形，它们最长达7000千米，类似于地球上弯弯曲曲的河流与泛滥平原，许多终结于外流沟渠，就象河流三角洲。金星环境极端干燥，因而水冲蚀出这些地形特征是极不可能的。那么是什么因素造成如此情形呢？也许碳酸钙硫酸钙及其它盐是罪魁祸首。金星表面与含大量二氧化碳且交织着含硫气体的大气处于平衡状态，因此充满着上述化合物。实际上，苏联金星号着陆器发现金星表面岩石约有7％到10％的钙矿(几乎可以肯定是碳酸盐)和1％到5％的硫酸盐。

富含这些盐类的熔岩在比金星现在的表面温度高几十到几百度的条件下熔化。美国地质调查所的Jeffreys Kargel及合作者假设，金星表面以下几百米到几千米可能存在大量类似于地球上的含水层的熔化碳酸盐岩(富含盐)岩浆。过去表面温度高些可能使熔岩溢出表面，它们在表面足够稳定，从而形成了我们今天看到的特征。

第二，神秘的镶嵌带——金星上最古老的地形——也暗示过去温度较高。这些多皱的地形位于高出低地熔岩平原几百千米的大陆状外壳高原。Phillips和南方卫理公会大学Vicki L. Hanson所作的分析表明，高原是因岩石圈的扩张而形成的(岩石圈是金星的坚硬外表，由外壳和上地幔构成)。此过程有点象剥开巧克力包裹着的糖果，里面甜腻而外壳薄脆。今天岩石圈的外部脆弱层已经太厚了而不能被剥开。在镶嵌带形成时期，外层必定薄些，这意味着表面热得多。

最后断裂和褶皱交替出现于金星。至少这类型的一部分，特别是所谓的皱脊可能与气候的时序变化有关。我们和华盛顿卡内基学会的Sean C. Solomon已经指出，从全球来看，平原保留了前后相接的地质变形系列事件，这些变形可能在地质史上以很短的间隔发生。也就是说，整个岩石圈似乎同时都在扩张或收缩。很难想象这个固态行星的内部机制能够引发这些事件，但全球气候变化情形如何呢？Solomon计算出，表面温度发生摄氏100度(华氏210度)左右变动对岩石圈诱发的应力可能高达1000巴——可同地球上形成高山带的应力相媲美，并足以使金星表面发生观察到的变形。

就在金星近代地质史争论热火朝天地进行的时候，我们正在研究其大气的详细模型理论表明，金星大气组成的互补特征维持着它那奇异难解的状况。水蒸气，哪怕是微量的，也能吸收二氧化碳不能吸收的那种波长的红外辐射。二氧化硫和其它含硫气体还阻止其它波长的红外辐射(见图4)。这些温室气体一起共同促使金星大气能部分透过射来的太阳辐射，但几乎不能透过逸出的热辐射。结果，表面温度(用开氏温标表示)将为没有大气时的3倍。比较而言，地球上现在温室效应只使表面温度升高15%左右。

如果火山真的在8亿年前重新构建了金星表面，它们就应在相对较短的时间内向大气喷射出大量温室气体。合情合理的估计就是足量的熔岩喷发到金星表面形成l到10千米厚的覆盖层。如果这样，大气中的二氧化碳含量几乎不会发生变化——因为其中已有如此之多了。但是，水蒸气和二氧化硫的含量会分别增加10到100倍，我们对其可能产生的影响极感兴趣，因此把金星气候模拟为如下一系列过程相互作用的系统：火山喷气云形成、大气上层氧气损失以及大气气体与表层矿物质的反应等。

这些过程的相互作用可能是难以捉摸的。尽管二氧化碳、水蒸气和二氧化硫都使表面变暖，但后两者还有一种抵销效应：形成云较高的水蒸气和二氧化硫浓度不仅促进温室效应而且还使云层变厚，云层将太阳光反射回太空，从而使行星变冷。正是由于存在这些相互竞争的效应，因此，两种气体的注入究竟对气候产生了怎样的影响尚不明了。

透视行星

我们的模拟表明，起初云占了优势，表面冷了摄氏100度左右。但随后云被慢慢除去，水在大气中弥漫得更高并被太阳紫外辐射离解氢气慢慢逸入太空，其中一半在2亿年间损失了，同时二氧化硫与碳酸盐岩石发生反应。正如华盛顿大学的小Bruce Fegley及其同事所做的实验室实验所揭示的那样，金星大气中的二氧化硫被碳酸盐吸收比水跑入太空要快得多。

随着云层变薄越来越多的太阳能到达金星表面，令其变热。大约2亿年之后，温度高得足以开始从下部令云蒸发，正反馈接踵而至：云消逝越多，反射回太空的阳光就越少，从下部蒸发掉的云就越多，如此反复。极厚的云层迅速消失了。在大约4亿年的时间中，所剩下的只是薄薄的高高漂浮的几乎完全由水组成的云。当时的表面温度比现在高摄氏100度，因为大气中的水蒸气丰度依然很高，而且起温室效应的薄云没有反射很多太阳能。最终，大约在全球火山爆发后6亿年，且缺乏进一步的火山活动，云就完全消失殆尽。

因为二氧化硫和水蒸气不断损失，需要持续的火山作用来保持云。我们计算出，在过去年3千万年里，火山活动必定是活跃的，以支撑今天观看到的厚云。产生表面火山作用的内部过程发生期超过数千万年，这样火山才可能持续活跃。这一发现与金星不断变动的二氧化硫含量观测结果吻合。1984年，科罗拉多大学博尔德分校Larry W. Esposito指出，上层云的二氧化硫浓度在先驱号金星探测项目的头5年(1978年至1983年)下降了l/10以上。他的结论是这种气体的变动及其相关的霾粒子是火山作用的结果。火山作用促成的表面温度变动也是麦哲伦号发现的众多谜一般的特征的一种自然解释。

幸运的是，地球气候在较近的地质时代里没有经历这种极端变动。尽管也受火山作用的影响，但富含氧的大气——由生物区系和丰富的水提供——轻易地消除了含硫气体。因此水云是地球热平衡的关键所在，这些云能得到的水蒸气多少决定于海洋的蒸发，而海洋的蒸发反过来又依赖于表面温度。地球上略微加剧的温室效应会使更多的水进入大气，从而形成更厚的云层；更高的反射率减少了射来的太阳能，从而降低了温度。这种负反馈的作用，就象一个恒温器，使表面温度在较短的间隔期内(数天到数年)保持适中。类似的碳酸盐—硅酸盐循环负反馈也稳定了大气二氧化碳含量。受板块构造缓慢过程支配的这种机制在大约50万年的时间尺度上发挥作用。

这些意义重大的循环，与水和生命紧密相关，避免地球气候发生它的姐妹行星所经历的巨大变化。然而，人类的影响在中期时间尺度上发生了作用。自1860年以来，地球大气中的二氧化碳含量已提高了1/4。虽然所有的研究人员几乎都同意正在发生全球气候变暖，但是在多大程度是由化石燃料燃烧引起和多大程度是自然变动结果这一问题上依然存在争议。是否存在一个会影响地球气候调节循环的二氧化碳临界值这一问题依然还不明了。但有件事情是确定无疑的：由于行星尺度过程的相互作用，类地行星的气候会发生急剧的转变(见框内短文)，从长远来看，地球的命运已经被决定了。太阳随着年龄增长，它会变亮。大约在10亿年内，海洋将开始迅速蒸发，气候将受控于无法控制的温室效应。金星和地球在形成之初是几乎完全相同的孪生行星，此后就分道扬镳了，但有朝一日它们可能又会变得差不多。

我们都记得，本世纪60年代当我们还是儿童时，科学技术向我们预示的乌托邦前景。地球提供物质和消化废物的能力曾经似乎是无限的，对过去几十年科学所发生的所有巨大变化来说，最强烈的感受之一就是知道了地球是慷慨之家却又是有限之家。这种观点源于我们越来越认识到全球技术社会所形成的副产物已有力量改变这个行星的气候(参见本刊1990年12期Philip D. Jones和Tom. M. L. Wigley《全球变暖趋势》一文)。金星气候似乎有点怪异，但是研究它对于探寻气候变化的一般原理——而对理解我们家园世界的弱点或长处——却是必不可少的。

金星为何像地狱？

今天，地球和金星气候令人惊异的差异与这两个行星上水的历史密切相关。目前，地球海洋和大气中的水为金星大气中水的10万倍。液态水是二氧化碳和表面岩石进行反应的媒介。正是由于液态水的存在，空气中的二氧化碳能够生成矿物。此外，水与下层地幔混合可能与低粘度层或软流层有关，地球的岩石圈板块在其上面滑动。碳酸盐矿物的形成及其随后在构造板块上的下沉，防止二氧化碳达到在金星上所见的水平。

然而，行星形成模型预测，两个行星应当被赋予大体相同的水量，这些水由来自外太阳系的冰质天体撞击送来。事实上，当先驱号金星探测器于1978年进入轨道时，它就测定了金星云中水的氘／普通氢比率。此比率为地球上该值惊人的150倍（参见本刊载1994年8期Janet G. Luhmann，James B. Polluck和Luwrence Colin《先驱者考察金星》一文）。最可能的解释是，金星曾有多得多的水却失去了。化学上等价的氘和氢都能结合在水分子之中。当水蒸气飘向上层大气时，太阳紫外辐射将其分解成氧和氢或氘。由于氢更轻，比氘更容易逃到太空之中，氘的相对量就增加了。

为何这一过程出现在金星而没有发生于地球呢？1969年，加州理工学院Andrew P. Ingersoll揭示，如果行星可得到的太阳能足够多，表面的任何水都将迅速汽化。水蒸气的增多将进一步使大气变暖，并形成他称为无法控制的温室效应。这一过程将把大量的行星水转移到上层大气中，它最终将在那里被分解并损失掉。后来，宾夕法尼亚州立大学James F. Kasting及其合作者开发出了有关这一效应的更为详尽的模型（参见本刊1988年6期James F. Kasting，Owen B. Toon和James B. Pollack《类地行星气候的演化》一文）。他们估计，引发无法控制温室效应的临界太阳能辐射流中约比地球现在的太阳辐射流多40%。这一临界值大致相当于金星形成后不久金星轨道有望得到的太阳辐射流，当时太阳比现在暗80%。一个地球海洋的水量可能在金星存在的头3千万年就逃逸了。

这一模型的缺陷是，如果金星像它现在这样，在早期拥有厚厚的二氧化碳大气层，它就应当保留大量的水。损失的水量依赖于上升到足够高度后被分解的水量——对于具有厚厚大气层的行星而言，这个数值是较小的。此外，此过程中形成的任何云都会将太阳光反射回太空从而无法阻止无法控制的温室效应。

因而，Kasting小组还考虑了这样一种可能性，即太阳辐射流略低于临界值。在这一方案中，金星拥有热海洋和湿重的平流层。海洋通过溶解二氧化碳并促进碳酸盐形成而使二氧化碳保持低水平。在软流层水分的润滑作用下，板块构造活动应当发生。总之，金星具有类似于今天地球的气候稳定机制。但是，情况并非如此。低密度的大气不能阻止水分扩散到高处。6亿年间，一个海洋的水不见了。所有板块构造活动都停止了。只有火山作用和热传导成了内部冷却的途径。因而二氧化碳在空气中聚集起来了。

称为潮湿温室的这幅图景，说明了太阳、气候和地质变化间的复杂关系。大气和表面过程能够相互增强并维持现状，或者协力促进各自的毁灭。如果这种理论是正确的，那么金星曾经就有海洋——或许甚至还有生命，虽然不可能确认这一点。

——M. A. B和D. H. G 

【冉隆华／译 郭凯声／校】