金星末日之謎:金星的大小和質量與地球相似,為何失去海洋變成高溫乾燥的環境?

金星末日之謎:金星的大小和質量與地球相似,為何失去海洋變成高溫乾燥的環境?

我們想讓你知道的是

金星不應視為毫無生機的地獄,而是「一顆失去海洋的行星」。那麼金星為何失去海洋?金星與地球的大小和質量相似,為何演變成高溫乾燥的環境?三項太空任務將探測這顆行星的大氣與地表,解答環境劇變的可能緣由。

文:安德魯斯(Robin George Andrews)

史瑞卡(Sue Smrekar)就和許多孩子一樣,夢想有朝一日上太空一遊。不過她沒有成為太空人,而是成為美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室的行星地球物理學家,研發探索其他星球的探測器。某種意義上,她會參與行星際任務是命中註定:她的父親來自美國賓州的維納斯村(Venus ,亦即金星之名)。

更巧的是,史瑞卡從事的第一項任務,就是NASA的金星軌道衛星麥哲倫號(Magellan orbiter)。麥哲倫號於1989年發射升空,配備一具可看透金星厚重雲層的雷達系統,首度測繪金星表面。史瑞卡回想,最初的雷達影像揭露了一顆奇異的行星,表面有幾處隕石坑、大量火山以及熔岩冷卻後形成的起伏平原。透過麥哲倫號取得的資料,行星科學界最大的未解之謎變得更惱人:金星是最接近太陽的第二顆行星,其大小和組成幾乎與地球相同,它為何有別於地球、轉變成末日地獄?為什麼這兩顆相似的鄰近行星,有著如此驚人的差異?

1994年麥哲倫號結束探索任務,NASA也終止金星的專屬任務。當史瑞卡和同事正著手解決金星剛浮現的謎團時,傳出火星上可能有生物的驚人消息,激發了大眾的想像力。25年後的今天,行星科學界仍持續探索火星生命,卻一無所獲。這期間內,金星這顆又酸又熱又乾且想必沒有生物的行星,在探索火星生命的陰影下,相關任務毫無進展。

今年6月,金星任務出現了轉機,NASA宣佈「發現計畫」(Discovery)中行星際任務的入選提案。他們評估了四項任務,其一是登陸木星的衛星,另一是造訪海王星的衛星,以及兩項以重返金星為目標的任務:「金星深層大氣的惰性氣體、化學和成像調查」(DAVINCI+,又稱達文西+)和「金星發射率、無線電科學、合成孔徑雷達干涉量測技術、地形與光譜學」(VERITAS,拉丁文「真理」之意,又稱真理號)。

史瑞卡是真理號的首席研究員,她在NASA宣佈入選提案前說:「我們都非常希望破解『金星魔咒』。」她和同事盼望NASA至少選擇其中一項金星任務。結果令史瑞卡大為驚訝,NASA竟挑選了真理號和達文西+兩項任務。這兩項互補任務的目標是研究金星過去的適居性(habitability)。這是NASA時隔30年後首度選擇重返金星,並且不只投入一項任務。

好消息不只如此。就在NASA發佈這個備受盼望的訊息一星期後,歐洲太空總署(ESA)宣佈,展望號太空船(EnVision)也將加入重返金星的行列,針對金星的大氣和表面進行科學調查。金星任務復興的時代已經來臨。

失寵的金星

今年年初,金星任務是否重振旗鼓的態勢尚不明朗。回顧往年,金星備受矚目的時代已結束。在1960和1970年代,美國和前蘇聯分別展開多項金星任務,這顆行星宛若冷戰中的行星際戰線。但在任務屢次失利後,情勢越來越明顯:這顆行星非常不適合人類探索。

在金星厚重且令人窒息的大氣中,二氧化碳約佔95%。雲層中大量硫酸可在瞬間侵蝕皮膚、骨頭和金屬。如果你站在金星表面,不會淋到腐蝕的酸雨,但這是因為金星根本沒有降雨:地面氣溫超過480℃,可把太空人或機器人烤焦。就算你奇蹟般熬過高溫,地面大氣壓力相當地球的90倍,就像潛入水下1600公尺處。無論你造訪金星哪個區域,都會死得又快又痛苦。

當麥哲倫號結束任務後,金星便顯得孤單。時隔12年,ESA於2006年發射了金星快遞軌道衛星(Venus Express),服役至2014年。日本破曉號(Akatsuki)於2015年成功進入金星軌道,直到今日仍研究金星大氣,並尋找難以捉摸的閃電。柏恩(Paul Byrne)是美國北卡羅來納州立大學行星科學家,對金星狂熱不已的他表示,若由他決定,現在便有大量太空船繞行或登陸金星。但情況完全相反,30年來僅有兩項金星任務。

主因在於,一群知名科學家於1996年發表了一篇論文:他們在ALH84001這顆火星隕石中發現了微化石。當時,美國總統柯林頓針對這項發現,在美國白宮南草坪發表演講,告訴世界:「美國將在太空計畫上全力以赴,尋找火星生命存在的更多證據。」

然而,探索火星生命的進展並不順利。後續研究報告便顯得低調:「微化石」可能全由非生物性礦物所形成。但探尋火星生命的美夢實在太迷人,令人難以收手。前往火星的任務一個接一個,每項任務都以前一項的研究成果做為基礎,火星成為行星際探索任務的優先選項。柏恩指出:「我不願承認,對大眾而言,火星有難以抗拒的吸引力,實際上真的如此。」他常打趣說,他希望炸毀火星,就像電影「星際大戰」(Star Wars)中死星轟擊奧德蘭星(Alderaan),於是所有人就會重新考慮金星。

即使火星從天空中消失,探索金星還是很困難,因為金星是一座探測船墳場。太空船能安然繞行,但若要研究金星表面,需要借助能看透厚重雲層的絕佳雷達。反觀火星,大氣層較稀薄且容易穿透,地面寒冷乾燥,只有偶爾受大規模沙塵暴侵襲。柏恩說:「火星是大量探索行星表面的理想目標。」但是火星比金星更具科研價值嗎?「我絲毫不認同。」

在科研價值上,火星的一大缺點是它的大小。火星體積只有地球的1/6,質量只有1/10,一點都不像「類地行星」;但金星的各項指標都像是地球的雙胞胎。當然,探索金星的難處在於該行星的環境像探測船墳場。科學家正在開發耐受金星地獄般高溫的耐熱電子設備,但在金星表面,迄今的任何設備都無法執行任務超過數小時。柏恩認為,即使如此,金星與地球非常相似,對於研究類地行星的環境和末日狀態的科學家而言,絕對是更好的選擇。柏恩說:「金星不易探索,但這絕不是放棄的理由。」

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Photo Credit: 科學人雜誌
歷史圖像:前蘇聯金星14號於1982年拍攝金星表面,拼接成全景圖後顯示,在具腐蝕性的天空下是荒涼的火山岩地貌。

金星任務提案

NASA行星際任務的發現計畫以經費低廉而聞名,每項計畫預算約六億美元,但提案結果也常令人深感心碎。一般而言,科學家和工程師團隊合作數年,詳細規劃並提案,由資助機構的資深官員評選。甄選過程既競爭又殘酷,每當一項計畫獲選,則代表有數十個團隊落選,甄選結果決定美國會探索太陽系的哪些星球。真理號和達文西+並不是靠情感訴求,才獲選夢寐以求的發現計畫,而是借助高科技,以解答行星科學家對於這顆鄰近行星如今不適合居住的熱切疑問。

在許多方面,真理號是麥哲倫號的接班者。真理號配備了最先進的雷達系統,能為金星繪製前所未有的詳細地圖,並運用精細的立體地形圖取代麥哲倫號的舊地圖;舊地圖顯示金星有火山和熔岩地貌,以及斷層系統(像橫跨大地的疤痕)。

真理號能夠根據物質所發出的獨特熱輻射,運用紅外線探測儀器辨識金星表面特定的礦物。它不僅能探測金星表面,搭載的另一具儀器將偵測這顆行星內部,根據重力場不同強度,勾勒出金星內部的層狀結構。史瑞卡表示,這項任務將為科學家繪製出金星的高保真視圖,就像長期以來用於製作月球和火星圖像的大量詳盡資料。

達文西+是依據歐洲文藝復興大師達文西來命名,計畫主持人葛文(Jim Garvin)是NASA哥達德太空飛行中心的首席科學家。葛文和史瑞卡都熱愛金星,並謙虛避開任何出風頭的機會。當我們請求葛文分享自己的趣事,他卻說自己「無趣,可能沒什麼好說的。」

然而,葛文團隊的任務概念一點都不無趣,這可是NASA自1978年發射先鋒金星軌道船(Pioneer Venus Orbiter)以來,再次卯盡全力以探測船登陸金星。達文西+會穿越金星大氣層,取樣並分析大氣層的組成物質。當它撥開雲層並接近地表時,將針對金星多山且地質複雜的阿爾法區(Alpha Regio),拍攝迄今解析度最高的影像,再運用紅外線探測器解析出地質礦物的分佈。接下來,探測船張開降落傘減速,並回傳蒐集的數據,在著陸後不久便失效。

儘管達文西+的探測船或許肩負了主要工作,它還配備了一具軌道衛星。該衛星沒有複雜的雷達系統,但搭載的相機將透過紫外線和紅外線頻段觀察大氣和金星表面,擴充真理號所蒐集的資料範圍。該任務的目標是完整解答金星氣候是否長久以來皆如此高溫的問題。葛文說:「這就是達文西+的設計用途。」

探索金星的第三項任務是由ESA的展望號執行。該任務將使用雷達系統測繪金星表面地圖,並以紫外線和紅外線光譜儀分析行星岩石和大氣。展望號可進行一項無線電科學實驗,偵測行星重力場的微小變化,並製作出金星內部結構圖。展望號和真理號一樣,主要針對整顆金星進行調查。但展望號的強項是能根據科學家的需求,快速瞄準感興趣的特定位置。

英國倫敦大學皇家哈洛威學院的行星地質學家加爾(Richard Ghail)是展望號首席科學家,他說:「我一直對金星深深著迷。」加爾和美國同事一樣,希望了解「在不同條件下,像地球大小的行星適居性為何?」可據此評估哪顆行星比失寵的金星更適合探索?

失去海洋的行星

關於金星末日的解釋,最有說服力的線索是它大氣中的重水比例升高,這項發現源自1978年NASA先鋒號取得的資料。重水是罕見的水(H2O),其中的氫由氘取代,簡單來說,氫原子多了一個中子,因此比較重。重水比一般的水重,更難蒸發到太空。一般認為,這些重水是金星億萬年前廣大海水的殘留物。若要了解金星究竟發生什麼事,就需要知道廣大海水發生什麼事。葛文表示,這顆行星不應視為毫無生機的地獄,而是「一顆失去海洋的行星」。那麼金星為何失去海洋?

然而,就像面對許多關於金星的問題一樣:缺乏資料也就缺乏明確答案。科學家不斷思索各種可能,以及如何透過真理號和達文西+這類任務找到答案。NASA哥達德太空研究所的科學家韋(Michael Way)也希望獲得解答,近年他和同事借助詳細的電腦模擬,一窺金星過往的可能樣貌。

根據韋的模型,新生太陽緩慢且穩定地增加亮度,可能在金星誕生早期便決定了金星自身的命運,年輕的金星受太陽劇烈灼燒,使水只能轉變為蒸汽。蒸發的水氣是強大的溫室氣體,金星因而迅速升溫;另外,當時金星遍佈岩漿海,產生另一種溫室氣體:二氧化碳。韋表示,如果太陽是金星氣候變遷中的元凶,那麼這顆行星「從一開始就死了」。

如果年輕太陽不是元凶,則可能有其他原因,韋推論是火山造成的結果。金星火山和太陽影響了這顆行星表面發生的一切,包括大氣層的演變或海洋的命運。

昔日,地球曾發生數次熔岩噴發,影響整塊大陸,大量溫室氣體排放到大氣中,持續了數十萬至數百萬年,導致生物大規模滅絕。截至目前為止,地球上這些大規模噴發都是獨立發生,地質史把每次事件都視為具破壞性的短暫噴發。但如果金星在同一時間發生數個事件,釋出的二氧化碳便可能導致整片海洋開始蒸發,大氣中的水蒸氣吸收大量熱,因而啟動無可避免的回饋循環,烤乾整顆行星。

所以,凶手是誰?科學家借助達文西+來確定金星何時失去水,因為它能「嗅出」大氣中的惰性氣體,例如氙(Xe)、氬(Ar)和氦(He)。每種惰性氣體各有比較重或比較輕的同位素,而且科學家知道同位素的來源。例如氦3源自行星內部深層,而較重的氦4由地殼上層中的放射性衰變產生。金星大氣中也有其他惰性氣體的數種同位素。重要的是,惰性氣體不和其他與地球物理有關的化合物(例如二氧化碳和水)發生反應。這意味惰性氣體是有效的標記資訊,不僅揭示它們源自金星,還顯示何時以及如何進入金星大氣。

倘若針對惰性氣體的測量結果顯示,金星在誕生之初就是枯乾的,則代表年輕太陽是導致金星末日的罪魁禍首。然而,如果太陽早期並未快速提高亮度,金星上釋出二氧化碳的岩漿海應該會結冰,使液態水得以形成並匯聚在表面。如此一來,金星可能是有河流、湖泊和海洋的熱帶行星。美國衛斯理大學的行星地質學家吉爾摩(Martha Gilmore)同時是達文西+和真理號團隊的成員,對於這個想法感到興奮。她說:「根據對太陽系行星的了解,沒道理認定金星一開始便不適合生物居住。」

重點提要

  1. 金星宛如煉獄,有厚重的大氣與高溫高壓的地面,難以派遣太空船著陸探索。因此當火星可能有生命的消息傳出,金星便乏人問津。
  2. 然而,金星在早期可能遍布海水,其後大型火山噴發,釋出大量二氧化碳,造成極端氣候變遷,才使海洋蒸發。
  3. 2030年代有三項任務會重返金星,透過先進雷達測繪地表,並分析大氣層的化學組成,可望解答金星末日之謎。

本文獲《科學人雜誌》、《科學人粉絲團》授權刊登,原文刊載於此

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責任編輯:蕭汎如
核稿編輯:翁世航

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