□ 司馬杭仁

蘇聯(lián)“金星”-2探測(cè)器

近日，金星成為人們熱議的話題，這是因?yàn)橹袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院教授張鐵龍等與奧地利、美國(guó)科學(xué)家合作，利用歐洲“金星快車”探測(cè)器的磁場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)，首次在金星的誘發(fā)磁層中發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)重聯(lián)現(xiàn)象，研究成果發(fā)表在2012年4月出版的國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)金星大氣演化和氣候變化研究具有重要意義。磁場(chǎng)重聯(lián)是指方向相反的磁力線因互相靠近而發(fā)生的重新聯(lián)結(jié)現(xiàn)象，即當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)（太陽(yáng)向外噴射的高速帶電粒子流）“刮”向本身有磁場(chǎng)的行星時(shí)，如果二者磁場(chǎng)的磁力線方向相反，就會(huì)發(fā)生磁力線交叉、瞬間斷開、再重新聯(lián)結(jié)等現(xiàn)象。此前，科學(xué)家普遍認(rèn)為，金星由于本身沒有磁場(chǎng)，不太可能存在磁場(chǎng)重聯(lián)現(xiàn)象。磁場(chǎng)重聯(lián)現(xiàn)象既能幫助金星抵御住太陽(yáng)風(fēng)的侵襲，同時(shí)又加速了金星大氣的逃逸或?qū)е陆鹦侨彼?/p>

另外，2012年的6月6日6時(shí)11分至12時(shí)49分發(fā)生了一次非常重要的天文現(xiàn)象——金星凌日，金星在6個(gè)半小時(shí)的時(shí)間中緩慢穿越太陽(yáng)的視圓面。如果錯(cuò)失此次觀測(cè)的話，下一次金星凌日就要再等上100多年了。

看到這里，有人不禁要問，至今人類對(duì)金星都開展了哪些探測(cè)？取得了什么成果？金星探測(cè)器的前景如何？

美國(guó)在1962年8月27日發(fā)射的“水手”2號(hào)探測(cè)器，于同年12月14日從距金星3500千米處飛過時(shí)，首次測(cè)量了金星大氣溫度，拍攝到了金星的照片，它是第一個(gè)成功探測(cè)金星的探測(cè)器

美國(guó)“先驅(qū)者”（“金星”系列），即先驅(qū)者-金星-1軌道器

美國(guó)用航天飛機(jī)發(fā)射“麥哲金星探測(cè)器

金星探測(cè)器一撇

金星是太陽(yáng)系八大行星中距地球最近的一顆行星，也是人的肉眼能夠看到的最為明亮的天體，所以人類對(duì)太陽(yáng)系行星的探測(cè)首先是從金星開始的，并在空間探測(cè)的早期發(fā)射過較多的金星探測(cè)器。但是，目前人類更重視火星探測(cè)，而冷淡了金星，這是為什么呢？這主要是由于金星總被濃厚的云層包圍著，所以很難探測(cè)，即使發(fā)射探測(cè)器也極不容易看清它的真實(shí)面目。另外，金星與地球太不一樣了，難以改造成為人類的新家園，其大氣壓是地球大氣壓的90倍左右。不過，正是因?yàn)榻鹦桥c眾不同，因此人類還是想進(jìn)一步探尋它的奧秘。從各國(guó)的空間探測(cè)計(jì)劃來(lái)看，金星將重獲青睞。

至今，人類已向金星發(fā)射了32個(gè)空間探測(cè)器，其中22個(gè)成功，10個(gè)失敗。加上各種路過的探測(cè)器總數(shù)已超過40個(gè)。截至到現(xiàn)在，已發(fā)射的金星探測(cè)器主要有以下系列：

蘇聯(lián)“金星”系列。1961年2月12日～1983年6月7日，蘇聯(lián)共發(fā)射16個(gè)“金星”系列探測(cè)器，主要任務(wù)是探測(cè)金星和金星周圍空間，其中金星-1～8較小，重量在643～1184千克之間；金星-9～16體積較大，重量為4363～5300千克之間。它們的用途也不一樣，有2個(gè)“金星”探測(cè)器飛過金星，4個(gè)曾抵金星表面，另外10個(gè)在金星表面實(shí)現(xiàn)了軟著陸。1970年8月17日發(fā)射的金星-7是首次在金星表面成功軟著陸的探測(cè)器。在20多年的發(fā)展過程中，它們探測(cè)了金星大氣的溫度、密度和成份，考察了金星表面和巖層，拍攝了大量金星圖像并發(fā)回地球，取得了許多重要的科學(xué)數(shù)據(jù)。

歐洲“金星快車”探測(cè)器

日本“拂曉”探測(cè)器

美國(guó)“水手”系列。“水手”是美國(guó)航宇局早期發(fā)射的行星和行星際探測(cè)器系列，其主要任務(wù)是探測(cè)金星和火星及其周圍空間。1962年7月22日～1973年11月3日共發(fā)射10個(gè)，其中3個(gè)飛向金星，2個(gè)成功；6個(gè)飛向火星，4個(gè)成功；另1個(gè)是對(duì)金星和水星進(jìn)行雙星觀測(cè)，成為世界第1個(gè)雙星觀測(cè)器。

美國(guó)“先驅(qū)者”（“金星”系列）。美國(guó)“先驅(qū)者”是世界上第一個(gè)行星和行星際探測(cè)器系列，1958年10月12日～1978年8月8日共發(fā)射13個(gè)，其中前4個(gè)未進(jìn)入預(yù)期軌道，僅獲部分成功。該探測(cè)器對(duì)人類深入了解宇宙奧秘具有開創(chuàng)性意義?！跋闰?qū)者”探測(cè)器的主要任務(wù)是探測(cè)地-月空間以及金星、木星、土星等行星和行星際空間，系統(tǒng)觀測(cè)月球環(huán)境、行星際空間輻射、磁場(chǎng)和太陽(yáng)活動(dòng)等。

美國(guó)“麥哲倫”探測(cè)器。1989年美國(guó)發(fā)射的“麥哲倫”金星探測(cè)器上有1套先進(jìn)的合成孔徑雷達(dá)和高度計(jì)，能透過厚實(shí)的云層測(cè)繪出金星表面上小如一個(gè)足球場(chǎng)的物體圖像，其清晰度勝過此前所獲金星圖像的10倍，對(duì)金星地表拍攝了非常詳細(xì)的地形照片?！胞溦軅悺痹诮鹦擒壍拦ぷ髁?年2個(gè)月零2天，共繞金星飛行了15018圈，對(duì)99%的地貌全景進(jìn)行了測(cè)繪，發(fā)回的數(shù)據(jù)超過此前其他探測(cè)器發(fā)回?cái)?shù)據(jù)的總和?！胞溦軅悺边€對(duì)金星95%的地區(qū)進(jìn)行了高分辨率的重力測(cè)量。該探測(cè)器在1994年10月結(jié)束了自己的金星之旅，根據(jù)地球控制中心的指令墜入金星稠密大氣中。

美國(guó)“伽利略”探測(cè)器。1989年發(fā)射的“伽利略”木星探測(cè)器在1990年2月飛越金星時(shí)順路對(duì)金星進(jìn)行遙感觀測(cè)。

歐洲“金星快車”探測(cè)器。2005年11月9日發(fā)射的“金星快車”探測(cè)器于2006年4月11日進(jìn)入金星軌道，同年7月開始用7種科學(xué)儀器對(duì)金星表面等進(jìn)行測(cè)繪。這是歐洲首次發(fā)射金星探測(cè)器，也是第一個(gè)對(duì)金星大氣和等離子環(huán)境進(jìn)行全球研究的探測(cè)器，還是近年來(lái)人類對(duì)金星為數(shù)不多的一次“專訪”，它使歐洲成為世界第三個(gè)發(fā)射金星探測(cè)器的國(guó)家。該探測(cè)器目前正用所載的科學(xué)儀器執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)，詳細(xì)的研究金星大氣和云層，并且繪制金星全球表面溫度圖，這對(duì)于理解地球長(zhǎng)期的氣候演變進(jìn)程將起到至關(guān)重要的作用。其任務(wù)持續(xù)時(shí)間是2個(gè)金星日。它創(chuàng)造了數(shù)個(gè)第一：第一次實(shí)現(xiàn)在紫外到熱紅外的光譜范圍對(duì)金星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)；第一次應(yīng)用太陽(yáng)/恒星掩星技術(shù)對(duì)金星進(jìn)行研究；第一次在近紅外透明窗口對(duì)低層大氣的合成物進(jìn)行全球監(jiān)測(cè)；第一次用3D離子分析儀、高能分辨率電子分光儀和高能中性原子成像儀對(duì)金星進(jìn)行探測(cè)等。

以太陽(yáng)電池為動(dòng)力的金星探測(cè)飛機(jī)

金星沒有磁場(chǎng)，所以無(wú)法防護(hù)連續(xù)不斷的太陽(yáng)風(fēng)的侵襲

日本“拂曉”探測(cè)器。2010年5月21日發(fā)射的“拂曉”探測(cè)器原定于2010年12月抵達(dá)金星赤道軌道，然后進(jìn)行6項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)金星大氣層和表面活動(dòng)進(jìn)行研究，并成為第一個(gè)行星間的氣象衛(wèi)星，但因燃料供應(yīng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的燃料供應(yīng)不足和發(fā)動(dòng)機(jī)異常而沒能進(jìn)入金星軌道。日本專家希望通過實(shí)施一次軌道修正，使“拂曉”能在約6年后回到金星附近，從而再次嘗試入軌。“拂曉”上的剩余燃料足夠第2次入軌之用。若燃料輸送問題能解決，“拂曉”起死回生大有機(jī)會(huì)。

俄羅斯金星-D探測(cè)器飛往金星表面探測(cè)示意圖

已取得的部分成果

認(rèn)識(shí)了金星的奇特大氣。金星大氣可分為上層、云層和下層三個(gè)層次。距星面100～500千米為上層稀薄大氣，它在太陽(yáng)風(fēng)、宇宙射線等的作用下被電離而形成電離層。距星面50～100千米為濃密的云層，它主要由硫酸液滴組成，還有少量鹽酸、氫氟酸和氟硫酸等。距星面50千米以下為下層，它除有二氧化碳和水蒸氣外，還有氟和氫氟酸。

了解了金星的地質(zhì)地貌。金星表面亂石縱橫，面積的2/3是丘陵高地，1/4是洼地，1/10是山區(qū)，很像地球大陸。表面物質(zhì)幾乎全是硅、鋁、鐵、鎂、鈣、鈦、鉀、錳等的氧化物，表層下埋藏著鉀、鈾、釷等元素。它有過與地球規(guī)模相仿的海洋，但已全部被蒸發(fā)。

掌握了金星的溫室效應(yīng)。人們通常把透射陽(yáng)光的密閉空間形成內(nèi)部相對(duì)溫度較高的環(huán)境稱作溫室效應(yīng)，金星上濃密的大氣層致使其表面空間就出現(xiàn)了這種現(xiàn)象。金星表面溫度極高，即使夜間也下降不多，成了太陽(yáng)系中最熱的行星。這是由表面壓力為90個(gè)大氣壓的以二氧化碳為主要成分的金星大氣造成的，二氧化碳?xì)怏w白天可使陽(yáng)光通過，照到金星表面，晚間又阻隔金星表面紅外線向外輻射，無(wú)法對(duì)外進(jìn)行熱交換，結(jié)果使金星成為一個(gè)大溫室。

“麥哲倫”的探測(cè)表明，金星上有時(shí)發(fā)生大的風(fēng)暴，有過火山活動(dòng)，表面溫度高達(dá)280℃～540℃。它沒有衛(wèi)星，沒有水滴，磁場(chǎng)強(qiáng)度很小，大氣成分主要是二氧化碳，金星上不適于存活生命物質(zhì)。1991年7月23日“麥哲倫”拍攝的雷達(dá)圖像使人們發(fā)現(xiàn)金星曾發(fā)生大滑坡現(xiàn)象，滑坡長(zhǎng)7.5千米寬2.9千米,這表明金星仍存在地質(zhì)活動(dòng)。另外，還從圖像上發(fā)現(xiàn)1條6700千米長(zhǎng)的溝道，這是目前在太陽(yáng)系星球中發(fā)現(xiàn)的最長(zhǎng)的地質(zhì)斷層。

目前，唯一在金星軌道運(yùn)行的歐洲“金星快車”所拍攝的首批金星照片向人們展示了金星表面的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和一些科學(xué)家們以前未曾預(yù)料到的細(xì)節(jié)。其首批發(fā)回的照片拍攝的是金星的南極地區(qū)，顯示了金星南極被濃厚的硫磺酸云覆蓋。它還發(fā)現(xiàn)金星可能有活火山，這意味著地球并非太陽(yáng)系內(nèi)唯一地質(zhì)活躍的行星。據(jù)國(guó)外媒體2011年10月10日?qǐng)?bào)道，“金星快車”發(fā)現(xiàn)金星上空也有臭氧層。在此之前只在地球和火星上發(fā)現(xiàn)了臭氧層，新發(fā)現(xiàn)將有助于天文學(xué)家檢測(cè)并改進(jìn)對(duì)其他星球的生命探索方案。

未來(lái)的金星探測(cè)計(jì)劃

近年來(lái)，美國(guó)對(duì)金星重新有了興趣，因?yàn)橐恍┟绹?guó)科學(xué)家在《太空生物學(xué)》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究報(bào)告中稱，金星的云層里可能存在著生命?？茖W(xué)家表示，雖然金星熾熱的表面不可能存在任何組織的生命，但是一些微生物完全可能存在于金星上空厚厚的云層內(nèi),因?yàn)檫@種厚云層具有獨(dú)特的抵抗太陽(yáng)光熱度的功能。通過研究金星云層水的成分可以得出一個(gè)結(jié)論：金星云層化學(xué)成分可以證實(shí)這個(gè)星球上存在著微生物。此結(jié)論一出，頓時(shí)激起“千層浪”，一時(shí)間眾說紛紜。

美國(guó)格林研究中心已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種金星探測(cè)飛機(jī)，并自信地指出：這將是研究金星最有效的方法。在這項(xiàng)計(jì)劃中，特別令人關(guān)注的是金星云層。因?yàn)槠湓茖舆\(yùn)動(dòng)速度比金星自轉(zhuǎn)速度要快好多倍，這些云層經(jīng)常出沒在50～75千米高空。大量研究表明，金星大氣層適合飛機(jī)飛行，所以可以用飛機(jī)直接探測(cè)金星。不過，由于金星云頂?shù)娘L(fēng)速達(dá)到每秒約95米，金星探測(cè)飛機(jī)需克服金星上劇烈的風(fēng)和腐蝕性大氣層的影響，飛機(jī)的速度必須維持在風(fēng)速或超過風(fēng)速。

軌道器、氣球和著陸器組成的“歐洲金星探索者”

與此同時(shí),美國(guó)也擬發(fā)射金星漫游車，不過,能否在高壓和高溫的金星表面“存活”對(duì)于金星漫游車是一個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)，為此,美國(guó)航天工程師將另辟蹊徑。為了延長(zhǎng)金星漫游車的工作時(shí)間，將它的復(fù)雜電子“腦”留在金星探測(cè)飛機(jī)上，因?yàn)榻鹦翘綔y(cè)飛機(jī)所處高度的溫度要比金星表面溫度低一些。此外，為了確保電子儀器和機(jī)械裝置(如電機(jī))在高溫條件下正常工作，將進(jìn)行特殊研究，以便使金星探測(cè)飛機(jī)能夠控制金星漫游車在金星表面的工作。

美國(guó)還正在制定一項(xiàng)計(jì)劃，準(zhǔn)備用混合探測(cè)器探測(cè)金星。這種探測(cè)器由一個(gè)衛(wèi)星和氣球組成，它將能夠應(yīng)付金星環(huán)境惡劣的大氣造成的各種問題。金星有二氧化碳組成的厚厚大氣，而且環(huán)繞金星軌道飛行的探測(cè)器很難透過硫酸云霧得到清晰的表面圖像。金星的大氣也使該星球出現(xiàn)溫室效應(yīng)，所以金星表面溫度很高，增加了在表面降落的困難。蘇聯(lián)雖然在1985年成功地使用氣球把探測(cè)器材降落火星表面，不過持續(xù)時(shí)間很短。氣球只能隨風(fēng)飄揚(yáng)，不能控制著陸點(diǎn),而混合探測(cè)器是把氣球和衛(wèi)星相結(jié)合，氣球由懸掛在衛(wèi)星下面的舵掌握方向，它可像衛(wèi)星一樣漂浮數(shù)月來(lái)探測(cè)金星，但探測(cè)距離要近得多，并能投擲探測(cè)器到金星表面。

攜帶了大氣成分探測(cè)器、表面地質(zhì)學(xué)研究探測(cè)器以及表面成分與礦物學(xué)研究探測(cè)器的美國(guó)“表面和大氣層、金星化學(xué)探索者”用于研究金星大氣層、氣候和表面演化的歷史。它擬于2016年底發(fā)射，2017年5月在金星Mielikki火山附近著陸。著陸后，將通過挖掘把金星土壤樣品送入壓力容器，然后用激光譜儀和伽馬射線譜儀進(jìn)行分析，由此獲得表面成分和結(jié)構(gòu)的信息。

美國(guó)正在研制的“金星移動(dòng)探索者”用于在金星表面兩個(gè)不同位置測(cè)量成分和礦物學(xué)特征，發(fā)射時(shí)間不詳。它分兩步，先是在探測(cè)器下落過程中進(jìn)行探測(cè)，然后是在2個(gè)不同著陸地點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。

金星過去一直是蘇聯(lián)行星研究者們最喜愛的目標(biāo)，很早就提出要把一個(gè)超壓塑料氣球發(fā)射到金星表面60千米云層進(jìn)行漂浮以獲取更多信息的探測(cè)計(jì)劃。在這一高度上的金星大氣氣壓相當(dāng)于地球海平面上的壓力，氣球可以浮空進(jìn)行探測(cè)。日本也曾提出把一個(gè)金屬氣球發(fā)射到金星表面40千米氣層中漂浮的計(jì)劃，因?yàn)榇艘桓叨壬系慕鹦谴髿鉁囟葹?00℃，氣壓為地球海平面壓力的20倍，金屬氣球既不會(huì)燒毀，又能浮空，故可開展探測(cè)活動(dòng)。

現(xiàn)在俄羅斯又在制定探測(cè)這顆啟明星的新計(jì)劃，并邀請(qǐng)西方科學(xué)家參與。俄羅斯研制的新型金星探測(cè)器——金星-D將在2016年發(fā)射升空，它將通過一個(gè)軌道器、多個(gè)氣球、一個(gè)著陸器和一個(gè)新發(fā)明的風(fēng)力飛行器，探索很多與金星有關(guān)的重要科學(xué)之謎。為了防止著陸器被很快燒焦，俄羅斯設(shè)計(jì)了一系列可以漂浮在金星大氣里的氣球，這些氣球既可在金星-D的著陸器向金星表面降落時(shí)展開，通過減速保護(hù)金星-D的著陸器穿越金星大氣層，又裝備了新一代超輕傳感器，從而可以獲得大量創(chuàng)新性科研成果。俄羅斯的金星氣球還將攜帶一些微探針，在氣球漂浮在金星的天空中時(shí)，這些微探針會(huì)先后被拋下去，對(duì)不同位置進(jìn)行科研測(cè)量。金星-D 的風(fēng)力飛行器是一種像風(fēng)箏的裝置，攜帶了超輕儀器和傳感器，它可以利用金星上的風(fēng)，在海拔45～50千米高空無(wú)限期漂浮。雖然它只是一個(gè)演示器，但如果能取得成功，將掀起行星探索史的新篇章。

歐洲擬研制“歐洲金星探索者”。它包括一個(gè)軌道器、一個(gè)位于云層高度的氣球探測(cè)器和一個(gè)下落探測(cè)器，以便對(duì)金星立體探測(cè)。

美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、日本和德國(guó)現(xiàn)正在聯(lián)合實(shí)施一項(xiàng)名為旗艦任務(wù)的計(jì)劃，科學(xué)目標(biāo)是探測(cè)金星大氣層、金星地質(zhì)學(xué)、金星內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。它由1個(gè)軌道器、2個(gè)氣球和2個(gè)降落在不同地形的著陸器組成，計(jì)劃于2020～2025年發(fā)射。軌道器用于氣球、著陸器提供通信中繼，并裝有繪制金星表面圖形的高分辨率的雷達(dá)和高度計(jì)。氣球用于獲取氣體和云中的氣溶膠粒子以及測(cè)量太陽(yáng)和云中的熱輻射。著陸器在著陸過程中用于測(cè)量大氣并對(duì)表面成像著陸后精確分析金星表面下的巖石、土壤中的元素和礦物含量，提供著陸和取樣點(diǎn)的詳細(xì)地質(zhì)情況。

“表面和大氣層、金星化學(xué)探索者”著陸過程示意圖

多國(guó)合作研制的金星探測(cè)的“旗艦任務(wù)”項(xiàng)目