陳 樂(lè)，張少兵,2,3*，余金霏

1中國(guó)科學(xué)院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥230026

2中國(guó)科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心，合肥230026

3行星探索與前瞻性技術(shù)前沿科學(xué)中心中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026

4中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，南京210023

5中國(guó)科學(xué)院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)，南京210023

0 金星的基本情況

金星（Venus），是太陽(yáng)系八大行星由內(nèi)向外的第二顆行星，它在夜空中的亮度僅次于月球，是第二亮的天然天體，視星等可以達(dá)到-4.7等.在中國(guó)古代稱為太白、明星或大囂，在晨昏出現(xiàn)時(shí)分別稱為啟明或長(zhǎng)庚，在西漢之后結(jié)合五行學(xué)說(shuō)稱之為金星.它的英文名稱源自羅馬神話的愛(ài)與美的女神，維納斯（Venus）.

金星在大小、質(zhì)量等方面與地球相似度極高.金星的赤道半徑為6 051.8 km，約是地球的0.949倍，金星的質(zhì)量為4.867 5×1025kg，約是地球的0.815倍，在密度方面，金星密度為5 243 kg/m3，與地球密度（5 514 kg/m3）相差不大，這意味著這兩個(gè)天體的結(jié)構(gòu)和組分相似.此外，金星在表面重力、表面加速度、軌道速度等方面也與地球類似（表1，數(shù)據(jù)來(lái)源: https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/venusfact.html）.

表1 金星與地球的一些重要參數(shù)比較Table 1 Comparison of some important parameters between Venus and Earth

當(dāng)然，金星相比于地球，也存在著許多差異.金星地表溫度約為460°C，是地球表面溫度的30多倍，大氣壓是地球的90多倍.另外一個(gè)獨(dú)特之處是，金星全球表面幾乎是等溫的，不受晝夜和緯度的影響，溫室效應(yīng)該是金星各區(qū)域溫差小的原因.除此之外，金星的自轉(zhuǎn)方向與地球相反，自東向西，在金星上會(huì)出現(xiàn)太陽(yáng)“西升東降”的現(xiàn)象.金星的自轉(zhuǎn)速度也比地球慢很多，是八大行星中自轉(zhuǎn)速度最慢的行星，金星自轉(zhuǎn)周期為243個(gè)地球日，而公轉(zhuǎn)周期為224.7個(gè)地球日，也就是說(shuō)金星上的一天比它的一年還長(zhǎng).金星離地球較近，在行星性質(zhì)大都相同情況下卻呈現(xiàn)出截然不同的特征，因此一直是人類深空探測(cè)的重要目標(biāo).

1 金星探測(cè)簡(jiǎn)史

金星是僅次于月球和火星的探測(cè)目標(biāo)，因?yàn)槠渚嚯x地球最近，因此自太空競(jìng)賽開(kāi)始以來(lái)，美國(guó)與蘇聯(lián)早期大量嘗試了對(duì)金星的行星際探測(cè).從1960年至今，人類共向金星進(jìn)行了49次探測(cè)任務(wù)，其中蘇聯(lián)進(jìn)行了33次，美國(guó)進(jìn)行了11次，歐空局進(jìn)行了2次，日本發(fā)射了3次（表2），此外還有其他行星際探測(cè)任務(wù)在飛掠金星時(shí)對(duì)其進(jìn)行了探測(cè)（數(shù)據(jù)來(lái)源：https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/chronology.html）.在所有金星探測(cè)器中，大部分探測(cè)器都未能成功完成任務(wù)，成功或部分成功完成探測(cè)任務(wù)的總共有29次.在對(duì)金星的一系列探測(cè)過(guò)程中，探測(cè)器獲得了大量數(shù)據(jù)，不僅對(duì)認(rèn)識(shí)金星的大氣成分、地表地形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了有力的證據(jù)，也為人類理解地球的早期演化提供了重要參照物.

表2 人類發(fā)射金星探測(cè)器歷史及其任務(wù)小結(jié)Table 2 The history and mission of human exploration of Venus

1.1 蘇聯(lián)探測(cè)簡(jiǎn)史

蘇聯(lián)對(duì)金星的探測(cè)成果集中于1980年代的金星（Венера）計(jì)劃（Harvey,2007）.圖1展示了金星系列探測(cè)器成功著陸的位置.

圖1 金星系列探測(cè)器著陸位置分布.白色表示成功著陸位置，藍(lán)色代表該著陸點(diǎn)有地表成像，紅色表示該著陸點(diǎn)進(jìn)行了地表樣品分析（來(lái)源：NASA Ames Research Center, U.S Geological Survey and Massachusetts Institute of Technology）Fig.1 Landing positions of Venus Probe.White dots indicate the successful landing position, blue dots represent the positions where the images were returned from the Venus surface,and red dots represent the positions where the surface samples were analyzed.Different colors represent different altitudes(From NASA Ames Research Center,U.S Geological Survey and Massachusetts Institute of Technology）

蘇聯(lián)于1961年發(fā)射了首個(gè)金星探測(cè)器“金星-1961”（Венера-1961也稱Sputink-7.蘇聯(lián)的航天器命名是在發(fā)射成功之后，因此許多任務(wù)只有年份代號(hào)），但以失敗告終.在隨后的5年里，蘇聯(lián)發(fā)射金星、宇宙（Космос）和空間（Зонд）系列的金星探測(cè)器均以失敗告終，失敗的原因包括偏向航道、儀器故障以及在下落過(guò)程中被金星內(nèi)部溫度和壓力損壞等.1965年，金星3號(hào)成為首個(gè)進(jìn)入金星大氣層的人類探測(cè)器，但未能傳回?cái)?shù)據(jù).1967年，金星4號(hào)首次傳回了金星大氣數(shù)據(jù)并在下降過(guò)程中被摧毀.1970年，金星系列中的金星7號(hào)探測(cè)器在金星表面傾倒著陸，但成功傳回了金星表面溫度、大氣壓、大氣密度等數(shù)據(jù)，是人類歷史上第一個(gè)在金星表面著陸的探測(cè)器.1972年，金星8號(hào)探測(cè)器是蘇聯(lián)首個(gè)全面成功的探測(cè)器，不僅驗(yàn)證金星7號(hào)探測(cè)器的數(shù)據(jù)，還測(cè)量了金星地表的光照度，并測(cè)定了地表風(fēng)化層的成分.

隨后的金星系列（金星9～16）均成功完成任務(wù).其中1975年蘇聯(lián)發(fā)射的金星9號(hào)和金星10號(hào)探測(cè)器成為一對(duì)環(huán)繞金星飛行的人造衛(wèi)星，兩者皆探測(cè)了金星的大氣結(jié)構(gòu)及其成分，也是首次發(fā)回由電視攝像機(jī)拍攝的金星表面全景圖像.1978年9月，蘇聯(lián)分別發(fā)射了金星11號(hào)和金星12號(hào)兩個(gè)探測(cè)器，在探測(cè)器到達(dá)金星后，母艙與著陸器分離，著陸器均實(shí)現(xiàn)軟著陸，分別工作了95 min和110 min.1981年發(fā)射的金星13號(hào)和金星14號(hào)探測(cè)器傳回了第一張金星的彩色照片，這次探測(cè)還測(cè)得兩次小型地震、土壤強(qiáng)度等數(shù)據(jù).1983年，蘇聯(lián)發(fā)射的金星15號(hào)、金星16號(hào)兩個(gè)軌道探測(cè)器，首次攜帶了綜合孔徑雷達(dá)對(duì)金星進(jìn)行了遙感探測(cè)，測(cè)繪了近25%的金星地形（分辨率為1～2 km）.

續(xù)表2

此外，在1986年哈雷彗星回歸之際，蘇聯(lián)開(kāi)展了一次多國(guó)合作的探測(cè)任務(wù)，同時(shí)探測(cè)金星和哈雷彗星，稱為維加（Вега，金星與哈雷彗星的俄文字母縮寫）計(jì)劃，1986年12月先后發(fā)射維加1號(hào)和維加2號(hào)探測(cè)器，在靠近金星時(shí)釋放著陸器，并利用金星重力助推加速繼續(xù)探測(cè)哈雷彗星.下降過(guò)程中，探測(cè)氣球充氣后與著陸器分離，攜帶氣象載荷開(kāi)展獨(dú)立的金星大氣探測(cè)，成為人類首次通過(guò)懸浮氣球?qū)ζ渌乔蜻M(jìn)行探測(cè)，而著陸器在下降過(guò)程中對(duì)金星大氣的成分和溫度進(jìn)行了分析，并在金星夜間表面著陸，進(jìn)行了鉆孔采樣分析.

1.2 美國(guó)探測(cè)簡(jiǎn)史

美國(guó)在1962～1973年期間發(fā)射的金星探測(cè)器主要是水手（Mariner）系列（數(shù)據(jù)來(lái)源：https://solarsystem.nasa.gov/missions）.1962年8月美國(guó)發(fā)射的水手2號(hào)是人類史上首個(gè)成功抵達(dá)金星軌道的探測(cè)器.通過(guò)這次探測(cè)，成功獲得了金星大氣溫度等一系列數(shù)據(jù).1967年6月發(fā)射的水手5號(hào)探測(cè)器使用無(wú)線電波對(duì)金星的大氣組成進(jìn)行了探測(cè)，證實(shí)了CO2是金星大氣的主要成分.1973年11月發(fā)射的水手10號(hào)探測(cè)器是人類史上第一個(gè)同時(shí)執(zhí)行金星和火星任務(wù)的探測(cè)器，也是第一個(gè)帶有圖像系統(tǒng)的探測(cè)器，拍攝了數(shù)千張金星云層的照片.

1978年5月和8月，為了接下來(lái)的外太陽(yáng)系探測(cè)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，美國(guó)先后發(fā)射了金星先驅(qū)者（Pioneer-Venus）1號(hào)和2號(hào)探測(cè)器的協(xié)同探測(cè)任務(wù).金星先驅(qū)者1號(hào)為軌道器，負(fù)責(zé)研究太陽(yáng)風(fēng)、金星磁場(chǎng)、電離層.2號(hào)為軌道器與4個(gè)大氣探測(cè)器，通過(guò)釋放4個(gè)大氣探測(cè)器進(jìn)入金星不同位置，在下落過(guò)程中獲得了一系列關(guān)于金星溫度壓力分布、云層粒子、大氣組成的數(shù)據(jù).

1989年5月，美國(guó)發(fā)射了麥哲倫號(hào)（Megellan）探測(cè)器，其攜帶了精確的綜合孔徑雷達(dá)，在6次任務(wù)周期中繪制了金星全球地形圖，并對(duì)金星95%的地區(qū)進(jìn)行了高分辨率的重力測(cè)量.此次探測(cè)獲得了金星表面近98%的地貌數(shù)據(jù)，并在最后一次任務(wù)中進(jìn)行了“風(fēng)車實(shí)驗(yàn)”以測(cè)量行星高層大氣阻力對(duì)航天器的影響，于1994年墜入金星大氣.

1.3 其他國(guó)家金星深空探測(cè)簡(jiǎn)史

2005年11月，歐空局發(fā)射金星快車（Venus Express）號(hào)軌道器，作為歐空局首次金星探測(cè)任務(wù)，金星快車攜帶了光譜相機(jī)與磁強(qiáng)計(jì)等載荷，運(yùn)行金星極地軌道，并進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)500天對(duì)金星表面、磁場(chǎng)，以及其大氣相互作用金星了長(zhǎng)期觀測(cè).

“拂曉號(hào)（Akatsuki）”是由日本發(fā)射的金星探測(cè)器，于2015年12月進(jìn)入金星軌道.該探測(cè)器提供了許多重要的金星大氣觀測(cè)數(shù)據(jù)，也是目前唯一正在執(zhí)行任務(wù)的金星探測(cè)器.

此外，許多以外太陽(yáng)系和水星、太陽(yáng)為探測(cè)目標(biāo)的探測(cè)器，都會(huì)利用金星重力助推以節(jié)省燃料、時(shí)間和成本.因此，這些探測(cè)器都會(huì)掠過(guò)金星，在飛掠金星時(shí)，它們也通過(guò)其載荷對(duì)金星進(jìn)行了大量科學(xué)觀測(cè)，如以水星為目標(biāo)的先鋒-10（1973年飛掠）、信使號(hào)（2007年第二次重力助推）、以木星及其衛(wèi)星為探測(cè)目標(biāo)的伽利略號(hào)（1990年重力助推），并取得了大量研究成果.

2 探測(cè)金星的科學(xué)問(wèn)題

2.1 金星大氣

金星是最早被發(fā)現(xiàn)存在大氣層的地外天體（1761年，俄國(guó)科學(xué)家羅蒙諾索夫根據(jù)金星凌日的黑滴現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)），金星大氣的主要成分是CO2（96.5%）和N2（3.5%），其余為少量SO2（150 ppm）、Ar（70 ppm）、H2O（20 ppm）以及微量酸（HCl、H2SO4）等（圖2）.相比地球，金星大氣不存在O2，稀有氣體含量也更少.一般認(rèn)為，之所以CO2在金星大氣中占據(jù)96.5%，在地球大氣中卻只有0.041%，是因?yàn)榈厍蛏系奶贾饕还潭ㄔ谔妓猁}巖、有機(jī)物和地球深部（Walker,1985）.

圖2 地球和金星大氣成分.（a）地球大氣組成；（b）金星大氣組成.均為體積占比Fig.2 Atmospheric composition of Earth and Venus.(a)Earth atmospheric composition.(b) Venus atmospheric composition.Both are volume ratio

在距離金星地表50～65 km處存在由濃硫酸液滴組成的云層（圖3）.這些濃硫酸液滴，一般認(rèn)為是大氣CO2、SO2以及水蒸氣在光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中形成的.在這一高度，除了CO2、SO2這些氣體外，還有一些HCl、HF等成分（Landis,2020），這些成分在高溫條件下均具有強(qiáng)烈的腐蝕性.這些由濃硫酸液滴組成的云層可以反射超過(guò)75%的太陽(yáng)光，這是金星在夜空中最亮的一個(gè)主要原因.而且這些云層對(duì)紅光的反射能力大于對(duì)藍(lán)光的反射能力，這也能解釋為什么我們平時(shí)看到銀白色的金星也會(huì)帶一點(diǎn)金黃色.

圖3 金星大氣層中不同高度的溫度，標(biāo)出了云層的分布高度（修改自Landis,2020）Fig.3 Temperature variations with heights in the atmosphere of Venus with the clouds layer labelled(modified from Landis,2020)

金星被認(rèn)為類似地球的早期階段（Catling and Zahnle,2020;Sossi et al.,2020）.從CO2含量來(lái)看，金星大氣中的CO2總量與地球大氣、地殼和地幔儲(chǔ)存的所有CO2總量差不多（Gillmann et al.,2020）. Catling和Zahnle（2020）給出了太古宙地球大氣圈中各氣體的大致含量范圍，太古宙CO2和CH4分別是現(xiàn)在的10～2 500倍和100～1 000倍，N2可能比現(xiàn)在略少，O2低于現(xiàn)在O2水平的10?6，總體上與金星目前的大氣成分比較相似.金星和地球的水主要是在主吸積階段加入的，在吸積的晚期階段加入的物質(zhì)主要是頑火輝石球粒隕石和極少量的含水的碳質(zhì)球粒隕石（Gillmann et al.,2020）.由于金星地表溫度高達(dá)470°C，金星的表面不存在液態(tài)水.目前金星大氣中氣態(tài)水的含量為20 ppm左右.金星大氣中的D/H值遠(yuǎn)高于地球（Fegley,2005;Greenwood et al.,2018），且高層大氣中D/H比值比低層大氣更高（Krasnopolsky et al.,2013），這表明與最初的大氣層相比，金星通過(guò)氫的逃逸失去了大量的水.這是由于大氣中的H2O在太陽(yáng)紫外線作用下會(huì)發(fā)生分解，水分子中的H原子相對(duì)D更容易逃逸到太空中，使得D/H比值升高（胡中為，2012）.

根據(jù)現(xiàn)有的行星形成模型，在太陽(yáng)系形成初期的幾百萬(wàn)年內(nèi)，年輕的行星體周圍會(huì)形成主要由H2和He組成的原始大氣（Lammer et al.,2018）.這些輕質(zhì)量數(shù)的氣體一般都很快逃逸到太空中了.在類地行星的繼續(xù)演化過(guò)程中，來(lái)自太陽(yáng)系外的撞擊物也會(huì)為原始行星提供大量的揮發(fā)性氣體，包括CO2、H2O、CH4、NH3、HCN等（Fischer-G?edde and Kleine,2017）.類地行星大都經(jīng)歷過(guò)巖漿洋階段，在這個(gè)階段，行星內(nèi)部通常會(huì)釋放出大量的揮發(fā)性物質(zhì).對(duì)于地球、金星以及火星，這些揮發(fā)性物質(zhì)主要是H2O和CO2（Marcq et al.,2011;Salvador et al.,2017）.在冥古宙時(shí)期，地球還是以CO2為主的大氣，隨著大氣—海洋—地表的相互作用，地球大氣中的CO2逐漸通過(guò)風(fēng)化過(guò)程轉(zhuǎn)化為碳酸鹽（Walker,1985;Sleep and Zahnle,2001;Stewart et al.,2019）.隨著大陸的逐漸增生（Belousova et al.,2010;Dhuime et al.,2012;Smit and Mezger,2017），風(fēng)化過(guò)程消耗更多的CO2，大氣中CO2含量逐漸減少；隨著生命的出現(xiàn)和繁衍，地球大氣中的O2逐漸增多，最終演變出現(xiàn)在以N2和O2為主的大氣圈.而金星一直保持以CO2為主的大氣.至于為什么金星未能像地球一樣繼續(xù)演化，Salvador等（2017）通過(guò)對(duì)巖漿洋與大氣相互作用熱演化的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在巖漿洋快速冷卻后期，海洋水的凝結(jié)主要取決于行星與恒星之間的距離（D）以及初始揮發(fā)物的含量.模擬結(jié)果顯示，雖然金星到太陽(yáng)的距離超過(guò)了液態(tài)水凝聚的臨界距離，但金星偏高的地表溫度、高CO2/H2O比導(dǎo)致其無(wú)法維持海洋的穩(wěn)定存在.

金星與地球同處于太陽(yáng)系的宜居帶，和地球一樣擁有大氣層的保護(hù).因此，從理論上來(lái)講，金星有生命存在的可能.雖然金星表面條件十分惡劣，地表溫度高，氣壓大，但在高層大氣中，仍然存在著相對(duì)適宜的溫度和壓力區(qū)域.特別是在50～60 km高度，金星大氣層的溫度比較適中，可能適合某些生命的存在.Sousa-Silva等（2020）指出，如果能夠在行星大氣中檢測(cè)到磷化氫（PH3）氣體的存在，就意味著該行星可能存在生命. 這是因?yàn)榱谆瘹涫俏⑸镂×自刂笈懦鲶w外的一種氣體，被認(rèn)為是潛在的生物信號(hào)，可以作為其他行星和天體上存在生命的證據(jù).最新的一個(gè)研究熱點(diǎn)是，Greaves等（2021）通過(guò)使用阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波天線陣（ALML）望遠(yuǎn)鏡和麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）發(fā)現(xiàn)金星大氣中存在PH3氣體，并估算PH3氣體豐度約為20 ppb，這是地球大氣PH3豐度的1 000多倍.根據(jù)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，這些PH3氣體位處距離金星表面53～61 km處，正好位于溫度和壓力適宜生存的高度.Greaves等（2021）在排除各種可以產(chǎn)生PH3氣體可能性后，認(rèn)定其最有可能是生命活動(dòng)的產(chǎn)物.對(duì)于這一研究結(jié)果，也引來(lái)許多學(xué)者的質(zhì)疑（Snellen et al.,2020;Villanueva et al.,2020;Lincowski et al.,2021），質(zhì)疑包括在對(duì)噪聲實(shí)驗(yàn)曲線擬合問(wèn)題，以及ALMA數(shù)據(jù)存在基線校準(zhǔn)等問(wèn)題，麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡觀察到的PH3氣體完全可以用金星大氣中層的SO2來(lái)進(jìn)行解釋.Greaves等（2021）的研究方法和結(jié)論都存在很大的問(wèn)題，金星上是否存在PH3氣體，目前還存在很大的不確定性.至于金星是否存在生命，更是一個(gè)未解之謎.

2.2 金星地表是否曾經(jīng)存在海洋？

金星地表是否曾經(jīng)存在液態(tài)水，也是近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn).如果形成金星的星云物質(zhì)與形成地球的星云物質(zhì)相似，那么金星在形成初期也應(yīng)該含有一定量的水.傳統(tǒng)觀點(diǎn)一般認(rèn)為，金星由于表面溫度高以及紫外線的分解作用，水很早就丟失了（Lécuyer et al.,2000）.同時(shí)，金星大氣中的D/H值遠(yuǎn)高于地球（Fegley,2005;Greenwood et al.,2018），也暗示金星在歷史上已經(jīng)失去大量的水.與此相反，Yang等（2014）的理論模擬發(fā)現(xiàn)，由于金星的自轉(zhuǎn)很慢，科里奧利力很小，云層可以直接從赤道流向兩級(jí)，導(dǎo)致靠太陽(yáng)的一側(cè)蓋滿云層，這種云層能大大增加金星反照率，即使在相當(dāng)高的日照值下也能維持地表較低的溫度，從而使凝結(jié)的液態(tài)水不會(huì)很快丟失.行星的傾角在很大程度上影響其氣候和潛在的宜居性，Barnes等（2016）通過(guò)數(shù)值模型探討了金星早期傾角變化.發(fā)現(xiàn)金星在數(shù)1 Ga里一直保持低傾角的狀態(tài)，與地球不同（受米蘭科維奇旋回影響很大），這表明金星在早期歷史中甚至可能經(jīng)歷了比地球更穩(wěn)定的環(huán)境.

Way等（2016）對(duì)金星早期氣候的計(jì)算機(jī)建模發(fā)現(xiàn)，金星在早期演化歷史中可能存在近2 Ga歷史的較淺海洋和適宜居住的地表溫度.利用金星的地形數(shù)據(jù)和軌道參數(shù)、2.9 Ga和0.715 Ga的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度估計(jì)值、理論估算的金星初始海洋體積（比地球少一個(gè)數(shù)量級(jí)，海洋深度310 m）以及早期估計(jì)的大氣成分等參數(shù)，該研究對(duì)金星的氣候演化進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度對(duì)地表溫度影響很小，但提升金星自轉(zhuǎn)速率會(huì)使金星地表溫度顯著升高.如果假設(shè)金星的自轉(zhuǎn)速率維持不變，金星地表大氣平均溫度為11°C，普遍處于溫和的氣候條件.不過(guò)，目前只有理論計(jì)算推測(cè)金星早期曾經(jīng)存在液態(tài)水，而缺少直接證據(jù).

如果金星地表曾經(jīng)存在液態(tài)水，那又是怎么演化成現(xiàn)在的狀態(tài)呢？Way和Genio（2020）認(rèn)為金星目前這種溫室效應(yīng)與大火成巖省巖漿活動(dòng)導(dǎo)致儲(chǔ)存于沉積物中的CO2大量釋放有關(guān).在金星表面存在早期海洋的假設(shè)下，金星也會(huì)像地球一樣形成大量碳酸鹽巖，將CO2固定在地殼中.即使金星地表或者早期地球溫度更高，基性—超基性巖石一樣能與CO2反應(yīng)形成碳酸鹽巖（Hao and Li,2018）.而后期的大量火山活動(dòng)會(huì)將碳酸鹽巖中固定的CO2釋放到大氣中（Sleep and Zahnle,2001;Hansen,2007;Ernst and Youbi,2017;Way and Genio,2020）.Way和Genio（2020）模擬發(fā)現(xiàn)，多個(gè)大規(guī)模大火成巖省釋放的CO2很可能會(huì)導(dǎo)致失控的溫室效應(yīng).在這種狀態(tài)下，大部分水通過(guò)光化學(xué)而分解，H2迅速逃逸到外太空，而O2逃逸速度大約是H2的一半（Barabash et al.,2007），理論上金星早期大氣會(huì)存在相對(duì)多的O2積累（Luger and Barnes,2015）.至于早期海洋消失留下的氧氣庫(kù)是如何消失的，Way和Genio（2020）認(rèn)為可能是與金星地表的大規(guī)模的年輕火山巖發(fā)生了反應(yīng)，從而被固定到巖石中.根據(jù)麥哲倫探測(cè)器的數(shù)據(jù)，金星近80%的地表都比較年輕（750～180 Ma），說(shuō)明金星年輕火山作用非常普遍.金星液態(tài)水的耗盡也是目前金星缺乏板塊構(gòu)造的可能原因之一（后文會(huì)涉及）.這些理論模擬結(jié)果雖然是自洽的，但顯然還需要更多的探測(cè)結(jié)果進(jìn)一步檢驗(yàn)，例如在金星表面尋找殘留的沉積碳酸鹽巖.

2.3 金星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

金星具有與地球類似的核幔殼結(jié)構(gòu).金星地殼主要由玄武質(zhì)巖石組成，長(zhǎng)英質(zhì)的巖石很少（Gilmore et al.,2017），地表的“瓦片狀地形（Tessera）”可能由長(zhǎng)英質(zhì)巖石組成.

在對(duì)金星巖石圈進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，大部分學(xué)者都是根據(jù)麥哲倫號(hào)探測(cè)器在1990～1994年期間獲得的重力和地形數(shù)據(jù)，采用不同模型進(jìn)行地殼厚度估計(jì).Anderson等（2006）獲得地殼厚度范圍為0～90 km.James等（2013）利用合理的物理參數(shù)范圍，通過(guò)全球地形和重力數(shù)據(jù)建模，將金星地殼平均厚度限制在8～25 km的范圍內(nèi)，并估算地殼質(zhì)量是金星總質(zhì)量的0.2%～0.7%.魏代云等（2014）以及Yang等（2016）利用地幔對(duì)流數(shù)值模型建立了動(dòng)力學(xué)模型大地水準(zhǔn)面地形比，然后在不同的假設(shè)條件下，分別計(jì)算金星的全球地殼厚度，結(jié)果皆指示金星地殼大多在20～60 km厚度范圍內(nèi).Jiménez-Díaz等（2015）同樣分析地形和重力數(shù)據(jù)，將金星地殼厚度估計(jì)20～25 km.

由于缺乏金星地震數(shù)據(jù)的探測(cè)，因此目前對(duì)于金星地核、地幔的研究涉及很少，對(duì)于金星地核的密度和厚度還不是很清楚.根據(jù)金星的重力和地形數(shù)據(jù)，一般認(rèn)為金星可能不存在類似地球上的軟流圈（Kiefer and Hager,1991;Huang et al., 2013）.根據(jù)金星的體積和密度進(jìn)行估算，金星地幔應(yīng)該具有與地球相似的橄欖巖成分（Fegley,2005）. 與地球一樣，金星的地核很可能至少部分液態(tài)，因?yàn)閮深w行星的冷卻速度大致相同（Faure,2007），盡管不能排除完全固體核心的可能性（Dumoulin et al.,2017）.Fienga等（2019）使用前人推測(cè)的地殼和地幔密度等信息，推測(cè)出金星地核的密度為9.80 g/cm3，低于地球地核的密度.Fienga等（2019）總結(jié)的金星殼幔核密度和厚度如圖4所示.

圖4 金星各圈層厚度—密度函數(shù)圖.A：地殼，B：上地幔，C：下地幔，D：地核（修改自Fienga et al.,2019）Fig.4 Thickness-density of Venus layers, A-Crust,B-Upper mantle,C-Lower mantle,D-Core(modified from Fienga et al.,2019)

金星的一個(gè)重要特征是不存在自身磁場(chǎng).對(duì)于地球，至少3.45 Ga之前就已經(jīng)存在磁場(chǎng)（Tarduno et al.,2010），最近基于Jack Hills碎屑鋯石中礦物包體的研究，甚至把古地磁存在的時(shí)間延伸到冥古宙（Tarduno et al., 2020）.針對(duì)于金星為什么沒(méi)有演化出磁場(chǎng)，目前主流觀點(diǎn)為金星地核缺乏對(duì)流（Stevenson,2003）：由于全球磁場(chǎng)的產(chǎn)生需要地核發(fā)生對(duì)流，而對(duì)流又需要地幔不斷抽取地核的熱量，Nimmo（2002）通過(guò)熱通量估算認(rèn)為，金星缺乏磁場(chǎng)的主要原因是金星地幔溫度目前正在上升，金星高地幔溫度阻止地核繼續(xù)向外部散熱，使地核向外傳輸?shù)臒嵬孔優(yōu)榱?，這導(dǎo)致地核停止對(duì)流，因而無(wú)法產(chǎn)生磁場(chǎng).對(duì)于地球這樣的行星，板塊構(gòu)造的發(fā)生是釋放熱量的過(guò)程，而這一過(guò)程需要不斷地從地核吸取熱量，這使地核更容易發(fā)生對(duì)流，金星不存在磁場(chǎng)可能是缺乏板塊構(gòu)造的結(jié)果.Breuer等（2010）認(rèn)為產(chǎn)生磁場(chǎng)的內(nèi)部發(fā)電機(jī)需要一定的驅(qū)動(dòng)力，這種驅(qū)動(dòng)力可以是固體內(nèi)核和液體外核之間的組成差異所引起的化學(xué)浮力，也可以是地核與地幔之間溫差引起的熱浮力，無(wú)論是哪種浮力引起的地核對(duì)流，都強(qiáng)烈依賴于地幔的熱傳輸率，而金星沒(méi)有發(fā)育板塊構(gòu)造，使得冷卻地核的效率低，無(wú)法演化出磁場(chǎng).Jacobson等（2017）通過(guò)模擬行星吸積、分異以及隨后的演化，認(rèn)為行星形成過(guò)程中以穩(wěn)定的成分分層生長(zhǎng)為主，而后期的撞擊會(huì)使內(nèi)部地核發(fā)生攪動(dòng)，形成持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)，從而產(chǎn)生磁場(chǎng).而金星早期可能沒(méi)有發(fā)生巨大的撞擊，一直保持了原有的層狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而沒(méi)能形成磁場(chǎng).

2.4 金星的地表成分

蘇聯(lián)金星系列探測(cè)器中的部分著陸器對(duì)金星地表樣本成分進(jìn)行了分析（表3）.使用X射線熒光光譜儀獲得的金星地表巖石的主量元素組成與地球上的玄武巖相似.通過(guò)伽馬光譜儀獲得的數(shù)據(jù)限定了金星表面放射性元素鈾、釷和鉀的豐度，也與玄武質(zhì)巖石組成一致.金星快車通過(guò)可見(jiàn)和紅外成像光譜儀（visible infrared thermal imaging spectrometer,VIRTIS）數(shù)據(jù)獲得了金星全球表面成分的信息.地表發(fā)射率的大小與區(qū)域巖性特征相關(guān)，金星地表高于全球平均1μm發(fā)射率值區(qū)域主要是冕狀地形、火山以及熔巖流動(dòng)區(qū)域，高異常的區(qū)域被認(rèn)為與巖漿流動(dòng)有關(guān)，并被用于幫助識(shí)別現(xiàn)代火山活動(dòng)（Ivanov,2005）.而地表低于全球平均1μm發(fā)射率值區(qū)域主要是瓦片狀地形區(qū)域，這些低異常區(qū)域的巖性與長(zhǎng)英質(zhì)礦物學(xué)特征相符.發(fā)射率的大小與亞鐵含量有關(guān)，通常呈反比，對(duì)于金星上的鎂鐵質(zhì)巖石化學(xué)風(fēng)化的產(chǎn)物，鎂鐵質(zhì)礦物經(jīng)過(guò)風(fēng)化，所有的Fe都轉(zhuǎn)化為氧化鐵（缺乏亞鐵），它也能表現(xiàn)出低于1μm的發(fā)射率（Gilmore et al.,2017）.目前認(rèn)為金星地表主要由玄武巖組成，這說(shuō)明金星地表主要是噴出巖，但對(duì)于后文所說(shuō)的冕狀地形、星形地貌以及瓦片狀地形，Rozel等（2017）認(rèn)為一個(gè)既有噴出巖又有侵入巖的地殼形成模型更符合現(xiàn)在的金星狀態(tài).

表3 金星地表成分組成（修改自Ivanov,2005）Table 3 Composition of Venus surface(modified from Ivanov,2005)

2.5 金星地形地貌與構(gòu)造

麥哲倫探測(cè)器的雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示，金星表面出露大量的火山活動(dòng)和構(gòu)造活動(dòng)記錄，如區(qū)域平原（Regional plains）、盾狀火山平原（Shield plains）、冕狀地形（Corona）和瓦片狀地形（Tessera）等，各地貌占比見(jiàn)表4（82.5°N～82.5°S）.

在金星表面散布著數(shù)百座大型的盾狀火山和數(shù)以萬(wàn)計(jì)的小型盾狀火山，幾乎覆蓋了整個(gè)星球（Taylor et al.,2018），這些火山噴發(fā)出的熔巖形成各式各樣的火山平原.因此，金星地表最主要的地貌是不同類型的火山平原（圖5），其中主要火山平原為區(qū)域平原和盾狀火山平原（Ivanov et al.,2011）.在所有地貌中，區(qū)域平原面積最大，約182.8×106km2，占據(jù)金星地表40.3%（圖6c,6d）.區(qū)域平原以地勢(shì)平坦、地表巖性組成均一為特征，表面形態(tài)相比其它地貌光滑很多，表面可以存在變形，這些褶皺山脊可以是不同方向、不同形狀.在金星表面有超過(guò)65 000條褶皺山脊，其存在主要與大地水準(zhǔn)面和長(zhǎng)波長(zhǎng)地形有很強(qiáng)的相關(guān)性（Bilotti and Suppe,1999）.區(qū)域平原根據(jù)雷達(dá)后向散射的特點(diǎn)分為兩類，一種是以狹長(zhǎng)、蜿蜒的溝渠狀為特征的較低雷達(dá)反照率的區(qū)域平原（rp1，圖6d），另外一種以發(fā)育大量狹窄、彎曲的褶皺山脊的較高雷達(dá)反照率的區(qū)域平原（rp2，圖6d）.前者在區(qū)域平原總面積中占77%，后者相對(duì)較少（約23%）. 反照率的增加意味著地表更加不平整，也意味著不適合金星著陸器降落，因此著陸器的著陸地點(diǎn)一般選擇較低反照率的地方.Ivanov等（2017）認(rèn)為低反照率的區(qū)域平原物質(zhì)的玄武巖很可能來(lái)自金星的上地幔，高反照率的區(qū)域平原物質(zhì)很可能是地幔物質(zhì)在高熔融程度下，迅速噴出地表形成的，其源區(qū)很可能是低反照率的區(qū)域平原形成過(guò)程中大量熔巖噴發(fā)后殘余的虧損地幔. 從形成年齡上來(lái)看，這兩種區(qū)域平原都晚于表面山脊的形成時(shí)間.在金星表面觀察到很多高反照率的區(qū)域平原圍繞著低反照率的區(qū)域平原，這表明高反照率的區(qū)域平原更加年輕.除了區(qū)域平原，大量小的盾狀火山出現(xiàn)在金星地表的平原，被稱為盾狀火山平原，其面積約79.3×106km2，占金星表面17.4%（圖6e），其地貌整體呈現(xiàn)一種丘陵?duì)?，它可能是由殼源物質(zhì)熔融形成的，發(fā)生這種熔融的火山口半徑雖然小，但是在數(shù)量上非常多（Ivanov et al.,2017）.它相對(duì)瓦片狀地形略光滑，有時(shí)可能會(huì)因褶皺山脊的存在而發(fā)生變形.盾狀火山平原形成時(shí)代較晚，該地貌普遍高于區(qū)域平原，年齡較年輕，周圍都是類似瓦片狀地形這樣較老的地貌.

圖5 金星全球地質(zhì)圖（修改自Ivanov and Head,2011）.c/cf-撞擊物及其流出物，rz-裂谷帶，psh-盾狀火山平原，pl-葉狀平原，gb-溝槽帶，ps-平滑平原，mb-山脈，sc-盾狀火山群，pr-脊?fàn)钇皆?，rp2-區(qū)域平原2，pdl-線狀平原，rp1-區(qū)域平原1，t-瓦片狀地形Fig.5 Global geological map of Venus(modified from Ivanov and Head,2011).c/cf-impact craters and crater outflows,rz-Rift zones,psh-shield plains, pl-Lobate plains,gb-Groove belts, ps-Smooth plains,mb-mountain belts,sc-Shield clusters, pr-Ridged plains,rp2-The upper unit of regional plains,pdl-Densely lineated plains,rp1-The lower unit of regional plains,t-Tessera

圖6 金星平原地貌。（a）、（b）均為火山平原地表，（a）為金星-13拍攝，大約形成于0.75 Ga；（b）為金星-14拍攝，大約形成于幾百萬(wàn)年前；（c）為低反照率的區(qū)域平原；（d）為高反照率的區(qū)域平原；（e）為盾狀火山平原[圖（a）、（b）引 自http://mentallandscape.com/C_CatalogVenus.htm;圖（c）、（d）、（e）修 改 自Ivanov and Head,2011]Fig.6 Photos of plains on Venus.(a)and(b)are close photos of volcanic plain surface.(a)was photographed byВенера-13,with age of about 0.75 Ga;(b)was photographed by Венера-14,with age of several millions of years.(c)and (d)are regional plains with low and high albedos,respectively.(e)is shield plain[(a)and(b)are from http://mentallandscape.com/C_CatalogVenus.htm with permission;(c)～(e)are from Ivanov and Head,2011]

表4 金星地表各地貌占比（修改自Ivanov and Head,2011）Table 4 Proportion of different geomorphologies of Venus(modified from Ivanov and Head,2011)

在金星的表面遍布一種“冕狀地形”地貌（圖7，圖8a），它具有近圓形特征，被同心山脊和裂隙環(huán)狀環(huán)繞（Smrekar and Stofan,2007;Smrekar et al.,2018），其中心區(qū)域可以是穹隆狀態(tài)，也可以為凹陷狀態(tài)，不同的冕狀地形可能代表著不同的成因，也可能代表不同演化階段.冕狀地形通常被認(rèn)為是地幔柱在地表的最終產(chǎn)物.目前金星上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過(guò)500個(gè)“冕狀地形”，其直徑大多都大于100 km，目前已觀測(cè)到最大的一個(gè)冕狀地形是直徑約2 600 km的Artemis冕. Gülcher等（2020）使用三維高精度巖漿—熱力學(xué)地幔柱—巖石圈相互作用模型來(lái)探究金星地表冕狀地形的形成，通過(guò)改變模型中地幔柱的大小、溫度、巖石圈強(qiáng)度等參數(shù)，模擬出四種地幔柱—巖石圈相互作用的方式，分別為巖石圈地幔滴落、短暫俯沖作用、嵌入式地幔柱以及地幔柱底侵作用（圖7）.在前三種作用過(guò)程中，冕狀地形在演化的最后階段都會(huì)由于地殼均衡調(diào)整而發(fā)生地形反轉(zhuǎn)，即凹陷地形.而在地幔柱底侵作用中，由于地幔柱未能穿透巖石圈而在軟流圈區(qū)域擴(kuò)散，形成類似穹隆狀態(tài)的地形，能夠很好地解釋冕狀地形的成因.

圖7 四種地幔柱—巖石圈相互作用方式的冕狀地形（修改自Gülcher et al.,2020）Fig.7 Corona structures formed by four different ways of mantle plume-lithosphere interaction (modified from Gülcher et al.,2020)

除此之外，金星上還發(fā)現(xiàn)了類似蛛網(wǎng)狀的地貌——星形地貌（Novae，圖8b），目前已知的星形地貌有64個(gè).它通常表現(xiàn)為密集的放射狀斷裂和隆起的地形，在一些地方還可以觀察到大量的火山活動(dòng).Gerya（2014）通過(guò)數(shù)值模型解釋這種蛛網(wǎng)狀地貌的形成，認(rèn)為這種構(gòu)造可能形成于地幔柱誘導(dǎo)金星地殼發(fā)生的內(nèi)部對(duì)流過(guò)程中.除此之外，Gerya（2014）認(rèn)為星形地貌可以通過(guò)邊緣上升，使整個(gè)同心破裂向中心傾斜，在隨后中心部分熔融的地殼巖石向外推覆而轉(zhuǎn)化為冕狀地形，但星形地貌并不總是向著冕狀地形演化（Krassilnikov and Head,2003）.

圖8 金星其他地貌.（a）冕狀地形（修改自Guseva et al.,2019）；（b）星形地貌（修改自Ivanov,2005）；（c）瓦片狀地形（修改自Hanmer,2020）Fig.8 Other representative morphologies of Venus.(a)Corona(modified from Guseva et al.,2019);(b) Novae(modified from Ivanov,2005);(c)Tessera (modified from Hanmer,2020)

金星上存在一種獨(dú)特的地貌——瓦片狀地形（圖8c），是金星-15/16探測(cè)器首次發(fā)現(xiàn)的，它是由不同方向的多個(gè)相互交錯(cuò)的變形結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜單元，規(guī)模從幾百米到幾十千米不等，總面積約33.2×106km2，占據(jù)金星的地表7.3%.瓦片狀地形高度變形，因此在雷達(dá)圖像中非常明顯（Ivanov and Head,2011）.瓦片狀地形的變形特征主要是伸展和擠壓.在少數(shù)瓦片狀地形中，甚至可以確定出變形的先后順序.在雷達(dá)圖像顯示的瓦片狀地形中，存在很多類似地球上地層層序的線狀特征，這可能是由于表層地層受到侵蝕形成的.對(duì)于這些線狀特征，普遍認(rèn)為是層狀巖石的褶皺堆疊形成的，但在形成上是由熔巖溢流還是沉積成因仍然無(wú)法確定（Byrne et al.,2021），有待儀器精度的提高和探索方法的進(jìn)一步改進(jìn).也有人把瓦片狀地形解釋為放射狀基性巖墻群和火山的共同作用（Hanmer,2020）.瓦片狀地形通常位于被較年輕的平原環(huán)繞的孤立地段，或者出現(xiàn)在金星主要的高原地區(qū)（圖9）.金星快車通過(guò)VIRTIS在瓦片狀地形觀察到低的發(fā)射率（低于1μm），而發(fā)射率的大小與這些巖石中的鐵含量有關(guān)，瓦片狀地形的發(fā)射率值低于全球平均值1 μm，說(shuō)明它們可能含有較多的長(zhǎng)英質(zhì)礦物.如果這一解釋成立，瓦片狀地形相當(dāng)于金星的陸殼.但是，鎂鐵質(zhì)礦物經(jīng)過(guò)風(fēng)化，所有的Fe都轉(zhuǎn)化為氧化鐵（缺乏亞鐵），也能顯示出低于1μm的發(fā)射率（Gilmore et al.,2017）.因此，瓦片狀地形可能含有較多的長(zhǎng)英質(zhì)巖石，也可能是鎂鐵質(zhì)巖石經(jīng)過(guò)風(fēng)化的產(chǎn)物，還需要進(jìn)一步的研究.

圖9 金星地表瓦片狀地形的全球分布圖（修改自Ivanov,2005）Fig.9 Global distribution of Tessera landform on Venus(modified from Ivanov,2005)

金星表面還存在很多其他地貌，如葉狀平原（lobate plain）、溝槽帶（groove belt）以及脊?fàn)钇皆≧idged plains）等.

由于金星特殊的地表環(huán)境，尤其是大氣中以CO2碳為主，以及金星地表缺乏液態(tài)水（Lammer et al.,2018;Gillmann et al.,2020），金星表面的風(fēng)化作用對(duì)地表地貌的影響很小，火山活動(dòng)和構(gòu)造活動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位.與月球相比，金星地表只有很少的隕石撞擊坑，說(shuō)明金星的表面比較年輕，大約只有0.3～0.6 Ga（Schaber et al.,1992）.很多證據(jù)都表明金星上存在年輕的火山活動(dòng)，Bondarenko等（2010）對(duì)麥哲倫輻射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)明顯的微波熱輻射過(guò)剩，這與年輕的熔巖流侵入引起的地下溫度升高一致，表明存在近期火山活動(dòng)的跡象.Smrekar等（2010）通過(guò)金星快車上VIRTIS獲得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)金星部分區(qū)域的熔巖完全沒(méi)有經(jīng)受過(guò)風(fēng)化，因此非常年輕.火山活動(dòng)對(duì)于金星的內(nèi)部演化具有重要的意義，它不僅是巖石圈熱傳遞的主要方式，而且對(duì)于塑造地表地貌地表環(huán)境，改造大氣成分也起到很重要的作用.軌道飛行器獲得的地形顯示，金星上沒(méi)有太多大型的、活躍的火山熱點(diǎn)（Shalygin et al.,2015）.計(jì)算金星火山活動(dòng)速率的方法有多種不同途徑.常見(jiàn)的有形態(tài)觀測(cè)估計(jì)，例如Strom（1994）等通過(guò)建立模型，利用火山口密度（被認(rèn)為與火山活動(dòng)速率有關(guān)）獲得火山活動(dòng)速率為0.01～0.15 km3/a.也有學(xué)者基于金星表面的方解石與SO2以及火山放氣關(guān)系來(lái)獲得火山活動(dòng)速率為0.4～11 km3/a（Fegley and Prinn,1989）.除了這些方法之外，Hashimoto和Imamura（2001）提出使用遙感探測(cè)技術(shù)觀察和測(cè)量金星熔巖噴發(fā)的頻率，并記錄觀察期噴發(fā)事件的數(shù)量來(lái)估測(cè)火山活動(dòng)的速率.雖然目前金星的火山活動(dòng)準(zhǔn)確速率尚不清楚，但相比于地球，上述學(xué)者估計(jì)的金星火山活動(dòng)速率皆遠(yuǎn)小于地球.

2.6 金星為什么沒(méi)有板塊構(gòu)造

金星表面的線性山脈、盾狀火山平原、裂谷等地貌的地質(zhì)作用力主要來(lái)源于地幔柱—巖石圈相互作用和地幔對(duì)流（楊安等，2020），至今未發(fā)現(xiàn)與板塊構(gòu)造相關(guān)的板塊俯沖作用.金星和地球在行星性質(zhì)上有很多共同之處，那么它們?cè)谠缙诘难莼^(guò)程也很可能是非常相似的.因此，理解金星為什么保持了原始的停滯蓋層（stagnant lid）模式，有助于我們理解地球?yàn)槭裁磿?huì)演化出板塊構(gòu)造作用，也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)研究現(xiàn)在的金星來(lái)了解早期地球. 近20年來(lái)，板塊構(gòu)造是何時(shí)、通過(guò)什么機(jī)制開(kāi)始在地球上啟動(dòng)，已成為固體地球科學(xué)最前沿、最熱的研究方向.金星可以為我們從比較行星學(xué)的角度提供新的視角和新的制約.大洋板片的俯沖是這兩種構(gòu)造模式的重要區(qū)別，因?yàn)樗沟乇砗蜕畈恐g實(shí)現(xiàn)了地球化學(xué)循環(huán)，而停滯蓋層（stagnant lid）模式只允許地幔通過(guò)巖漿作用向地表單向遷移物質(zhì).關(guān)于金星為什么沒(méi)有發(fā)育出板塊構(gòu)造，目前主要存在以下幾種假說(shuō).

Bercovici和Ricard（2014）認(rèn)為板塊構(gòu)造的出現(xiàn)和演化是多晶顆粒損傷機(jī)制和俯沖作用相互作用的結(jié)果.當(dāng)類地行星巖石圈被破壞（發(fā)生局部剪切和礦物粒度減小），并發(fā)生地幔的快速流動(dòng)和原生俯沖時(shí)，將導(dǎo)致弱化的板塊邊界積累，最終形成完全由俯沖驅(qū)動(dòng)的構(gòu)造板塊.對(duì)于金星是否存在俯沖，Davaille等（2017）給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)證據(jù).由巖石圈的破壞程度主要取決于地表溫度，地球上較冷的表面比金星這種熱得多的表面更有利于巖石圈脆弱帶的形成和保留，高溫易于促進(jìn)脆弱帶的愈合（Bercovici and Ricard,2014）.金星極熱的地表?xiàng)l件為金星不存在板塊構(gòu)造提供了一個(gè)合理的解釋.

也有假說(shuō)認(rèn)為，金星沒(méi)有軟流圈是它未能發(fā)育板塊構(gòu)造的原因（Kiefer and Hager,1991;Richards,2001;H?ink et al.,2012;Huang et al.,2013）.自從板塊構(gòu)造理論建立以來(lái)，人們一直懷疑板塊下方的軟流圈可能對(duì)板塊的運(yùn)動(dòng)起到了促進(jìn)作用. 長(zhǎng)期以來(lái)的觀點(diǎn)是，軟流圈的低黏度起到了從下方潤(rùn)滑板塊的作用，這有助于維持板塊運(yùn)動(dòng). 而Richards等（2001）進(jìn)行了數(shù)值模擬，固定板塊內(nèi)部的地幔的參考黏度，考察板塊之下的地幔不同黏度的影響.模擬結(jié)果表明，隨著板塊之下的地幔黏度的增加，在較寬的巖石圈屈服應(yīng)力值范圍內(nèi)，地幔對(duì)流可以保持板塊構(gòu)造模式.當(dāng)板塊之下的地幔黏度等于板塊內(nèi)的地幔時(shí)，板塊狀表面運(yùn)動(dòng)不能維持，活動(dòng)的板塊構(gòu)造就轉(zhuǎn)變?yōu)橥w層（stagnant lid）.H?ink等（2012）通過(guò)模擬和標(biāo)度理論對(duì)這一模擬結(jié)果提供了物理解釋，結(jié)果表明，軟流圈提供的不是所謂的潤(rùn)滑效應(yīng)，而是軟流圈的絕對(duì)黏度較低，地幔之間存在較高的相對(duì)黏度對(duì)比度而產(chǎn)生的流動(dòng)通道效應(yīng).軟流圈通過(guò)放大對(duì)流應(yīng)力有利于維持板塊構(gòu)造，有助于維持和/或重新使弱的板塊邊界活躍.Huang等（2013）的研究也支持軟流圈的重要性，即軟流圈可以通過(guò)增加巖石圈應(yīng)力來(lái)促進(jìn)局部巖石圈變形，以及增加地幔對(duì)流波長(zhǎng)兩個(gè)方面促進(jìn)板塊構(gòu)造的產(chǎn)生.

金星缺乏水導(dǎo)致其不存在板塊構(gòu)造，也是前人經(jīng)常提到的一種解釋（Nimmo and Mckenzie,1996;Karato and Jung,1998;Korenaga,2013;Stern,2018）.Karato和Wu（1993）提出，對(duì)于大多數(shù)停滯蓋層的構(gòu)造模式，地幔硅酸鹽巖石的黏度對(duì)溫度極為敏感（與溫度成反比），黏度在頂部邊界層上發(fā)生數(shù)量級(jí)的變化，導(dǎo)致表面呈現(xiàn)剛性的蓋子覆蓋了整個(gè)行星表面，而地幔對(duì)流只在剛性蓋子之下發(fā)生.停滯蓋層對(duì)流模式向板塊構(gòu)造轉(zhuǎn)變需要一種脆性變形機(jī)制，可以理解為通過(guò)降低巖石圈摩擦系數(shù)來(lái)降低頂部邊界層的屈服應(yīng)力，最終改變停滯蓋層的狀態(tài).而降低巖石圈摩擦系數(shù)需要水的參與，巖石圈可以通過(guò)發(fā)育熱的深斷裂導(dǎo)致深層發(fā)生水化（Korenaga,2007），冷卻的巖石圈的熱收縮會(huì)產(chǎn)生足夠高的熱應(yīng)力，足以使巖石圈最堅(jiān)硬的部分深度破裂. 金星和地球截然不同的演化路徑可能是由于這兩個(gè)行星揮發(fā)物的演化歷史不同所致（Smrekar et al.,2007）.在所有的類地行星中，只有地球在其大氣層和內(nèi)部保留了豐富的水，能夠降低摩擦系數(shù)，進(jìn)而發(fā)育出板塊構(gòu)造.

3 前景與展望

金星俗稱是地球“姊妹星”，在大小、密度和結(jié)構(gòu)各個(gè)方面都與地球非常相似.為什么相似的兩個(gè)行星經(jīng)歷了截然不同的演化路線，這值得我們?nèi)ニ伎?、去探?因此，對(duì)金星的探測(cè)和研究是跳出地球認(rèn)識(shí)地球的最佳途徑.例如，由于金星缺乏板塊構(gòu)造，不能有效地把地表?yè)]發(fā)分異或者氧化性物質(zhì)再循環(huán)到地幔中，金星的地幔非常有可能完好地保留了核幔分異之后的化學(xué)和物理性質(zhì)，通過(guò)分析金星玄武巖，可以限定其源區(qū)地幔的化學(xué)成分，非常有可能獲得地球的原始地幔成分的突破性認(rèn)識(shí).例如，Righter等（2016,2020）推測(cè)金星地幔氧逸度為IW-2到IW-1.除此之外，研究金星和地球?yàn)槭裁磿?huì)朝不同方向演化，是深入理解行星宜居性的形成與演變的重要途徑.在目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的4 000多顆系外行星中，絕大多數(shù)的類地行星位于金星帶而非宜居帶，其地表光照強(qiáng)度更類似金星而不是地球（Kane et al.,2014），研究行星在兩個(gè)軌道區(qū)域的大氣溫室效應(yīng)、評(píng)價(jià)它們的潛在宜居性是未來(lái)的重要研究?jī)?nèi)容.由于上述科學(xué)研究?jī)r(jià)值，金星一直是優(yōu)先級(jí)別最高的探索目標(biāo)之一.從上個(gè)世紀(jì)六七十年代到現(xiàn)在，人們對(duì)金星的探索從未停止.雖然最近的火星探測(cè)熱似乎掩蓋了我們對(duì)金星的探測(cè)需求，但我們有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人類探索金星的新一波高潮即將到來(lái).

正如美國(guó)航空航天局的金星探測(cè)分析小組（The Venus Exploration Analysis Group,VEXAG）白皮書(shū)（2019年版）所指出的那樣，金星探索的三個(gè)主要目標(biāo)如下：

（1）了解金星的早期演化和潛在的宜居性，約束類似金星大小的系外行星演化；

（2）了解金星上的大氣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和組成；

（3）了解金星表面地質(zhì)歷史，以及現(xiàn)在金星表面和大氣之間的耦合關(guān)系.

對(duì)于這三個(gè)科學(xué)目標(biāo)又可以細(xì)化為一些待解決的問(wèn)題，比如，金星早期有宜居的表面條件和液態(tài)水嗎？金星如何闡明行星進(jìn)化的可能途徑？哪些過(guò)程決定了金星大氣組成以及全球和局部輻射平衡的基線和變化？是什么過(guò)程驅(qū)動(dòng)了金星的全球大氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程？哪些地質(zhì)過(guò)程塑造了金星的地表？金星的大氣與地表如何發(fā)生相互作用？為了解決這些問(wèn)題，金星探測(cè)分析小組針對(duì)性地提出了23個(gè)調(diào)查方向，每個(gè)方向均具有一定的科學(xué)價(jià)值.

2021年6月，美國(guó)航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）宣布啟動(dòng)兩個(gè)以金星為探測(cè)目標(biāo)的項(xiàng)目——金星大氣層深部惰性氣體、化學(xué)性質(zhì)及成像調(diào)查（Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry,and Imaging,Plus,DAVINCI +）和金星的發(fā)射率、無(wú)線電科學(xué)、干涉合成孔徑雷達(dá)、地形和光譜（Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography,and Spectroscopy, VERITAS），探測(cè)器計(jì)劃在本世紀(jì)20年代末發(fā)射（信息來(lái)源：https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-2-missions-tostudy-lost-habitable-world-of-venus）.DAVINCI+主要是針對(duì)金星大氣層的探測(cè)計(jì)劃，目標(biāo)是分析大氣組成，了解金星大氣的形成演化以及金星早期是否存在海洋.DAVINCI+計(jì)劃穿過(guò)稠密大氣層，測(cè)量大氣層到地表的化學(xué)組成，特別是惰性氣體的豐度.DAVINCI+計(jì)劃將會(huì)讓我們對(duì)金星的演化有一個(gè)全新的認(rèn)知. VERITAS是軌道器，將通過(guò)綜合孔徑雷達(dá)繪制金星高分辨表面，獲得堪比地球的地貌數(shù)據(jù)來(lái)判斷金星的地質(zhì)歷史以及金星朝著地球不同方向演化的原因.除此之外，VERITAS還將通過(guò)繪制金星表面的紅外輻射圖，來(lái)繪制金星的地質(zhì)圖.另外，NASA評(píng)估金星宜居性的任務(wù)“金星旗艦（Venus flagship）”也將提上日程（2029～2032年），該探測(cè)任務(wù)首先要了解金星上揮發(fā)物的演化歷史，并確定金星是否宜居，其次要獲得金星表面的組成和氣候史，以及現(xiàn)在金星表面和大氣之間的耦合，最后是了解金星地質(zhì)活動(dòng)的機(jī)制以及金星地質(zhì)活動(dòng)目前是否活躍.Venus flagship任務(wù)預(yù)算大概為20億美元，攜帶包括1個(gè)軌道飛行器、2個(gè)小型軌道器、2個(gè)短期著陸器/探測(cè)器、1個(gè)探空氣球以及1個(gè)長(zhǎng)期著陸器.

同樣是在2021年6月，歐空局宣布開(kāi)始啟動(dòng)金星探測(cè)的“遠(yuǎn)景號(hào)（Exciting New Mission To Investigate Venus,EnVision）”項(xiàng)目（信息來(lái)源：https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Scien ce/ESA_selects_revolutionary_Venus_mission_EnVisi on），該項(xiàng)目是與NASA合作開(kāi)展的，新的金星軌道器計(jì)劃攜帶NASA研制的合成孔徑雷達(dá)（Venus synthetic aperture radar, VenSAR），旨在對(duì)金星表面進(jìn)行高分辨率的測(cè)量. 除了VenSAR之外，歐空局還將為探測(cè)器配備一個(gè)地下雷達(dá)，以詳細(xì)了解地下分層情況，并配備多種光譜儀，檢查金星的大氣和地表成分，并另有一個(gè)儀器探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和重力場(chǎng).EnVision軌道飛行器預(yù)計(jì)將于2031～2032年發(fā)射.EnVision將以前所未有的分辨率對(duì)金星從內(nèi)核到大氣層進(jìn)行研究，特別是研究其地核和地幔結(jié)構(gòu)、目前活躍和過(guò)去地質(zhì)過(guò)程的跡象，以及海洋是否曾經(jīng)存在.這項(xiàng)計(jì)劃有利于幫助我們理解為什么金星演化成現(xiàn)在的模樣.

俄羅斯聯(lián)邦航天局一直在規(guī)劃“金星-D”金星探測(cè)項(xiàng)目，此探測(cè)任務(wù)計(jì)劃最早將于2029年發(fā)射（信息來(lái)源：http://www.russianspaceweb.com/venera-d-2021.html）.2014年NASA加入此次金星探索計(jì)劃并共同成立聯(lián)合科學(xué)定義小組（Joint Science Definition Team,JSDT），構(gòu)想此次金星探測(cè)任務(wù)的框架.金星-D任務(wù)主要由三個(gè)部分執(zhí)行，軌道器、登陸器以及長(zhǎng)期原地太陽(yáng)系探測(cè)器（long lived in situ Solar system explorer,LLISSE）.軌道器主要任務(wù)是研究金星的大氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和溫室效應(yīng)；分析大氣、風(fēng)、熱力潮的熱結(jié)構(gòu)；測(cè)定大氣組成，研究云層結(jié)構(gòu)、組成、微物理和化學(xué)；調(diào)查頂部大氣層、電離層、磁層、逃逸率以及太陽(yáng)風(fēng)相互作用.登陸器主要任務(wù)是測(cè)定地表或近地表物質(zhì)的元素豐度和礦物含量；研究大氣與地表的相互作用；研究大氣結(jié)構(gòu)及其組成；對(duì)云層溶膠進(jìn)行化學(xué)分析等.對(duì)于LLISSE準(zhǔn)備在金星執(zhí)行任務(wù)的3個(gè)月期間，主要研究在內(nèi)近地表風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和氣壓的變化；測(cè)量入射和反射的太陽(yáng)輻射；測(cè)量近地表大氣化學(xué)成分；探測(cè)金星地震活動(dòng)、火山活動(dòng)和閃電等.

印度空間研究組織（ISRO）計(jì)劃于2024年底發(fā)射“舒克拉雅（Shukrayaan）”探測(cè)器前往金星，對(duì)金星展開(kāi)為期四年的研究（信息來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/Shukrayaan-1）.“舒克拉雅”探測(cè)器將搭載幾臺(tái)探測(cè)金星環(huán)境的儀器，包括一臺(tái)探測(cè)金星表面的合成孔徑雷達(dá)（SAR），一臺(tái)瑞典和印度合作研發(fā)的金星中性分析器（Venusian Neutrals Analyzer），用于檢測(cè)來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子如何與金星大氣相互作用，以及其它光譜儀.

另外，幾枚新的航天器也會(huì)在不久的將來(lái)飛越金星，包括NASA用于觀測(cè)太陽(yáng)的“帕克”（Parker）太陽(yáng)探測(cè)器，以及目的地為水星的歐洲“貝皮科倫布（BepiColombo）”探測(cè)器.這些探測(cè)器在越過(guò)金星時(shí)，也會(huì)為我們獲取一些有用的數(shù)據(jù).綜上所述，金星是人類認(rèn)識(shí)早期地球、理解行星宜居性的重要窗口.因此，建議我國(guó)科學(xué)家和航天部門盡早規(guī)劃，提出我國(guó)的金星探測(cè)計(jì)劃.具體的探測(cè)目標(biāo)，可以更多地注重在大氣探測(cè)與著陸探測(cè)上，包括：（1）針對(duì)金星大氣中的宜居溫度層的大氣成分和潛在生命信號(hào)，開(kāi)發(fā)能長(zhǎng)期探測(cè)的氣球探測(cè)器；（2）針對(duì)金星地表火山巖的化學(xué)組成、地幔源區(qū)和構(gòu)造背景，著陸器選擇高價(jià)值區(qū)域（如最新的可能的火山噴發(fā)地區(qū)、古老地區(qū)）進(jìn)行著陸采樣分析；（3）針對(duì)金星上特殊的惡劣環(huán)境，以此為探測(cè)目標(biāo)，可作為我國(guó)航天交叉領(lǐng)域的綜合極端環(huán)境的技術(shù)驗(yàn)證.深空探測(cè)作為新的國(guó)家實(shí)力競(jìng)爭(zhēng)平臺(tái)，我國(guó)在新的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中應(yīng)該、也必然有所作為.

附中文參考文獻(xiàn)

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