□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

金星上的火山

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

在地球上看向西邊的天空，那顆正在靜謐夜空中綻放光彩的就是金星。在那遙遠的金星表面，究竟是怎樣的呢？圖片來源：A P O D

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）百人計劃學(xué)者。

天堂？地獄！

在空間探索時代以前，人們常把金星看作地球的孿生姐妹，因為它的大小、質(zhì)量、密度以及到太陽的距離都與地球相似。幾個世紀以來人們一直以為，在金星厚厚的云層下面是一片熱帶雨林?，F(xiàn)在我們知道，金星表面的條件是很惡劣的：表面溫度高達750攝氏度，氣壓超過地球表面的100倍，大氣成分主要是二氧化碳（CO2），還有一層厚厚的二氧化硫（SO2）云。金星表面上有很多火山，它們并不經(jīng)常噴發(fā)，然而一旦噴發(fā)，熾熱的熔巖將蔓延到絕大部分的金星表面。人們說，金星的表面就像地獄。通過研究地球與金星上火山的異同，天文學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家已對兩顆行星的內(nèi)部有了深入的了解。人們發(fā)現(xiàn)，表面的液態(tài)水海洋對行星上的火山活動有著根本性的影響。事實上，在我們的地球，海洋、火山和生物圈之間的關(guān)系極為密切。

深入內(nèi)部

火山源于行星堅硬外殼的破裂。在這些破裂的地方，巖漿從行星內(nèi)部涌出。通常這些巖漿會很快冷卻，形成黑色的巖石——玄武巖。這其實意味著行星的內(nèi)部非常熾熱。比如地球核心的溫度，就跟太陽表面一樣高。這些熱量想要散逸到地球的表面是十分困難的，因為地球的表面由堅硬的巖石構(gòu)成。巖石的傳熱性能很差，因此熱量的散逸率很低。今天地球散熱量的大約20%來自地球形成時留下的熱量，也就是說，地球自誕生以來45億年間一直在逐漸冷卻。散熱量的剩余80%則來自地表之下數(shù)千千米的放射性物質(zhì)，主要是放射性元素鈾（U）、釷（Th）以及放射性的鉀（K）。好在，絕大多數(shù)的這些放射性元素都深埋在地表之下，不會對人類造成什么威脅。

盡管很難對金星的表面進行探測（所有的金星登陸器都被強大的氣壓摧毀或在高溫下熔化了），仍然有證據(jù)顯示，金星的地質(zhì)情況與地球頗有相似之處。比如，通過飛船探測器，我們可以測出金星的大小和質(zhì)量，于是可以得到它的密度是5.34克/立方厘米，略小于地球。這主要是因為地球自引力的壓縮效應(yīng)比金星稍大的緣故（地球比金星的質(zhì)量要稍大一些）。迄今的所有探測都表明，金星的化學(xué)組成與地球十分相似：大約是氧（O）47%、硅（Si） 28%、鋁（Al）8%、鐵（Fe）5%、其他元素12%。地球和金星都有固態(tài)的金屬內(nèi)核、液態(tài)的金屬外核、固態(tài)巖石構(gòu)成的幔以及堅硬的巖石質(zhì)的殼。因為金屬較重，所以大部分沉入核心，而外層（幔和殼）則主要由巖石（SiO2）構(gòu)成。在殼的上面，地球還有一薄層水和一薄層大氣，而金星上則沒有水，只有一層厚厚的大氣。

金星13號登陸后堅持了2小時7分鐘，它拍攝了14張照片，向我們展示了金星表面的情況。在這張照片的下方，你還可以看見探測器的一部分。而那個白色的物體是照相機的鏡頭蓋。金星上的這些巖石看起來似乎是玄武巖，很像我們在地球上的火山附近看見的。圖片來源：R ussi an Space Agency

由于地幔中強大的壓力，地球的外殼——地殼崩裂成為幾大板塊。這些板塊漂浮在地幔上，有時會相互碰撞，這稱為“板塊構(gòu)造（運動）”。一般來說，火山活動分布在板塊的邊緣和裂縫處。而金星的殼并沒有斷裂成幾塊，熔巖要溢出地面就不太容易了。金星表面之下的熔巖在幾百萬年里不斷積蓄壓力，直到外殼再也無法承受。從金星超級火山中涌出的熔巖能夠覆蓋到金星表面的大部分地區(qū)。圖片來源：Sanandreasf aul t.org

板塊構(gòu)造

地球的殼——地殼由堅硬的巖石構(gòu)成，在地殼之下是由溫?zé)岬墓虘B(tài)巖石構(gòu)成的厚厚的地幔。盡管是固態(tài)，由于地幔受到極大的壓力，也會因此而變形：地殼之下的“固態(tài)”巖石其實是運動的。這些地下巖石流動的力會傳遞到地殼，于是地殼便斷裂成漂移的幾大塊。這一現(xiàn)象稱為“板塊構(gòu)造”。在現(xiàn)在的世界地圖上，讀者仍然可以看出，非洲和南美洲的邊緣曾經(jīng)是連在一起的。目前，它們?nèi)匀辉谝悦磕陰桌迕椎乃俣认嗷ミh離。印度曾經(jīng)和非洲相連，但后來分裂出來，向北漂移，與中國相撞，形成了喜馬拉雅山脈。現(xiàn)在，非洲東部正在分裂開來，在肯尼亞、坦桑尼亞和馬拉維形成了一連串長條形的湖泊。非洲幾乎與歐洲相撞，形成的是阿爾卑斯山脈。最后，太平洋板塊從四面八方都受到大陸板塊的擠壓，形成了所謂“環(huán)太平洋火山帶”——由環(huán)繞太平洋的大量火山和山脈組成。南美洲的安第斯山脈、洛杉磯的地震以及太平洋邊緣形成的島山，如新西蘭、日本和菲律賓等，就都源于這種擠壓。

板塊構(gòu)造伴隨而來的是火山活動。大部分的火山成因?qū)儆谙旅嫒N情況：1、一個大陸板塊與一個海洋板塊相撞時（如南美洲的安第斯山脈）；2、一個海洋板塊與另一個海洋板塊相撞時（如菲律賓）；3、兩個板塊相互分離時，板塊之間會出現(xiàn)火山，如海底的大西洋中脊和東非大裂谷?；鹕胶苌俪霈F(xiàn)在兩個大陸板塊相撞的地方，因為大陸板塊要厚得多，也硬得多。因此，印度與中國相撞造成了大量的地震，但幾乎沒有形成火山。

另外還有一種火山，它們出現(xiàn)在板塊下的巖漿上涌出來的地方（這些地方又稱為“熱點”）。通常，這些巖漿流并沒有強到能使板塊分裂的地步，而只是在板塊上鉆一個洞，那即是我們看到的火山。一個著名的“熱點”是夏威夷，它位于太平洋板塊的中心。海洋板塊比較薄弱，巖漿比較容易從中鉆出來，因此夏威夷的巖漿經(jīng)常溢出火山口，但并不是爆發(fā)性的。厚厚的大陸板塊下面的“熱點”就比較麻煩了。巖漿無法輕易在大陸的巖石上鉆出洞來，壓力于是逐漸積累，直到最終足以使地面崩裂，大量的巖漿也隨之爆發(fā)而出。這種事件并不多見，但破壞力極大，稱為“超級火山”。一個著名的例子就位于美國的黃石國家公園。

金星上沒有海洋，可以說，也并沒有水。至于說是否有板塊構(gòu)造，地質(zhì)學(xué)家仍然在爭論當中。不過從金星表面的情況看來，即使有，規(guī)模也是很小的。由于沒有海洋，金星的殼非常厚實，與地球的大陸板塊類似。金星上沒有那種像地球上一樣由板塊構(gòu)造帶來的火山活動，但其表面之下卻同地球一樣存在著“熱點”。它們會帶來偶爾的超級火山爆發(fā)，噴出的巖漿將覆蓋金星，使之大部分表面都是熔融的巖石。

探測金星表面

通過對行星表面的巖石進行仔細的化學(xué)分析、對星震進行測量以及對火山進行研究，地質(zhì)學(xué)家能夠深入地了解一顆行星。但是，這樣的辦法盡管對地球、月球、火星都適用，對于金星，卻是很難操作的。

在這幅金星的圖像中，繪制的數(shù)據(jù)來自“麥哲倫”號探測器的探測結(jié)果，并依據(jù)金星號行星際探測器拍到的實際顏色來上色。其中，中間亮色的區(qū)域是著名的阿佛洛狄忒臺地。圖片來源：A P O D

原因有兩個：一是金星厚厚的云層使我們在大部分波段都無法看到它的表面。金星的大氣只允許射電波通過，因此探測器可以用雷達測量它表面的高程。很多探測器，如美國宇航局（NASA）的“麥哲倫”號和歐洲空間局（ESA）的“金星快車”號探測器，就都是為此而設(shè)計的。第二個困難在于金星表面恐怖的大氣條件。蘇聯(lián)的“金星”系列探測器最早對金星表面進行細致的研究，然而其過程卻并非一帆風(fēng)順。金星2號在進入金星大氣層之前過熱燒毀。金星3號在金星表面墜毀，不過它卻是第一個到達其他行星表面的探測器，雖然到達時已經(jīng)成了碎片。金星4、5、6號都對金星的大氣層進行了研究，但也都被強大的氣壓擠扁了。結(jié)實得多的金星7號是第一個在其他行星上著陸的探測器，只可惜著陸時發(fā)生了側(cè)翻。金星8號終于成功登陸，并且存活了50分鐘。對金星表面拍攝的第一批照片來自金星9號和1 0號。蘇聯(lián)在保證探測器存活的問題上逐漸有了經(jīng)驗，隨后的“金星”系列飛船傳回了金星表面的照片和化學(xué)分析的結(jié)果。借助這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家對金星的地質(zhì)情況進行了研究。我們今天對行星的基本認識正是來自這些研究。

根據(jù)“麥哲倫”號探測器探測得到的雷達數(shù)據(jù)，利用電腦重建出的金星表面地貌。圖片來源：A P O D

金星表面的撞擊坑

金星的表面與地球和月球有很多相似之處，但也有一些巨大的差異。金星全球散布著將近900個撞擊坑。這比地球上的數(shù)量要多，但仍然遠遠小于月球或火星上的數(shù)量。而且，金星上所有的隕石坑直徑都超過2千米，表明只有較大的隕石才能夠最終落到它的表面。小一些的隕石會在它致密的大氣層中燃燒殆盡。較大的撞擊坑中常常填滿了凝固的熔巖（火成巖），這是撞擊產(chǎn)生的高熱帶來的結(jié)果。在熾熱的金星表面，撞擊產(chǎn)生的熱量很容易把地表的巖石熔化。

地球上隕石坑的數(shù)量極少，這說明地球的表面是十分年輕的。大部分古老的撞擊坑都隨著板塊運動而消失，或者被風(fēng)和水侵蝕了。月球的表面布滿隕石坑，說明它很古老。金星介于兩者之間，我們可以用撞擊坑來估計金星表面的年齡。在金星上，撞擊坑不會被水侵蝕（因為金星上沒有水），大概也不會被風(fēng)侵蝕，板塊運動估計也不會。而火山活動則扮演了極其重要的角色。通過分析隕石坑的分布，科學(xué)家估計，與3~5億年前相比，大約有80%的撞擊坑由于幾次大的火山事件而被抹去了。而另一些地區(qū)，如高地（山脈）則比較古老，或許能為我們提供超級火山爆發(fā)之前幾百萬年的金星地表情況信息。

金星上的火山地貌

整個金星地貌就是由火山和凝固的熔巖流所塑造出來的。有些火山看上去就像地球上的山。比如高達8千米的、金星上最大的山——馬特山脈（Maat Mons）即是一例。不過，它們?nèi)杂泻艽蟮牟煌Ｓ捎诮鹦潜砻鏈囟缺鹊厍蛞叩枚?，流動的熔巖要想冷卻凝固，就比在地球上要慢得多。這造就了金星表面綿延更長的熔巖流。同時，它們的體量也比地球上大得多。這是由于金星上沒有海洋，又厚又硬的大陸板塊像屏障一般阻擋了熔巖從地下涌出。壓力在幾百萬年里不斷積累，當熔巖終于沖破金星外殼時，噴出的巖漿量就會十分巨大，能夠覆蓋金星表面的大部分地區(qū)。

另外，金星上還有我們在地球上沒有見過的火山形態(tài)。最著名的是餅形穹狀火山（pancake domes）。它們是直徑1~1 00千米的火山結(jié)構(gòu)，看上去就像一塊薄餅。這種火山稍微有點類似于美國加利福尼亞州的帕氏坑（Panum crater，也是一個穹狀火山，即火山錐呈現(xiàn)寬闊的穹頂模樣）。這一現(xiàn)象暗示，餅狀結(jié)構(gòu)之所以成為如此模樣，或許因為它們是由成分稍微不同的熔巖凝成的。

金星上的四座“餅狀火山”。這些奇怪的結(jié)構(gòu)大概是因為熔巖從地下溢出地表，并且向各方向均勻蔓延產(chǎn)生的。它們?yōu)楹闻c地球上的火山看起來如此不同，現(xiàn)在尚不清楚，不過或許可以在熔巖化學(xué)方面做些研究。圖片來源：N ASA

金星上另外一種獨特的地貌是蛛狀結(jié)構(gòu)。它們并不是爆發(fā)的火山，而是緩慢流出巖漿的山體——熔巖從火山口邊緣緩緩流出。在地球上，這樣的熔巖流很快就會凝固，而在金星上，由于環(huán)境溫度很高，熔巖流能夠蔓延到更遠的距離，形成金星上隨處可見的“蜘蛛”似的結(jié)構(gòu)。

上述這些證據(jù)都不能直接證明金星現(xiàn)在存在火山活動，因為我們并沒有看到任何流動的熔巖。不過，卻有很多間接的證據(jù)強有力地證明了這一點。這些證據(jù)可以分為兩類。首先，歐洲空間局的“金星快車”號探測器在金星上發(fā)現(xiàn)了“熱點”。盡管這一測量的精度尚不足以確定那里到底發(fā)生了什么，但測量結(jié)果至少清楚地表顯示，在馬特（火）山附近的一個地方，一連幾天中出現(xiàn)了極為熾熱的東西。另外，在過去的幾年里，金星大氣中二氧化硫的含量驟增。人們猜測，正是火山噴發(fā)向大氣中釋放了這些毒氣。雖然都是些間接的證據(jù)，它們卻有力地證明，金星現(xiàn)在仍然很活躍。

金星上一個典型的蛛狀結(jié)構(gòu)。蛛狀結(jié)構(gòu)可能是非常薄而光滑的熔巖流長期流過地面的產(chǎn)物。這類火山在地球上也是沒有的，因為地球表面的溫度要低得多，熔巖很快就冷卻凝固了。圖片來源：N ASA

為什么金星與地球如此不同？

在很多方面，金星和地球都稱得上孿生姐妹。它們的質(zhì)量和大小相似，化學(xué)組成也類似，到太陽的距離也差不多。不過，正是這最后一個“差不多”使金星和地球的現(xiàn)狀迥然不同。金星比地球要更接近太陽一點。因此受到的太陽輻射就要更多，表面溫度也要更高一些。而這卻帶來了失控的溫室效應(yīng)，使金星表面的溫度不斷上升，直到金星上所有的液態(tài)水都被蒸發(fā)。高溫與磁場的缺乏（這使得蒸發(fā)到大氣高層的水分子會直接受到太陽輻射出的帶電粒子的“攻擊”）共同作用使得金星上的水無法留存。水分子（H2O）被太陽風(fēng)打散成為氫（H）和氧（O），氫向太空中逃逸，而氧則與大氣和地面上的物質(zhì)繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于沒有液態(tài)水的海洋，板塊運動實際上也停止了（地殼中的水分子是有助于板塊運動的），金星的整個表面成為一大塊大陸性的殼。因此，像地球上那樣在板塊邊緣出現(xiàn)的小規(guī)模的火山活動就不復(fù)存在了。剩下的只有一塊堅硬的外殼，偶爾會突然崩開，并從中涌出淹沒金星大部分表面的大量熔巖。

金星大氣中含有大量的二氧化硫。這種有毒的氣體或許全部是由火山活動進入大氣的。盡管我們無法直接觀測到火山爆發(fā)，但通過觀測研究金星大氣的化學(xué)組成，還是相對容易的。大氣中二氧化硫含量的突然增加強烈地暗示了火山的噴發(fā)活動。圖片來源：European Space Agency

在幾十億年之后，同樣的事情也會在我們的地球上出現(xiàn)。我們的太陽正在極為緩慢地變亮。1 0億年之后，太陽表面的溫度將比現(xiàn)在增高10%，而這足以引發(fā)地球上失控的溫室效應(yīng)，并把全部的液態(tài)水煮沸。那時，生命將不能在地球上生存，板塊構(gòu)造也將終結(jié)。利用這些飛船和已經(jīng)著陸的探測器收集到的金星信息，我們將不僅能夠研究金星的歷史，也能夠預(yù)知地球遙遠的未來。從某種意義上說，金星的命運，也就是地球的命運。